Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Актуальные проблемы борнейтрон-захватной терапии 9
Источники нейтронов для борнейтрон-захватной терапии 11
Соединения для нейтрон-захватной терапии 16
Методы определения бора в биологических объектах 20
1.2. Фармакокинетика борсодержащих соединений 24
Распределение борсодержащих соединений в организме животных-опухоленосителей 24
Накопление бора-10 в опухолях онкологических больных 31
1.3. Планирование борнейтрон-захватной терапии .....36
Содержание бора в опухоли и окружающих тканях больных на момент проведения БНЗТ 36
Оценка поглощенной дозы в опухоли и окружающих тканях 40
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 49
Экспериментальные модели 49
Борсодержащие соединения, меченные радиоактивным йодом 50
Методики исследования распределения меченых борсодержащих соединений в организме животных-опухоленосителей 54
Методы статистической обработки результатов исследования 56
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 59
Исследование распределения BSH, меченного радиоактивным йодом, по органам и тканям мышей с меланомой В-16 59
Сравнение фармакокинетических параметров 131I-BSH и его немеченого аналога 66
Динамика накопления и выведения из органов и тканей
з
мышей с меланомой В-16 нового отечественного соединения
BSCN, меченного радиоактивным йодом 72
3.4. Изучение распределения 131I-BSH в целостном организме
мышей с помощью гамма-камеры 76
Влияние дополнительного воздействия агентов химической и физической природы на выведение I-BSH из организма животных-опухоленосителей 85
Разработка модели планирования борнейтрон-захватной терапии, основанной на использовании борсодержащего соединения, меченного радиоактивным йодом 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
ЛИТЕРАТУРА 111
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из задач современной радиобиологии является поиск способов повышения эффективности лучевого и комбинированного лечения злокачественных новообразований для максимального поражения опухоли при минимальном повреждении нормальных тканей. Перспективным направлением в решении проблемы избирательного поражения опухолей является применение метода борнейтрон-захватной терапии (БНЗТ). Для успешной реализации в клинической практике потенциальных возможностей БНЗТ должен быть решен комплекс сложных химических, биологических, медицинских и физико-технических проблем. В этом ряду важное место занимает необходимость использования туморотропных борсодержащих соединений и изучение их фармакокинетики (распределение по органам и тканям). При планировании БНЗТ, в первую очередь, необходимо выбрать время начала облучения нейтронами после введения борсодержащего соединения, рассчитать изодозные поля, для чего нужно определить концентрацию бора в опухоли и окружающих тканях в момент проведения терапии. В связи с тем, что накопление бора в органах и тканях больных варьирует в широких пределах, планирование БНЗТ следует проводить с учетом индивидуальных особенностей распределения борсодержащих соединений у каждого больного. Существующие в настоящее время способы планирования БНЗТ не способны обеспечить такой индивидуальный подход. Поэтому для повышения эффективности борнейтрон-захватной терапии актуальной остается разработка способа, индивидуального планирования БНЗТ, позволяющего изучать динамику накопления соединения непосредственно в организме больного, на основании полученных данных выбирать время начала лучевого воздействия и рассчитывать поглощенные дозы в опухоли и окружающих тканях.
^, Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы
являлась разработка фармакокинетической модели индивидуального планирования борнейтрон-захватной терапии на основе изучения распределения борсодержащих соединений, меченных радиоактивным йодом, в организме животных-опухоленосителей.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить
следующие задачи:
Ш 1. Изучить распределение меркаптододекабората (BSH) и
родандодекабората (BSCN) натрия, меченных 131-йодом, по органам и тканям мышей с меланомой В-16.
Сравнить накопление в меланоме В-16 и окружающих тканях мышей 131I-BSH и его немеченого аналога.
Оценить возможность отбора агентов физической и химической природы, повышающих накопление бора в опухоли, при использовании меченых борсодержащих соединений.
Исследовать динамику накопления и выведения I-BSH из меланомы В-16 и окружающих тканей с помощью гамма-камеры in vivo.
Разработать фармакокинетическую модель индивидуального планирования борнейтрон-захватной терапии.
Научная новизна. Впервые проведены фармакокинетические
# исследования распределения меченных радиоактивным йодом
борсодержащих соединений как по органам и тканям, так и в целостном организме мышей с меланомой В-16 с использованием сцинцилляционного счетчика и гамма-камеры. Изучено влияние на туморотропность 131I-BSH введения глюкозы, нагрева зоны опухоли и локального воздействия на опухоль инфракрасного излучения. Показано, что локальное воздействие на зону опухоли инфракрасного света через 10 мин после введения ш1-BSH значительно повышает накопление соединения в опухоли. Разработана модель, позволяющая оценивать динамику накопления борсодержащего соединения в опухоли и окружающих тканях, и
6 рассчитывать концентрацию бора в этих тканях непосредственно в организме больного. Модель защищена патентом № 2212260 «Способ планирования нейтрон-захватной терапии».
