С течением времени кость человека, так же как и внутренние органы, постоянно обновляется, и зачастую болезнь связана с тем, что нарушен баланс между процессами старения и новообразования. Например, при остеопорозе не только уменьшается масса костной ткани, но также изменяется структура и элементный состав кости [11].
По химическому составу кости состоят из органических (коллагены и белки) и минеральных (кристаллический гидроксиаппатит) компонентов. Отношение между этими компонентами очень важно для ремоделирования кости. Молодая кость имеет недостаток минерального вещества, и размер кристаллов в ней мал. С ростом кристаллов гидроксиаппатита возможно замещение ионов кальция на ионы натрия, калия, магния, стронция и даже свинца; возможно также и замещение анионов. В значительной степени это может быть связано с экологическими условиями жизни человека, различными профессиональными факторами вредности и др. Результатом становится изменение физических свойств кости, таких как прочность, гибкость, упругость. Поэтому измерение элементного состава кости или обнаружение редких элементов в ней может быть полезным в ранней диагностике остеопороза.
Обычно неинвазивный (неразрушающий) элементный анализ проводится по флюоресцентной методике (когда под воздействием внешнего излучения возбуждаются и флюоресцируют атомы вещества). Возбужденные атомы или ядра излучают характеристические рентгеновские или гамма-лучи, по которым можно определить состав образца. До настоящего времени такие методики исследования элементного состава для анализа костей применялись мало, потому что требования к ним очень высоки. Во-первых, такие исследования желательно делать на живом организме, и, следовательно, дозы облучения должны быть очень низкими. Во-вторых, точность измерений должна быть высока, потому что процент содержащихся вредных примесей, как правило, очень мал. Этим требованиям можно удовлетворить за счет использования СИ.
Известно огромное влияние макроэлементов (кальций, натрий, магний и др.) и микроэлементов (цинк, медь, кобальт и др.) на функционирование организма и на состояние здоровья. Как теперь выяснено, при возникновении многих патологий, в том числе и опухолевых, возникает дисбаланс в распределении этих физиологически значимых элементов. С другой стороны, в настоящее время достоверно установлено, что загрязнение окружающей среды различными токсикантами, среди которых особое место занимают тяжелые металлы, приводит к существенному увеличению вероятности возникновения определенных заболеваний. При попадании в организм человека тяжелых металлов, особенно через органы пищеварения и дыхания, происходит бессимптомное накопление этих элементов в определенных органах, в том числе и в биожидкостях. Связь процесса накопления тяжелых металлов с хроническим стрессом и трансформацией в разнообразные нозологические патологии особенно очевидна при наблюдении за развитием онкологических заболеваний. Клинически идентифицировать воздействие окружающей среды в конкретный момент и на конкретного человека весьма сложно и не всегда представляется возможным. В связи с этим особое значение приобретает разработка методов ранней диагностики накопления и распределения некоторых химических элементов в организме человека.
Рис.7. Спектр, полученный на пучке СИ по методу рентгеновского флюоресцентного анализа для биожидкости, взятой у больного (опухоль) в сравнении с фоном (пленка).
Было показано [12], что микроскопический элементный анализ дегидратированных биожидкостей (кровь, моча, плазма) может решить проблему экологического мониторинга профессиональных заболеваний. Избыток тех или иных микроэлементов, в основном тяжелых металлов, служит меткой различных, особенно профессиональных заболеваний, связанных с работой во вредных условиях. На рис.7. показан спектр флюоресцентного излучения, полученный с помощью Ge-детектора на пучке СИ. В качестве образца использовалась проба биожидкости, взятая у онкологического больного. Здесь видна широкая подложка, связанная с рассеянным излучением, на которой выделяются пики (характеристические линии), соответствующие определенным элементам. Благодаря использованию СИ удается измерять примеси микроэлементов до одной миллионной доли (1 ppm) в биоптатах и биожидкостях.
