Лечить протонами, ионами и позитронами

Протонная терапия, медицина космоса и ядерные мембраны — прикладная наука в ОИЯИ

Медицинский комплекс синхрофазотрона. Фото: ОИЯИ

Физика частиц — это не только бозон Хиггса: ускорители помогают лечить рак и изучать, как космос влияет на здоровье космонавтов, а самая неуловимая частица — нейтрино — помогает следить за состоянием АЭС. О прикладных аспектах работы Объединенного института ядерных исследований «Чердаку» рассказал его директор, академик РАН Виктор Матвеев

Медицина

Кроме фундаментальных направлений, ОИЯИ активно развивает так называемые междисциплинарные исследования, которым сейчас придается большое значение во всем мире. Самое яркое из таких направлений связано с ядерной медициной. И здесь долг физиков — не просто продемонстрировать возможность использования ядерных технологий в медицине, но приложить все усилия для того, чтобы эти новые возможности стали доступны широкому кругу пациентов. Речь идет о лучевой, протонной, адронной терапии онкологических заболеваний, производстве специальных изотопов, нужных для лечения, а также томографии.

Дубна располагает одним из первых в Европе и первым на территории России центром протонной терапии онкологических заболеваний.


К сожалению, пока лечение происходит на базе установки, созданной для физических исследований. Когда-то она была рекордной для физики, сейчас уже нет, но для лечения она дает широкие возможности. Сейчас мир и Россия в том числе нуждаются в широком распространении подобных методов: нужно думать о создании специализированных машин, которые могли бы быть использованы в больницах. Мы участвовали в разработке таких проектов, в том числе с нашими коллегами за рубежом.

Один из проектов реализуется на базе государственного центра протонной терапии в Димитровграде. Для него был выбран проект специального циклотрона, сконструированного голландской фирмой IBA. Этот циклотрон был создан с участием дубненских физиков, и Дубна, по договору с этой фирмой, участвовала в его наладке, тестировании, доведении параметров до нужных значений. Это один из очень успешных примеров использования методов ядерной физики в медицине и здравоохранении. Сейчас мы работаем над тем, чтобы предоставить наши нейтронные пучки и пучки ионов для наработки специальных изотопов для медицины и экологических исследований.

Космос

Есть и еще один раздел медицины, в развитии которого во многом участвовала Дубна, — это космическая медицина. Над ней работали, конечно, не физики, а медики, специалисты в этой области, но возможности Дубны были необходимы, чтобы выяснить принципиальную возможность космических полетов — от самых первых до дальних полетов, которые еще только состоятся в будущем. Над решением этого вопроса работали биологи, физиологи, медики — с использованием возможностей Дубны.

В те времена было мало что известно, но ученые точно знали, что в космосе на тех высотах, где будут летать обитаемые аппараты с первыми космонавтами, действуют большие потоки ионов, которые удерживаются магнитным полем Земли. Нужно было исследовать, насколько человек способен выдерживать эти радиационные нагрузки. Проводились большие серии опытов, сначала на микробиологическом уровне, потом с многоклеточными живыми существами. Поток ионов в космосе имитировался на установках в Дубне, и ученые разбирались, насколько это опасно, рассчитывали, какую нужно выбрать траекторию полетов, чтобы избегать областей наиболее интенсивной радиации.

В наше время эта область уже хорошо исследована, но возникают новые задачи: человечество мечтает о полете на Марс. Ясно, что это очень длительный полет, и одна из задач, которая стоит при подготовке миссии, — обеспечить физическую устойчивость человека при облучении потоками космических частиц. Наиболее опасная компонента — это тяжелые ионы. Бомбардировка сетчатки такими ионами вызывает вспышки в глазах даже если они закрыты. Космонавты, которые летают вокруг Земли, часто рассказывают о таких вспышках. Сегодня ученые более или менее справились с защитой космонавтов от физиологического воздействия этих лучей, но возникла новая проблема: теперь важно понять, насколько сильно космическое излучение влияет на высшую нервную деятельность.

Даже если человек физически выдержит такую радиационную нагрузку, нужно выяснить, как постоянное облучение космическими лучами, пучками тяжелых ионов повлияет на ментальные возможности космонавтов.

Некоторые биологи говорят, что под влиянием этого излучения ментальность может измениться настолько, что космонавты потеряют способность принимать правильные решения.


Исследования этого вопроса ведутся в Дубне в сотрудничестве с биологами Отделения биологических наук РАН. В одном из экспериментов проводится очень дозированное, щадящее облучение обезьян. Оно безопасно для физиологии животных, но в таких опытах можно изучать влияние облучения на мозг. Например, обезьяна обучена интеллектуальной игре, и по способности решать игровые задачи ученые оценивают, как излучение влияет на работу мозга.

Новые элементы

Возьмем, казалось бы, такую экзотическую область, как синтез новых элементов. Эти совершенно фундаментальные научные работы породили очень интересные прикладные технологии. Например, Дубна, в частности, является автором технологии так называемых трековых мембран. Что это такое: при облучении потоком ионов пленок из полистирола удается создать самые лучшие фильтры с отверстиями размером с атом и даже мельче. Они позволяют осуществить большое количество экспериментов в области медицины, решения технологических задач.

Нейтрино — фантастическая частица, очень слабо взаимодействующая с веществом. Казалось бы, ее изучение нужно только для фундаментальной науки (кстати, именно за изучение нейтрино присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года — «Чердак» подробно объяснял, что именно принесло ученым награду). Однако сейчас физики по всему миру понимают, что нейтрино — это частица, которая определяет все, что мы наблюдаем. Не будь этого слабого взаимодействия нейтрино с веществом, горение звезд было бы совсем иным. И даже жизнь на Земле не возникла бы, не будь такой, казалось бы, маловажной частицы. Сейчас мы исследуем фундаментальные свойства нейтрино и пытаемся понять, какую роль эта частица играет в фундаментальных законах Вселенной, ее рождении и эволюции.

Эти работы имеют земное приложение в исследовании безопасности атомных реакторов. Оказалось, что, используя уникальную проникающую способность нейтрино, можно на большом расстоянии от реактора — в безопасной области — поставить лабораторию, которая будет проводить мониторинг всего, что происходит в реакторе: динамику выгорания ядерного топлива, возможность несанкционированного производства делящегося материала, который может быть использован в военных целях. Так что у чисто фундаментальной частицы теперь есть вполне прикладная «профессия».
Теги:

Читать еще на Чердаке: