От Дубны до Гаваны
ТЕХНОЛОГИИ / #3_2022
Текст: Марина ПОЛЯКОВА / Фото: Владислав Рожков
Специалисты Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) вместе с коллегами из кубинских научных центров CEADEN и CENTIS разработали томограф, который будет полезен для создания новых лекарств — пространственное разрешение в 1 мм позволяет очень точно определить место накопления препарата в организме лабораторных животных.
Уже около 50 лет в таких областях медицины, как онкология, кардиология и неврология, для точной постановки диагноза используются ядерные методы. Наиболее популярны однофотонная томография (ОФЭКТ), позитронная эмиссионная томография (ПЭТ) и рентгеновская компьютерная томография (КТ).
Благодаря ОФЭКТ и ПЭТ врачи могут наблюдать за тем, как введенный пациенту радиофармпрепарат накапливается в его организме. КТ позволяет получать четкие изображения внутренних органов. А если совместить эти методы, то можно получить подробную информацию о движении и химических превращениях лекарства в организме. Опыты на лабораторных животных — мышах и крысах — позволяют исследовать радиофармпрепараты и любые другие лекарственные средства; перед введением в организм их помечают радиоактивным изотопом. Иногда для этих целей используют ПЭТ/КТ-томографы с высоким пространственным разрешением. Но ПЭТ-центры стоят дорого: для производства препаратов нужны ускоритель — циклотрон и специальная инфраструктура. Вместо дорогой ПЭТ в дополнение к КТ можно использовать менее затратную ОФЭКТ. Однако при этом возникает проблема: гамма-камера для классической ОФЭКТ обладает низким пространственным разрешением — около 1 см. Для работы с организмом человека или крупного лабораторного животного этот метод использовать можно, а для мышей он не годится — они слишком маленькие, четкое изображение не получится. Необходимо добиться разрешения хотя бы в 1 мм. Ученые из ОИЯИ вместе с кубинскими коллегами взялись разработать ОФЭКТ/КТ с более высоким пространственным разрешением.
«Идея создания такого прибора пришла с Кубы. Коллега из Центра прикладных технологий и ядерного развития (CEADEN) Антонио Лейва Фабело пригласил меня в Кубинский центр радиоизотопов, где я рассказал о детекторах, над которыми мы тогда работали и которым искали практическое применение. Кубинские коллеги сказали, что занимаются разработкой новых лекарств, но столкнулись с проблемой: им очень трудно определить, в каких органах лабораторных мышей накапливаются лекарства. И мы подумали, что наша разработка могла бы для этого пригодиться», — рассказал Алексей Жемчугов, заместитель начальника научно-экспериментального отдела встречных пучков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.
Полупроводниковый пиксельный детектор Medipix, разработанный международным консорциумом в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), прекрасно подходит для решения описанных выше задач. Детектор состоит из двух частей: сенсора, где рентгеновские лучи или гамма-кванты взаимодействуют с веществом, и электроники для регистрации, обработки и передачи данных об этих взаимодействиях. В его основе — сложная микросхема, занимающаяся обработкой сигналов. Микросхемы Medipix позволяют получать рентгеновские томографические изображения с разрешением около 50 микрон. Перед учеными стояла задача: получить высокое разрешение при ОФЭКТ.
В классической гамма-камере рядом с детектором размещается коллиматор — толстая пластина с сотнями отверстий, через которые гамма-кванты попадают на детектор. Функция этой пластины — пропустить на детектор только частицы, летящие в определенном направлении. Гамма-лучи, идущие в других направлениях, поглощаются коллиматором. Пространственное разрешение гамма-камеры зависит от размеров отверстий в коллиматоре и их количества, поэтому трудно добиться разрешения меньше 1 см.
«Нам на помощь пришел опыт Курчатовского института: в Дубну на семинар приехал доктор наук Олег Петрович Иванов и рассказал о гамма-визорах — приборах, позволяющих увидеть загрязнение воздуха радиоактивными веществами. От него мы узнали, что достаточного разрешения можно добиться, используя особые коллиматоры — кодирующие апертуры, в которых отверстия расположены по определенному принципу и финальное изображение восстанавливается математически — „распутыванием“ суммы изображений из разных отверстий и наложением их друг на друга», — поясняет А. Жемчугов.
Ученые изготовили из вольфрама кодирующую апертуру с 2 тыс. отверстий диаметром 360 микрон, разработали специальное программное обеспечение для воссоздания изображения и проверили работоспособность технологии на специально разработанных фантомах — заполненных радиоактивным технецием кусочках оргстекла определенной формы.
«Мы показали: такую установку сделать можно — и выяснили, что для этого нужно. Исследовательская часть, по сути, окончена. Сейчас наши кубинские коллеги создают опытный образец ОФЭКТ/КТ в Кубинском национальном изотопном центре (CENTIS). Мы надеялись провести первые эксперименты на этой установке еще в прошлом году, но из-за коронавируса работа замедлилась — мы не могли добраться до Кубы, и кубинские специалисты не могли прилететь к нам», — объясняет А. Жемчугов.