Научно-практическая значимость. Метка радиоактивным йодом производных додекабората позволяет проводить скрининг борсодержащих соединений, обладающих способностью накапливаться в опухолях. Показано, что 131I-BSCN как по абсолютному накоплению в меланоме В-16, так и по соотношению между содержанием соединения в опухоли и окружающих тканях превосходит 131I-BSH, немеченый аналог которого применяют при проведении БНЗТ. Это свидетельствует о перспективности использования BSCN для задач БНЗТ. Радиоизотопная метка борсодержащих соединений дает возможность исследовать влияние агентов физической и химической природы на увеличение туморотропных свойств применяемых в клинической практике соединений. Благодаря использованию гамма-камеры можно исследовать динамику накопления меченого борсодержащего соединения в опухоли и окружающих тканях непосредственно в организме больного, что исключает необходимость травматичного отбора образцов тканей. Представленная в данной работе схема планирования БНЗТ позволяет выбирать оптимальное время начала облучения нейтронами и рассчитывать поглощенную дозу в опухоли и окружающих тканях индивидуально для каждого больного, что значительно облегчит работу радиолога и повысит эффективность борнейтрон-захватной терапии.
По материалам работы был получен патент на изобретение. Основные положения диссертационной работы представлены в трех научных работах и доложены на пяти конференциях, четыре из которых проходили на международном уровне:
- Международный конгресс «Энергетика 3000», 16-20 октября 2000 г., Обнинск;
«IV съезд по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность)», 20 - 24 ноября 2001 г., Москва;
Международный конгресс «Энергетика 3000 (энергетика и человек)», 3-6 декабря 2001 г., Обнинск;
«XI International conference on boron chemistry», 28 July - 2 August 2002, Moscow;
«10 International congress on neutron capture therapy», September 8 -13, 2002,Essen, Germany.
На защиту выносятся основные положения:
Динамика накопления и выведения индикаторного количества I-BSH отражает распределение в меланоме В-16 и окружающих тканях его немеченого аналога, введенного в терапевтической дозе.
Использование борсодержащих соединений, меченных радиоактивным йодом, позволяет проводить отбор соединений и модифицирующих их распределение агентов, применение которых в практике БНЗТ может существенно повысить ее эффективность.
Предложенная модель индивидуального планирования БНЗТ позволяет оценить степень накопления бора в опухоли и окружающих тканях для определения момента начала и продолжительности лучевого воздействия.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
БНЗТ - борнейтрон-захватная терапия.
ЛПЭ - линейная передача энергии.
BSH - меркаптододекаборат натрия.
ВРА - борфенилаланин.
BPA-F - комплекс борфенилаланина с фруктозой
ОБЭ - относительная биологическая эффективность.
БЭС - биологическая эффективность борсодержащего соединения.
ПЭТ - позитрон-эмиссионная томография.
131I-BSH- меркаптододекаборат натрия, меченный радиоактивным йодом.
І О 1
I-BSCN - родандодекаборат натрия, меченный радиоактивным йодом. ИК - инфракрасное. Гл - глюкоза.
#/ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Актуальные проблемы борнейтрон-захватной терапии
«
Несмотря на успехи лучевой и химиотерапии проблема лечения
больных с такими формами злокачественных новообразований как
мультиформные глиобластомы головного мозга, глиомы, меланомы и их
метастазы все еще далека от разрешения, поскольку все эти виды лечения,
как правило, в равной степени повреждают и опухолевые и здоровые
ткани, попадающие в поле воздействия. Одним из направлений в решении
проблемы избирательного поражения злокачественных новообразований
является развитие метода нейтрон-захватной терапии [11, 75]. Нейтрон-
захватная терапия обеспечивается взаимодействием двух компонентов:
тепловых нейтронов (0,025 эВ) [139] и туморотропного препарата,
доставляющего в опухолевую клетку химический элемент с высоким
сечением захвата тепловых нейтронов и локальным выделением энергии
излучения. Одним из таких элементов является 10В. Этот мало токсичный и
стабильный изотоп обладает высоким сечением захвата тепловых
' нейтронов (3838 барн) по сравнению с основными атомами биологических
тканей - !Н, 12С, 14N и 1бО (0,332; 0,0034; 1,81 и 0,00018 барн соответственно) [3].
Принцип борнейтрон-захватной терапии основан на взаимодействии атомов бора с тепловыми нейтронами:
(7Li + 4Не) (2,79 МэВ) - 6,3 %
^ + 1^1^
(7Li + 4Не) (2,31 МэВ) + у (0,48 МэВ) - 93,7 %
В результате такого взаимодействия образуются а-частицы и ядра отдачи Li, имеющие высокую ЛПЭ и длину пробега, соизмеримую с диаметром клетки, которые вызывают гибель только тех клеток, вблизи или в составе которых находится бор-10 [53]. Применение избирательно накапливающихся в опухоли (туморотропных) борсодержащих соединений позволяет реализовывать летальные эффекты после реакции
1П *7
захвата B(n,a,y) Li, прежде всего, в опухолевых клетках. Поскольку поражающая способность тепловых нейтронов намного ниже чем поражающая способность продуктов борнейтрон-захватной реакции, то при создании значительного градиента между концентрациями 10В в опухоли и окружающих тканях, БНЗТ обеспечивает максимальное поражение злокачественных клеток при минимальном повреждении здоровых тканей.
