В сотрудничестве со специалистами в области медицинской физики и онкологами-радиологами астрономы Университета штата Огайо (Ohio State University) разрабатывают новый метод лучевой терапии – более жесткий для опухолей и более щадящий для здоровой ткани.

Всего в 20000 световых годах от Солнца находится звездное скопление NGC 3603, входящее в состав спирального
рукава Киля – одного из ближайших к нам рукавов нашей Галактики – Млечного пути. Запечатленное на этом
недавнем рентгеновском снимке с Космической обсерватории Чандра (цвета условные) скопление NGC 3603 –
это хорошо известная астрономам молодая звездная группировка, расположенная в одной из гигантских областей звездообразования нашей Галактики. Разные цвета соответствуют разным уровням рентгеновской яркости отдельных источников: зеленым цветом изображены слабые рентгеновские источники, а цвета от красного до фиолетового соответствуют ярким источникам.
(Авторы и права: М. Коркоран (GSFC / NASA) и др.)

Изучая, как химические элементы излучают и поглощают радиацию в недрах звезд и в окрестностях черных дыр, астрономы открыли, что под воздействием рентгеновских лучей определенной энергии тяжелые металлы, такие как железо, излучают низкоэнергетические электроны.

Их открытие предполагает возможность того, что имплантаты из определенных тяжелых элементов позволят врачам разрушать опухоли такими низкоэнергетическими электронами, подвергая при этом здоровые ткани меньшему облучению, чем это возможно сегодня. Подобные имплантаты могут, несомненно, усовершенствовать и диагностическую визуализацию.

Доктор Султана Нахар (Sultana Nahar).
(Фото: astronomy.ohio-state.edu)

24 июня на Международном симпозиуме по молекулярной спектроскопии старший научный сотрудник Университета штата Огайо доктор Султана Нахар (Sultana Nahar) сделала доклад о созданных ее группой компьютерных моделях золота и платины и о разработке прототипа аппарата, генерирующего рентгеновские лучи определенных частот.

Эти модели показывают, что воздействие на отдельный атом золота или платины небольшой дозой рентгеновского излучения в узком диапазоне частот – примерно одна десятая от всего спектра рентгеновского излучения – вызывает поток из более чем 20-ти низкоэнергетических электронов.

«Как астрономы, мы применяем физику и химию, чтобы понять, что происходит в звездах. И мы очень рады использовать те же знания для лечения рака», – говорит доктор Нахар. «Мы считаем, что находящиеся в опухолях наночастицы могут эффективно поглощать рентгеновское излучение определенных частот, «выбивающее» электроны, способные убивать злокачественные клетки. Используя рентгеновскую спектроскопию, мы можем предсказать эти энергии и то, какие атомы или молекулы будут, вероятно, наиболее эффективны».

Доктор Нахар и профессор астрономии Университета штата Огайо Анил Прадхан (Anil Pradhan) открыли, что определенные частоты рентгеновского излучения вызывают колебания электронов в атомах тяжелых металлов. Эти электроны покидают свои орбиты, создавая вокруг атомов в наномасштабе то, что составляет электрически заряженный газ, или плазму.

Ученые назвали свою медицинскую концепцию Резонансной наноплазменной тераностикой (Resonant Nano-Plasma Theranostics, RNPT). Тераностика – термин, образовавшийся в результате слияние двух слов  – «терапия» и «диагностика».

«С точки зрения фундаментальной физики использование облучения в медицине является крайне неизбирательным», – считает профессор Прадхан. «Так или иначе, но с 1890-х годов, когда Рентген изобрел свою трубку, генерирующую рентгеновские лучи в очень широком диапазоне частот, в этой области не было фундаментальных достижений. Вместе с нашим давним партнером – специалистом в области медицинской физики Ян Юй из Медицинского колледжа Университета Томаса Джефферсона  – мы разработали метод RNPT, что, надеемся, будет иметь далеко идущие последствия для рентгеновской визуализации и лучевой терапии».

Профессор Прадхан объяснил, почему такие металлы, как золото и платина, демонстрируют такое поведение и как этим может воспользоваться медицина. Физика этого процесса хорошо известна с 20-х годов.

Профессор Анил Прадхан (Anil Pradhan).
(Фото: astronomy.ohio-state.edu)

Орбиты электронов находятся на разных расстояниях от ядра атома. Когда один из находящихся на внутренних электронных оболочках электронов «выбивается», его место занимает электрон с одного из вышележащих уровней энергии атома, так как в противном случае система останется энергетически неустойчивой. Этот феномен, открытый в 1922 году, называется эффектом Оже (Auger effect). Переход электрона на более близкую к ядру электронную оболочку сопровождается выделением энергии.

Часто выделившейся энергии оказывается достаточно, чтобы выбить второй электрон, называемый Оже-электроном. Этот процесс может приводить и к излучению световых частиц, или фотонов, с определенными частотами, в частности, так называемых К-альфа рентгеновских лучей.

Астрономы считают, что К-альфа рентгеновские частоты выбивают электроны с внутренних оболочек атомов таких тяжелых металлов, как платина, заставляя электроны с более высоких орбит занимать освободившиеся вакансии. Это приводит к появлению еще большего количества выбитых с внутренних оболочек электронов. Хотя такие свободные Оже-электроны низкоэнергетичны, их много, и они реально могут бомбардировать близлежащие злокачественные клетки и разрушать их ДНК.

В то время как рентгеновские аппараты, такие как КТ-сканеры, генерируют весь спектр рентгеновского излучения, метод RNPT позволяет использовать только К-альфа частоты, что значительно снижает радиационное облучение пациента.

Сконструированный учеными аппарат – доказательство правильности самой концепции. Хотя рабочий настольный прототип нуждается в дальнейшей доработке, первые проведенные на нем эксперименты показали, что эффект Оже может быть использован для воздействия специфическими частотами рентгеновского излучения на находящиеся в пораженной ткани наночастицы тяжелых металлов и применен как для визуализации, так и для терапии.

Золото и платина – только первые два элемента, которые ученые детально изучают для использования в методе RNPT. Оба металла безопасны для организма. Платина уже используется в химиотерапевтическом препарате цисплатине, где она помогает доставлять лекарство, связываясь со ДНК раковых клеток.

«Эта работа может, в конечном счете, привести к сочетанию лучевой и химиотерапии, где платина будет использоваться в качестве активного агента», – считает профессор Прадхан.

Лечение рака – новая территория для астрономов. Вместе с Ян Юй (Yan Yu) они пришли к идее Резонансной наноплазменной тераностики, пытаясь понять обилие различных химических элементов в звездах. Их целью в то время было помочь астрономам понять, из чего состоят различные звезды, основываясь на том, как излучение проходит через звезды и исходит от них. Моделируя, как различные элементы ведут себя под воздействием радиации в недрах звезд, Нахар и Прадхан надеются помочь астрономам точно определить, из чего состоит наше Солнце.

Моделирование уже начало приносить свои плоды, по крайней мере, в астрофизике. Оно показало, что более ранние наблюдения и расчеты химического разнообразия Солнца могут оказаться неверными на целых 50 процентов.

Еще более удивительными для астрономов были результаты моделирования поглощения излучения атомами тяжелых металлов, таких как железо. Железо играет доминирующую роль в контроле над потоком излучения через звезды, но оно наблюдается и в окрестностях некоторых черных дыр, где К-альфа рентгеновские лучи могут быть обнаружены с Земли.

«Именно тогда мы поняли, что их значение простирается далеко за пределы атомной астрофизики», – говорит профессор Прадхан. «Рентгеновское излучение широко используется в лучевой терапии и медицинской визуализации, также, впрочем, как и тяжелые металлы – но в ином виде. Если нам удастся добиться адресной доставки наночастиц тяжелых металлов к органам-мишеням, рентгеновская диагностика и терапия станут более мощными и точными, а радиационное облучение гораздо меньшим».