Благодаря ОФЭКТ и ПЭТ врачи могут наблюдать за тем, как введенный пациенту радиофармпрепарат накапливается в его организме. КТ позволяет получать четкие изображения внутренних органов. А если совместить эти методы, то можно получить подробную информацию о движении и химических превращениях лекарства в организме. Опыты на лабораторных животных — мышах и крысах — позволяют исследовать радиофармпрепараты и любые другие лекарственные средства; перед введением в организм их помечают радиоактивным изотопом. Иногда для этих целей используют ПЭТ/КТ-томографы с высоким пространственным разрешением. Но ПЭТ-центры стоят дорого: для производства препаратов нужны ускоритель — циклотрон и специальная инфраструктура. Вместо дорогой ПЭТ в дополнение к КТ можно использовать менее затратную ОФЭКТ. Однако при этом возникает проблема: гамма-камера для классической ОФЭКТ обладает низким пространственным разрешением — около 1 см. Для работы с организмом человека или крупного лабораторного животного этот метод использовать можно, а для мышей он не годится — они слишком маленькие, четкое изображение не получится. Необходимо добиться разрешения хотя бы в 1 мм. Ученые из ОИЯИ вместе с кубинскими коллегами взялись разработать ОФЭКТ/КТ с более высоким пространственным разрешением.
«Идея создания такого прибора пришла с Кубы. Коллега из Центра прикладных технологий и ядерного развития (CEADEN) Антонио Лейва Фабело пригласил меня в Кубинский центр радиоизотопов, где я рассказал о детекторах, над которыми мы тогда работали и которым искали практическое применение. Кубинские коллеги сказали, что занимаются разработкой новых лекарств, но столкнулись с проблемой: им очень трудно определить, в каких органах лабораторных мышей накапливаются лекарства. И мы подумали, что наша разработка могла бы для этого пригодиться», — рассказал Алексей Жемчугов, заместитель начальника научно-экспериментального отдела встречных пучков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.
Полупроводниковый пиксельный детектор Medipix, разработанный международным консорциумом в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), прекрасно подходит для решения описанных выше задач. Детектор состоит из двух частей: сенсора, где рентгеновские лучи или гамма-кванты взаимодействуют с веществом, и электроники для регистрации, обработки и передачи данных об этих взаимодействиях. В его основе — сложная микросхема, занимающаяся обработкой сигналов. Микросхемы Medipix позволяют получать рентгеновские томографические изображения с разрешением около 50 микрон. Перед учеными стояла задача: получить высокое разрешение при ОФЭКТ.
В классической гамма-камере рядом с детектором размещается коллиматор — толстая пластина с сотнями отверстий, через которые гамма-кванты попадают на детектор. Функция этой пластины — пропустить на детектор только частицы, летящие в определенном направлении. Гамма-лучи, идущие в других направлениях, поглощаются коллиматором. Пространственное разрешение гамма-камеры зависит от размеров отверстий в коллиматоре и их количества, поэтому трудно добиться разрешения меньше 1 см.
«Нам на помощь пришел опыт Курчатовского института: в Дубну на семинар приехал доктор наук Олег Петрович Иванов и рассказал о гамма-визорах — приборах, позволяющих увидеть загрязнение воздуха радиоактивными веществами. От него мы узнали, что достаточного разрешения можно добиться, используя особые коллиматоры — кодирующие апертуры, в которых отверстия расположены по определенному принципу и финальное изображение восстанавливается математически — „распутыванием“ суммы изображений из разных отверстий и наложением их друг на друга», — поясняет А. Жемчугов.
Ученые изготовили из вольфрама кодирующую апертуру с 2 тыс. отверстий диаметром 360 микрон, разработали специальное программное обеспечение для воссоздания изображения и проверили работоспособность технологии на специально разработанных фантомах — заполненных радиоактивным технецием кусочках оргстекла определенной формы.
«Мы показали: такую установку сделать можно — и выяснили, что для этого нужно. Исследовательская часть, по сути, окончена. Сейчас наши кубинские коллеги создают опытный образец ОФЭКТ/КТ в Кубинском национальном изотопном центре (CENTIS). Мы надеялись провести первые эксперименты на этой установке еще в прошлом году, но из-за коронавируса работа замедлилась — мы не могли добраться до Кубы, и кубинские специалисты не могли прилететь к нам», — объясняет А. Жемчугов.