Вследствие значительных технических трудностей с созданием пучков тепловых нейтронов более перспективным и практически значимым подходом к применению нейтрон-захватной терапии является ее сочетание с дистанционной нейтронной радиотерапией [34, 75, 98, 117]. Сущность такого подхода заключается в том, что после введения борсодержащего соединения зона опухоли подвергается облучению нейтронным пучком с широким энергетическим спектром, в котором присутствуют как медленные, так и быстрые нейтроны. Термализация нейтронного потока по глубине биологической ткани позволяет формировать дополнительную поглощенную дозу за счет нейтрон-захватных событий, вклад которой может превышать 25 % от суммарной дозы [75, 99].
11 1.1.1. Источники нейтронов для борнейтрон-захватной терапии
Основным видом взаимодействия тепловых нейтронов с биологической тканью, содержащей бор-10, являются реакции радиационного захвата нейтронов атомами водорода, азота и В:
1Н + 1п^2Н + у
"'В + ^-Иїл + ^е + у
Первые две реакции с водородом и азотом протекают как в нормальных, так и злокачественных клетках и вносят дополнительную дозу облучения при БНЗТ. При этом все ткани получают примерно одинаковую дозовую нагрузку. Для того чтобы на этом фоне был заметен вклад продуктов реакции нейтронного захвата атомами бора, содержание бора в опухоли должно быть достаточным для формирования эффективной поглощенной дозы. Это достигается при концентрации бора в опухоли в диапазоне 20-40 мкг 10В/г ткани или 109 атомов бора на каждую клетку при
О 9
плотности потока тепловых нейтронов порядка 10 н/см с. При этом 75-85. % дозы будет обусловлена борнейтрон-захватной реакцией [73, 139, 140]. Так как поглощенная доза прямо зависит от концентрации бора в ткани и плотности потока тепловых нейтронов, то резкое уменьшение одного из этих параметров приведет к снижению эффективности данной терапии. В связи с этим, в качестве источников нейтронов для борнейтрон-захватной терапии должны выступать установки, способные обеспечить в зоне опухоли требуемую плотность потока тепловых нейтронов. В настоящее время «идеальной» установки, на выходе которой поток тепловых нейтронов соответствовал бы требованиям БНЗТ, не существует. Однако такие потоки нейтронов удается получить замедлением быстрых и эпитепловых нейтронов. Источниками нейтронов с широким спектром энергий в диапазоне от тепловых до быстрых (со средней энергией
, несколько МэВ) являются ядерные реакторы [5]. Источниками быстрых
нейтронов с заданной энергией могут служить протоны, бомбардирующие литиевую (7Li(p,n)7Be) [37,165] или вольфрамовую мишени [160].
Пучок нейтронов, используемый для лечения методом БНЗТ, является «идеальным» в том случае, если он содержит небольшую часть тепловых нейтронов и имеет высокое содержание эпитепловых нейтронов с энергиями от 0,4 эВ до 10 кэВ. Эпитепловые нейтроны в отличие от
J тепловых нейтронов, обладающих низкой проникающей способностью,
проходят глубоко в ткань и там термализуются (становятся тепловыми). В зависимости от глубины расположения опухоли необходимо уменьшать или увеличивать среднюю энергию эпитепловых нейтронов [30].
Для получения эпитепловых нейтронов на пути нейтронного пучка устанавливают специальное оборудование: модераторы (для замедления нейтронов) и фильтры. Задача фильтров состоит в том, чтобы из потока нейтронов отфильтровывать (удалять) все нейтроны, кроме промежуточных, с энергиями от нескольких эВ до 10 кэВ. Это может быть сделано с помощью толстых нейтронных фильтров из естественных или обогащенных необходимыми изотопами материалов. Элементный состав модераторов и фильтров не должен распадаться в высоком поле излучения, а продукты нейтронной активации этих материалов должны быть
# короткоживущими. Для модификации нейтронного пучка могут быть
использованы: А1, С, S, А1203, A1F3, 7LiF, D20 и др. (для модераторов) и 60Ni, 32S, 10В, 54Fe и др. (для фильтров) [31, 82, 118]. В настоящее время для получения пучков эпитепловых нейтронов, в основном, используются исследовательские реакторы с тепловой мощностью от 1 до 10 МВт. В таблице 1 представлен ряд источников нейтронов с указанием потока эпитепловых нейтронов, получаемого после прохождения модераторов и фильтров.
Таблица 1
Источники эпитепловых нейтронов
Продолжение табл. 1
* - единственный реактор в мире, созданный специально для задач НЗТ
І»1 В таблице представлены крупные центры по БНЗТ, где уже проводят
лечение больных или осуществляют экспериментальные исследования. Следует также отметить, что возможность получения эпитепловых и тепловых нейтронов существует и в ряде других центров, из которых можно выделить реактор HANARO в Южной Корее, реактор IEAR-1 в Бразилии, специализированный реактор нейрохирургической клиники города Бейджинг (Китай) [161], реактор KRR на Украине [72], реактор
ф ВВРц в России (Обнинск), ускорители протонов с литиевой мишенью в
Японии (HIRRAC) и России (КГ-2,5), нейтронный генератор на основе реакции синтеза 2H(t,n)4He (DIMNP, Италия) [44].