Эти первые результаты были получены сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (г.Саров) совместно с ИЯИ РАН и РНЦ КИ на пучке синхротронного излучения РНЦ КИ по методу рентгеновского флюоресцентного анализа для различных медико-биологических проб. Они показали перспективность предложенного метода.
В глубь сосудов
Работы по получению изображений коронарных сосудов и сердца заняли одно из ведущих мест на многих источниках синхротронного излучения (КЕК в Японии, ESRF во Франции, ВЭПП-4 в Новосибирске и др.), потому что потребность в них исключительно велика. Так, на источнике ESRF в Гренобле уже несколько лет ведутся регулярные обследования пациентов [13].
Основной недостаток обычной рентгеновской диагностики сердца связан с необходимостью введения контрастного вещества в вену для получения контрастного изображения. Введение контрастного вещества в кровеносные сосуды осуществляется с помощью катетера, что является довольно рискованной операцией и требует дополнительного облучения пациента для ее контроля (операция проводится под рентгеном). Принцип использования контрастного вещества основан на том, что в спектре поглощения рентгеновских квантов есть верхняя граница по энергии (К-край, соответствующий возбуждению К-оболочки), выше которой вероятность поглощения резко падает. Это объясняется структурой электронной оболочки данного элемента (К-оболочка - самая нижняя оболочка, для возбуждения ее нужна максимальная энергия). Делая два снимка при двух энергиях пучка (чуть выше и чуть ниже К-края) и вычитая затем один из другого, мы получили изображения с высоким контрастом. Обычно в ангиографии в качестве контрастного вещества используется йод, у которого К-край рентгеновского излучения равен 33.17 кэВ. В последние годы разработан метод просвечивания с использованием гадолиния, у которого К-край соответствует более высокой энергии (50.24 МэВ), что повышает точность измерений.
Использование СИ позволило упростить процедуру введения контрастного вещества и снизить количество этого препарата. В результате при введении контрастных веществ в очень небольших количествах с помощью обычного шприца получают качественное изображение артериальных сосудов. Напомним еще один важный момент: благодаря монохроматичности излучения СИ дозы облучения оказываются минимальными.
На помощь терапевту
Современные методы лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний разнообразны, но все они имеют большой недостаток: под действием излучения оказываются не только раковые клетки, но и здоровые, из-за чего возникают негативные побочные явления. С этим недостатком борются разными способами, например, используя пучки ионизирующих частиц, которые производят ионизацию главным образом в конце трека (протоны). Но протонная терапия очень дорога, потому что требует создания протонных ускорителей достаточно высокой энергии.
Принципиально новый терапевтический подход (микролучевая терапия) с использованием СИ был предложен в Брукхэвене около 10 лет тому назад и получил развитие на ESRF [14]. Идея нового метода основана на использовании пучка специальной формы (в виде множества планарных, узких пучков - типа расчески). Экспериментально показано, что благодаря такой структуре пучка после облучения возможна регенерация здоровой ткани. Иначе говоря, микропоражения здоровой ткани исчезают благодаря быстрому воздействию крови, которая сама по себе менее чувствительна к дозе облучения. Пораженные раком клетки при этом разрушаются и не восстанавливаются. Если к тому же свести пучки локально в место расположения опухоли, то терапевтический эффект еще более возрастет. В результате с помощью таких пучков можно эффективно повышать дозу облучения (в сотни и тысячи раз), не разрушая здоровые ткани. При этом лечению поддаются опухоли самых различных органов, включая головной мозг, который сейчас облучают в основном на кобальтовых пушках, вызывающих в отличие от микролучевой терапии более значительные негативные побочные явления.
Синхротронное излучение оптимально подходит для использования в микролучевой терапии, потому что оно обладает высокой интенсивностью, достаточно высокой проникающей способностью и легко формируется с помощью коллиматоров. Модельные расчеты и экспериментальные исследования показали [12], что оптимальной структурой обладает пучок шириной в несколько сантиметров в виде расчески с “зубьями” шириной до 40 мкм при расстоянии между ними около 75 мкм.