Многолетнее сотрудничество
Если говорить о кубинской ядерной физике в целом, то развитие ядерных технологий на «Острове свободы» началось в 1970‑х годах. В 1976 году Республика Куба стала государством — членом Объединенного института ядерных исследований. Сначала многие кубинские специалисты проходили подготовку в Советском Союзе и других восточноевропейских странах, а с открытием в 1987 году Института ядерной науки и техники готовить ядерщиков начали и на Кубе. Институт стал первым центром такого типа в Латинской Америке, созданным по программе технического сотрудничества МАГАТЭ и при поддержке программы развития ООН. На располагавшихся там установках облучались сельскохозяйственные культуры и проводились исследования по радиационной стерилизации медицинской и фармацевтической продукции. В 1983 году на Кубе при участии СССР началось строительство первого энергоблока АЭС «Хурагуа» с реактором ВВЭР‑440, в 1985 году — второго аналогичного блока. На строительстве станции работали несколько тысяч советских специалистов. Предполагалось, что запуск первого энергоблока удовлетворит потребность страны в электричестве на 15%. Однако после распада Советского Союза строительство АЭС прекратилось.
«Сейчас на Кубе наши интересы в области ядерной науки и энергетики сфокусированы на внедрении ядерных технологий в медицину и другие отрасли промышленности. В каждой провинции есть центр ядерной медицины, работают также несколько институтов, занимающихся ядерной техникой и технологиями, производством радиоизотопов (и диагностических, и терапевтических), разработкой новых препаратов, радиационной гигиеной и защитой от излучения. Всем этим руководит Агентство ядерной науки и технологий. Несколько лет назад при агентстве открылся Центр перспективных исследований, в тесном сотрудничестве с другими крупными медицинскими и фармацевтическими центрами Гаваны занимающийся нанопрепаратами и нанокапсулами адресной доставки. Сейчас его переквалифицировали на борьбу с COVID, именно там разработали первые кубинские тест-системы», — комментирует А. Л. Фабело, старший научный сотрудник CEADEN и ОИЯИ.
CENTIS, расположенный недалеко от Гаваны, производит радиоизотопы для диагностики и лечения. Ученые центра участвовали в нескольких совместных с МАГАТЭ проектах, направленных на внедрение на Кубе диагностических и терапевтических радиофармацевтических препаратов и создание национального производства генераторов на основе 99Mo/99mТс. Это самый распростаненный радионуклид для ОФЭКТ. МАГАТЭ совместно с CENTIS добиваются соблюдения требований производственной практики (GMP) при производстве генераторов.
Если говорить о кубинской ядерной физике в целом, то развитие ядерных технологий на «Острове свободы» началось в 1970‑х годах. В 1976 году Республика Куба стала государством — членом Объединенного института ядерных исследований. Сначала многие кубинские специалисты проходили подготовку в Советском Союзе и других восточноевропейских странах, а с открытием в 1987 году Института ядерной науки и техники готовить ядерщиков начали и на Кубе. Институт стал первым центром такого типа в Латинской Америке, созданным по программе технического сотрудничества МАГАТЭ и при поддержке программы развития ООН. На располагавшихся там установках облучались сельскохозяйственные культуры и проводились исследования по радиационной стерилизации медицинской и фармацевтической продукции. В 1983 году на Кубе при участии СССР началось строительство первого энергоблока АЭС «Хурагуа» с реактором ВВЭР‑440, в 1985 году — второго аналогичного блока. На строительстве станции работали несколько тысяч советских специалистов. Предполагалось, что запуск первого энергоблока удовлетворит потребность страны в электричестве на 15%. Однако после распада Советского Союза строительство АЭС прекратилось.
«Сейчас на Кубе наши интересы в области ядерной науки и энергетики сфокусированы на внедрении ядерных технологий в медицину и другие отрасли промышленности. В каждой провинции есть центр ядерной медицины, работают также несколько институтов, занимающихся ядерной техникой и технологиями, производством радиоизотопов (и диагностических, и терапевтических), разработкой новых препаратов, радиационной гигиеной и защитой от излучения. Всем этим руководит Агентство ядерной науки и технологий. Несколько лет назад при агентстве открылся Центр перспективных исследований, в тесном сотрудничестве с другими крупными медицинскими и фармацевтическими центрами Гаваны занимающийся нанопрепаратами и нанокапсулами адресной доставки. Сейчас его переквалифицировали на борьбу с COVID, именно там разработали первые кубинские тест-системы», — комментирует А. Л. Фабело, старший научный сотрудник CEADEN и ОИЯИ.
CENTIS, расположенный недалеко от Гаваны, производит радиоизотопы для диагностики и лечения. Ученые центра участвовали в нескольких совместных с МАГАТЭ проектах, направленных на внедрение на Кубе диагностических и терапевтических радиофармацевтических препаратов и создание национального производства генераторов на основе 99Mo/99mТс. Это самый распростаненный радионуклид для ОФЭКТ. МАГАТЭ совместно с CENTIS добиваются соблюдения требований производственной практики (GMP) при производстве генераторов.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #3_2022