В настоящее время в качестве источников тепловых и эпитепловых нейтронов также рассматривают изотопные источники нейтронов (Cf, Am, Ей). Основное внимание направлено на давно используемый в нейтронной терапии Cf [153]. В работе [131] показано, что плотность потока
*' тепловых нейтронов на расстоянии 5 см от 252Cf массой 0,013 мг,
помещенного в центр водного фантома, составляет 1,7-10 н/см -с-мг. Эти результаты подтверждают принципиальную возможность использования традиционной брахитерапии совместно с нейтрон-захватной терапией для увеличения поглощенной дозы в опухоли.
В целом следует отметить, что для задач нейтрон-захватной терапии в качестве источников нейтронов могут выступать ядерные реакторы и специализированные ускорители. Однако для создания в зоне опухоли требуемого потока тепловых нейтронов необходимо на пути нейтронов размещать модифицирующее оборудование, элементный состав и конструкция которого должны рассчитываться для каждого источника нейтронов и конкретных условий облучения. При этом наличие возможности получения требуемого потока тепловых и/или эпитепловых нейтронов еще недостаточно, чтобы осуществлять БНЗТ, так как необходимо решить целый ряд сложных физико-технических, химических, биологических и медицинских проблем, комплексное решение которых в настоящее время по силам только нескольким мировым центрам по БНЗТ.
16
> 1.1.2. Соединения для нейтрон-захватной терапии
В природе существует целый ряд химических элементов, обладающих высоким сечением захвата тепловых нейтронов, которые могут выступать в качестве агентов для НЗТ. Однако из всех этих элементов практическое применение, благодаря своим физическим и химическим свойствам, нашли только два элемента - 10В (3838 барн) и 157Gd (255000 барн). При
взаимодействии тепловых нейтронов с атомами гадолиния образуются электроны внутренней конверсии, мгновенное гамма-излучение, рентгеновское излучение и Оже-электроны с суммарной энергией 7,94 МэВ/распад [137, 148]. По сравнению с гадолинием атомы 10В имеют существенное преимущество, так как для продуктов реакции нейтронного захвата (альфа-частицы и ядра отдачи Li) характерно локальное выделение энергии, обусловленное короткой длиной пробега, соизмеримой с диаметром клетки. Данное обстоятельство в сочетании с низкой токсичностью бора во многом объясняет тот факт, что со времени первого опыта использования нейтрон-захватной терапии усилия ученых были направлены на поиск борсодержащих соединений, способных избирательно доставлять необходимое количество бора-10 в опухолевые клетки. Для этого разрабатывались соединения, содержащие 10В, на основе
различных классов биологически активных веществ и групп соединений [138].
К любому борсодержащему соединению предъявляются два главных требования:
способность накапливаться в опухолевых клетках при незначительном накоплении в окружающих нормальных тканях;
необходимость достижения концентрации бора в опухоли, достаточной для формирования эффективной поглощенной дозы излучения продуктов борнейтрон-захватной реакции (~ 109 атомов бора на каждую клетку) [73,140].
ф Все борсодержащие соединения, синтезированные к настоящему
моменту, можно разделить на три группы: соединения, не имеющие специфического накопления в опухоли; соединения, избирательно накапливающиеся в опухоли; соединения, встраивающиеся в структуру опухолевой клетки [75, 140].
Соединения, не имеющие специфического накопления в опухоли. Для этих соединений характерно высокое содержание бора (~ 50 % от
# общего веса). Это мало токсичные, гидрофильные соединения, не
способные проходить через гематоэнцефалический барьер (blood-brain
barrier), благодаря которому циркулирующая кровь не смешивается с
жидкими тканями, окружающими клетки мозга. Соединения этой группы
на высоком уровне накапливаются во всех тканях, кроме клеток головного
и спинного мозга. Высокое накопление, как в опухолевых, так и в
нормальных тканях привело к тому, что использование этих соединений в W
БНЗТ в течение многих лет считалось не эффективным [20]. Однако сейчас
с внедрением в клиническую практику метода бустовой нейтрон-захватной
терапии интерес к таким соединениям возобновился. Появилась
возможность получать дополнительную поглощенную дозу за счет
реакции нейтронного захвата при проведении дистанционной нейтронной
терапии глубокозалегающих опухолей, локализованных ' в
#> непосредственной близости от клеток спинного мозга, например, опухолей
легких [75]. Среди этих соединений можно выделить динатриевую соль
анионов [Bi2Hi2] " и [В10Ню] , которые могут быть синтезированы из
борной кислоты, обогащенной 10В [56, 140].
Соединения, избирательно накапливающиеся в опухоли. Они
обладают способностью избирательно накапливаться в опухоли и клетках,
непосредственно прилегающих к ней. Для этих соединений характерна
концентрация бора в опухоли от 10 до 50 мкг/г ткани при отношении
концентраций бора опухоль/кровь < 1 и опухоль/нормальные ткани > 3
[75]. К настоящему моменту пока не известен точный механизм
поступления и выведения бора из опухолевых клеток, хотя эта группа
соединений является самой многочисленной. В настоящее время два
соединения этой группы используются в клинической практике - это
борфенилаланин (ВРА) и меркаптододекаборат натрия (Na2Bi2HnSH или
BSH) [60, 140]. В экспериментах на животных было установлено, что
клетки меланомы обладают способностью включать повышенное
количество фенилаланина в пигмент меланин и его предшественники [49].