Перспективы
Использование синхротронного излучения в медицине имеет хорошие перспективы не только в области рентгеновской диагностики и терапии, но и в более широком плане, который поначалу может показаться фантастическим. Например, с помощью СИ можно создать микроустройства (капсулы с дистанционно управляемыми микродвигателями), которые, двигаясь по сосудам, будут доставлять лекарственные препараты в нужное место и в нужных количествах. Метод создания подобных микроустройств уже достаточно хорошо разработан (глубокая рентгеновская литография); он позволяет изготавливать микродвигатели, химические микрореакторы и другую микротехнику. Выгоды от применения такой техники достаточно очевидны. В медицине это может привести к принципиально новым методам лечения. И дело не только в том, что лекарства будут использованы более эффективно и их потребуется намного меньше, чем при пероральном введении или инъекциях. Одно из возможных применений может быть связано с генной инженерией.
Исследования в области генотерапии болезней человека показывают перспективность введения ДНК-конструкций в стволовые костно-мозговые клетки [15]. Проведение подобных исследований наталкивается на значительные трудности, поскольку используемые в настоящее время хирургические методы проникновения в полость берцовой кости травматичны, вызывают большое количество осложнений и требуют длительного пребывания больных в клинике. Точность введения генетических конструкций при этом сильно снижена. Поэтому использование достижений микромеханики для создания устройств, способных обеспечить микроинвазивную доставку лекарств по кровеносным сосудам, становится актуальными.
В последние годы генетика все чаще вторгается в область практической медицины, что дает весьма впечатляющие результаты. Работы в этом направлении, естественно, находят своих последователей и среди специалистов синхротронных центров. Пока использование пучков СИ в генетических исследованиях можно рассматривать только как предложение, потому что оно еще находится в самой начальной стадии. Тем не менее развитие данного подхода не только возможно, но и вполне реально в ближайшем времени.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 04-02-16996.
Список литературы
1. Medical Applications of SYNchrotron Radiation / Eds M.Ando, C.Uyama. Tokyo, 1998.
2. Шильштейн С.Ш., Подурец К.М., Соменков В.А., Манушкин А.А. // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1996. №3-4. С.231-241.
3. Gerasimov V.S., Korneev V.N., Kulipanov G.N. et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1998. V.A405. P.525-531.
4. Артемьев А.Н., Манушкин А.А., Недорезов В.Г. и др. // Препринт ИАЭ. 1998. Т.6065/15. С.1-20.
5. Podurets K.M., Pogorelyi D.K., Manushkin A.A. et al. // Crystallography Reports. 2004. V.49. Suppl.1. P.50-54.
6. Кононов Н.К., Беляев А.Д., Игнатов С.М. и др. // Приборы и техника эксперимента. 2004. №5. С.123-125.
7. Arfelli F., Barbiellini G., Bernstoff S. et al. // Reviews of Scientific Instruments. 1995. V. 66. P.1325-1328.
8. Johnston R.E., Washburh D., Pisano E. et al. // Proceedings of International Society for Optical Engine. 1995. V.2432. P.434-441.
9. Ando M., Sugiyama H., Maksimenko A. et al. //Jap. J. Appl. Phys. 2001. V.40. P.L298-L301.
10. Кононов Н.К., Беляев А.Д., Гришкин Ю.Л. и др. // Тезисы доклада на конференции “Медицинская физика-2005” (2-й Евразийский конгресс), М., 21-24 июня 2005 г.
11. World Health Organization. Assessment of Fracture Risk and its Application to Screenung for Postmenopausal Osteoporosis. Geneva, 1994.
12. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. // Бюллетень РАМН. 2000. №3. P.45-49.
13. Elleaume H., Charvet A.M., Berkvens P. et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1999. V.A428. P.513-527.
14. Charvet А.М. et al. // Proc. of Int. Sch. of Physics “Enrico Fermi”, CXVIII. 1996.
15. Сергиенко В.И. и др. // Патент РФ 99122938.