На основании этой предпосылки было синтезировано соединение
борфенилаланин, которое наряду с фенилаланином участвует в
биохимических процессах и тем самым за счет системы транспорта
аминокислоты накапливается в клетках меланомы [50, 60, 140]. Первое
клиническое применение ВРА было проведено в конце 70-х годов XX века
группой под руководством Mishima для лечения злокачественной
меланомы кожи [107]. Еще раньше в 1967 году Hatanaka и Soloway начали
проводить БНЗТ для лечения злокачественных опухолей головного мозга с
использованием другого борсодержащего соединения - BSH [142].
Предварительные исследования на животных показали высокую
избирательность этого соединения ко многим опухолям, особенно к
опухолям головного мозга [75]. К рассматриваемым соединениям также
относятся борсодержащие производные порфирина, легко проникающие
внутрь клетки и накапливающиеся в митохондриях и лизосомах [39, 41]. В
последнее время появился новый подход для доставки бора в опухолевые
клетки, который основан на размещении борсодержащего соединения
внутри липосом [75,140, 157]. Липосомы диаметром 50 - 100 нм способны
переносить в опухолевые клетки более чем 30 мкг бора на грамм опухоли
при высоком градиенте содержания бора в опухоли и нормальных тканях
[124, 140].
Соединения, встраивающиеся в структуру опухолевой клетки. В природе существует ряд биомолекул, которые специфически связываются с рецепторами, локализованными в конкретных участках клетки. Такие
Ф рецепторы есть и у опухолевых клеток. Поэтому сейчас идут работы,
направленные на создание комплекса, состоящего из специфических биомолекул и атомов 10В, что позволит доставлять бор только в опухолевые клетки [73, 75, 146]. Одним из таких комплексов является молекула, содержащая связь бор-антитело. К специфическому антителу ковалентно присоединяют борсодержащий олигомер, полученный комплекс связывается с антигеном и тем самым бор прикрепляется к
опухолевой клетке [140]. Установлено, что у каждой опухолевой клетки
существует около 106 антигенных участков, способных связываться с антителом [156]. Для достижения эффекта от борнейтрон-захватной реакции, как уже отмечалось, необходимо 109 атомов бора на клетку, то есть к каждому антителу необходимо прикрепить 103 атомов бора. Долгое время такое количество атомов бора не удавалось включить в комплекс к антителу. В последнее время появились научные исследования, в которых представлены соединения, содержащие на один комплекс до 6 10 атомов бора [120, 156]. Это обеспечивает накопление бора, например, в клетках глиобластомы на уровне 3,5 108 атомов 10В на клетку, в меланоме 2,6 108 [103]. В работе [156] показано, что для клеток гепатомы (АН66) через 24 ч после введения комплекса бор-антитело концентрация бора достигает 1,6 109 атомов на клетку. Недостатком комплекса бор-антитело является
* прикрепление бора к клеточной мембране, что требует большего
количества бора для гибели клетки по сравнению со случаем локализации бора внутри клетки. Способностью проникать внутрь клетки к своему рецептору обладает эпидермальный фактор роста (EGF) (полипептид, молекула которого состоит из 53 аминокислотных остатков) [73]. Количество EGF-рецепторов увеличено в нескольких типах опухолей, таких как глиомы, сквамозные карциномы и рак молочной железы [102, 114]. Данное обстоятельство побудило к синтезу новых лигандных комплексов, содержащих 10В и специфичных к EGF-рецепторам [23, 140,
158]. Представленные результаты свидетельствуют о перспективности использования борсодержащих соединений этой группы для задач БНЗТ.
К сожалению, в настоящий момент нет ни одного соединения, которое по накоплению в опухоли хотя бы приближалось к «идеальному» для БНЗТ. Это относится и к применяемым более 20 лет в клинической практике BSH и ВРА. Для решения этой актуальной проблемы БНЗТ многие исследовательские группы разрабатывают борсодержащие молекулы нового поколения, которые смогут качественно повысить эффективность борнейтрон-захватной терапии [75, 140].
1.1.3. Методы определения бора в биологических объектах
К одной из актуальных проблем борнейтрон-захватной терапии можно отнести проблему определения концентрации бора-10. Только обладание информацией о накоплении бора в опухоли и окружающих тканях позволяет точно рассчитывать дозу излучения от реакции нейтронного захвата. Сейчас для определения концентрации бора существует большое число различных методов. Для количественного определения содержания бора в биологических образцах могут быть использованы пламенная и электротепловая атомно-абсорпционная спектрометрия [143], атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой [145] и с плазмой постоянного тока [19], спектрофотометрия [162], потенциометрические методы [109], масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой [55], нейтрон-активационная масс-спектрометрия [54], тепло-ионизационная масс-спектрометрия [134]. Распределение бора в целостном организме может быть получено с помощью отображающих методов, таких как ион-микроскопическое изображение посредством вторичной ион-масс-спектрометрии [46], спектроскопия по потерям энергии электронов [109], ядерный магнитный резонанс [28, 166], количественная нейтрон-захватная
ф радиография [127], спектрометрия мгновенного гамма-излучения [129],
позитрон-эмиссионная томография [81].
Наиболее часто в экспериментальной и клинической практике для определения концентрации бора используются:
Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой. Этот метод является самым распространенным в клинической практике при проведении БНЗТ, так как он обладает высокой
Фі чувствительностью (порядка 0,05 мкг 10В/1 мл [145]). Определение
количества бора основано на эмпирической зависимости между интенсивностью испускаемого при возбуждении атомов бора излучения характерной длиной волны и количеством элемента в образце ткани [97]. Этот способ включает: отбор образцов тканей; подготовку гомогенных растворов тканей с использованием концентрированной серной кислоты; впрыскивание проб в плазму (Т = 8000 К), образующуюся за счет передачи энергии высокочастотного переменного поля газу (аргон) посредством магнитной индукции; фиксирование излучения бора на спектрометре при длине волны 249,7 нм [109].
Количественная нейтрон-захватная радиография. В этом методе применяют твердотельные трековые детекторы, представляющие собой полимерные пленки, например, КН, CR-39 [7, 125]. Образующиеся при
#] захвате тепловых нейтронов атомами 10В а-частицы вызывают
повреждения в детекторе и появление на его поверхности ультрамикроотверстий - треков, которые анализируют на оптическом микроскопе [63]. Количество треков пропорционально концентрации бора в образце с пределом обнаружения около 60-80 нг/г ткани [127]. К недостаткам этого метода можно отнести необходимость использования тепловых нейтронов, источником которых, главным образом, является ядерный реактор, а также продолжительность приготовления образцов (6-7 дней), так как образцы тканей необходимо высушить, измельчить и спрессовать в таблетки [125].
Спектрометрия мгновенного гамма-излучения. Способ основан на определении концентрации бора непосредственно в процессе облучения образцов или зоны опухоли целостного организма тепловыми нейтронами по регистрации мгновенного гамма-излучения (478 кэВ), возникающего при протекании реакции пт + 10В —> 7Li + 4Не + у [106]. Интенсивность испускаемого гамма-излучения пропорциональна концентрации бора в образце с пределом обнаружения около 1 мкг/г ткани [109]. Для регистрации гамма-излучения могут использоваться Nal и Bi4Ge30i2 сцинтилляционные детекторы, Ge, Cd, Zn содержащие полупроводниковые детекторы [83]. Этот способ позволяет определять концентрацию бора как в небольших медико-биологических образцах, так и в целостном организме [113]. Так как определение концентрации бора осуществляется в момент проведения БНЗТ, то появляется возможность коррекции дозы, получаемой за счет борнейтрон-захватной реакции, в зависимости от содержания бора в опухоли и окружающих тканях [119].
Позитрон-эмиссионная томография. Метод основан на использовании борсодержащего соединения, меченного позитрон-излучающим изотопом [81]. Позитрон аннигилирует с электроном, что сопровождается выделением двух фотонов, регистрируемых с помощью системы детекторов. Компьютерная обработка полученных данных позволяет представить 3-х мерную картину распределения бора в живом организме и рассчитать его концентрацию в опухоли и окружающих тканях [108]. Разработка этого метода позволила определять содержание бора непосредственно в организме, то есть без предварительного отбора образцов тканей. В клинической практике используется соединение ВРА, меченное 18F (Туг составляет 109 мин), которое дает возможность отслеживать динамику накопления бора в течение 2-3 часов с момента введения этого соединения, но не позволяет исследовать накопление и элиминирование соединения на более поздних сроках [80, 81, 108]. Однако этот метод требует высококвалифицированных специалистов не только по
нейтрон-захватной терапии, но и в области ядерной физики (для получения ультракороткоживущих радиоизотопов на циклотроне), радиохимии (для синтеза меченых борсодержащих соединений), а также специалистов, работающих на позитронном томографе.
При всем разнообразии методов определения концентрации бора к настоящему моменту еще не разработан дешевый и, главное, нетравматичный метод, который позволил бы отслеживать динамику накопления и элиминирования бора в течение нескольких суток, а также в процессе проведения терапии непосредственно в организме больного. Разработка такого подхода значительно упростит процедуры отбора больных и планирования курса БНЗТ.
1.2. Фармакокинетика борсодержащих соединений
Для эффективного проведения борнейтрон-захватной терапии необходимо знать концентрацию бора в опухоли и нормальных тканях на момент проведения терапии. При этом время начала облучения нейтронами выбирается в зависимости от степени накопления бора в этих тканях: при наибольшей концентрации бора в опухоли и максимальном соотношении между содержанием бора в опухоли и окружающих тканях [60]. Отсюда видна необходимость в изучении накопления и выведения борсодержащих соединений из отдельных тканей и всего организма, то есть исследовать фармакокинетику соединения. При реализации метода БНЗТ изучение фармакокинетики борсодержащих соединений в организме животных-опухоленосителей позволяет отбирать из большого числа соединений наиболее тройные к опухолевым клеткам.
1.2.1. Распределение борсодержащих соединений в организме животных-опухоленосителей
При проведении фармакокинетических исследований борсодержащих соединений следует, в первую очередь, определять концентрацию бора в крови, опухоли и окружающих ее нормальных тканях. Для этого в разные сроки после введения соединения необходимо проводить забой животных с последующим отбором образцов тканей и органов. В качестве лабораторных животных обычно выступают мыши и крысы с модельными опухолями (например, мыши с меланомой В-16 [70], сквамозной карциномой SCCVII [122], крысы с глиомой [41], саркомой [126], глиосаркомой [51]) как наиболее адекватные опухолям человека (глиома, глиобластома, меланома и ее метастазы), для которых проведение курса БНЗТ наиболее эффективно по сравнению с другими методами лечения [60].
Меланома. Для моделирования меланомы человека и ее метастазов чаще всего используют имплантированные мышам меланомы В-16 и M2R, крысам - меланому MRA27. В работе [70] показано, что после введения ВРА в дозе 12,5 мкг/г массы мыши максимальная концентрация бора в меланоме В-16, имплантированной на бедро, достигала 21 мкг/г ткани, а максимальное соотношение между содержанием бора в опухоли и плазме крови составляло 3,2. Исследования на меланоме В-16 с использованием другого борсодержащего соединения - BSH в дозе 100 мг/кг [43] показали, что в течение первых двух часов концентрация бора в опухоли падает с 30 до 15 мкг/г, к 12 ч выходит на плато и сохраняется до 24 ч на уровне 7 мкг/г. Это в 4 раза ниже концентрации бора, при которой проведение БНЗТ будет эффективно. Для меланомы В-16, имплантированной под черепную коробку мышей (моделирование метастазов меланомы), после введения в хвостовую вену комплекса ВРА-фруктоза (350 мг/кг) [92] уже через 1 ч достигалась максимальная концентрация бора в опухоли (45 мкг/г) и максимальный градиент концентраций бора между опухолью и головным мозгом (11:1). Изучение динамики накопления бора в меланоме M2R (имплантированной на бедро) после введения в хвостовую вену мышей BSH (180 мкл 0,11 М) с использованием ядерно-магнитного резонанса [27] показало, что через 2 ч концентрация бора в опухоли составляла 20 мкг/г. Авторами отмечается меньшее накопление бора в опухоли по сравнению с другими тканями. Меланома MRA27 служит моделью для изучения накопления борсодержащих соединений в метастазах меланомы [22]. У крыс с меланомой MRA27, имплантированной в головной мозг, после введения ВРА (500 мг/кг) через сонную артерию концентрация бора через 2,5 ч после введения составляла 36,8 мкг/г [24] при соотношении концентраций бора опухоль/головной мозг и опухоль/кровь 4,7 и 4,0 соответственно. Изменение введения соединения на внутривенное
^ приводило к снижению концентрации бора до 19,5 мкг/г, а градиентов
концентраций в два раза.
Многочисленные исследования по изучению накопления бора на модельных меланомах показали, что ВРА является борсодержащим соединением, наиболее тропным к данному виду опухоли [60].
Глиома. Среди значительного числа модельных глиом наибольшее распространение для фармакокинетических исследований борсодержащих соединений получили крысиные глиомы F98 и RG2. Yang W., Barth R.F. и соавт. [159] представили результаты изучения биораспределения ВРА с использованием имплантированной в головной мозг крыс глиомой F98 в зависимости от способа введения и концентрации соединения. Максимальное накопление бора в опухоли наступало через 2,5 ч после введения для всех вариантов исследования. При введении ВРА в сонную артерию в дозах 300 мг/кг и 500 мг/кг содержание бора в опухоли к этому моменту времени составляло 21,8 мкг/г и 33,6 мкг/г. При этом отмечались высокие концентрационные градиенты опухоль/кровь (4,4) и опухоль/головной мозг (4,0). Внутривенное введение соединения показало более низкое накопление бора в опухоли. Эти же авторы в работе [26] исследовали распределение BSH. Показано, что через 2,5 ч после введения
* BSH в дозе 30 мг/кг через сонную артерию концентрация бора в опухоли
была 30,8 мкг/г, а при внутривенном введении всего 12,9 мкг/г. Изучение распределения фосфоросодержащего производного додекабората [147] выявило максимальное накопление бора в глиоме F98 на уровне 21,5 мкг/г при концентрации бора в головном мозге крыс 5,2 мкг/г.
Можно еще привести целый ряд исследовательских работ по
т изучению накопления борсодержащих соединений в глиоме F98, однако, в
них также не содержится демонстрации явных преимуществ накопления того или иного соединения в этой модельной опухоли. Поэтому, для
дальнейшего исследования были отобраны ВРА и BSH как соединения с достаточно высоким накоплением в некоторых типах опухолей при невысокой токсичности этих соединений [60].
В работе [41] проведено сравнение фармакокинетических параметров борсодержащего порфирина (ВОРР) и BSH у крыс с имплантированной в правую часть головного мозга глиомой RG2. При внутривенном введении ВОРР в дозе 40 мг/кг максимальное накопление бора в опухоли (81 мкг/г) наступает через 24 ч и остается на высоком уровне (60 мкг/г) до 72 ч. Отношения опухоль/кровь и опухоль/головной мозг к 24 ч достигают 6 и 13 соответственно. Накопление в опухоли BSH, введенного в дозе 300 мг/кг, происходит значительно хуже. Так, максимум накопления бора в глиоме составляет 16 мкг/г через 12 ч. При высоком отношении опухоль/головной мозг (11) отмечается низкий градиент (меньше 1) между содержанием бора в опухоли и крови. Столь высокое накопление ВОРР в глиоме дает оптимистический прогноз на использование борсодержащих порфиринов в клинической практике БНЗТ. Однако на данный момент из-за высокой токсичности использование этого соединения для лечения онкологических больных невозможно [56].
Глиосаркома. У крыс с имплантированной в головной мозг 9L глиосаркомой после однократного внутрибрюшинного введения ВРА в дозе 750 мг/кг [51] максимальное накопление бора в опухоли на уровне 20 мкг/г наступает через 4 ч. Увеличение дозы в два раза (1500 мг/кг) не приводило к заметному повышению содержания бора в опухоли (24 мкг/г). Концентрация бора в опухоли увеличивалась при двукратном введении ВРА в дозах 750 мг/кг (второе введение следовало спустя 3 ч после первого). Через 8 ч после первого введения содержание бора в опухоли составляло 39 мкг/г при отношении опухоль/кровь 3,5 : 1. Эти же авторы в работе [47] показывают, что через 4 ч после внутрибрюшинного введения
# комплекса ВРА-фруктоза в дозе 1200 мг/кг концентрации бора в
глиосаркоме, крови и головном мозге составляли 90, 28 и 17,5 мкг/г соответственно. При другом способе введения (внутрижелудочное введение в два приема по 750 мг/кг через 3 ч) максимальное накопление бора в этих тканях было ниже, 39, 12 и 10 мкг/г соответственно. В работе [87] отмечается, что с увеличением общей дозы ВРА с 250 до 1000 мг/кг при внутривенной инфузии в течение 2 ч максимальная концентрация бора в 9L глиосаркоме увеличивается с 30 до 70 мкг/г. Отношение опухоль/кровь при этом остается постоянным - 3,7 : 1. Дальнейшее увеличение времени инфузии (при одинаковой суммарной дозе) на накопление бора в опухоли не влияло.
Использование агентов физической и химической природы для увеличения накопления в опухоли борсодержащих соединений. Проведение большого числа исследований фармакокинетики соединений, содержащих атомы бора, показало, что к настоящему моменту еще не синтезировано борсодержащее соединение, способное накапливаться только в опухолевых клетках. Поэтому становятся актуальными не только разработка новых туморотропных борсодержащих соединений, но и исследования других путей повышения концентрации бора в опухоли и
ф> увеличения градиента между содержанием бора в опухоли и окружающих
тканях для существующих соединений. Для этого используют модификаторы как физической, так и химической природы. Внутрибрюшинное введение BSH (100 мг/кг) на фоне тотальной гипертермии (водяная ванна при 41,5 С) [105] позволяло достоверно повысить содержание бора в мышиной сквамозной опухоли (SCCVII),
Л имплантированной под кожу бедра, в 1,2 раза при контрольном
накоплении 5,7 ± 0,4 мкг/г. Пероральное введение ВРА (1500 мг/кг) после гипертермии не выявило значимого увеличения накопления бора в
# опухолевых клетках. Одновременное использование двух
модифицирующих агентов: гипертермии и внутрибрюшинного введения
никотинамида - препарата, обладающего сосудорасширяющими
свойствами [79, 105] (1000 мг/кг за 60 мин до введения борсодержащих
соединений), показало увеличение концентрации бора в опухоли для BSH
в 1,5 раза, а для ВРА в 1,2 раза. Данные, полученные в работе [43],
свидетельствуют о значительном увеличении содержания бора в меланоме
В-16 мышей после применения локальных электрических импульсов.
Лапку с опухолью помещали между двумя стальными пластинами
площадью 8 мм . Через 3 мин после внутривенного введения BSH в дозе
100 мг/кг через электроды пропускали электрические импульсы
(напряжение 1040 В, длительность импульса 100 мкс, частота 1 Гц).
Значимые отличия от контроля наблюдали в течение 12 часов после
' введения соединения. Максимальная концентрация бора в меланоме В-16
была через 1 ч и составляла 46 мкг/г (контроль 28 мкг/г). К 2 ч содержание бора в опухоли было 25 мкг/г, что в 1,6 раза превышало контрольное значение. В работе [121] также отмечается увеличение накопления бора в мышиной опухоли SCCVII при дополнительном пропускании электрических импульсов через 15 мин после введения BSH. Через 3 ч
концентрация бора в опухоли была 19,4 мкг/г, что в 3,5 раза выше, чем в
контроле. Наряду с увеличением поступления бора в опухоль отмечается и
увеличение содержания бора в крови, что приводит к нежелательному
уменьшению градиента между содержанием бора в опухоли и крови [43,
121]. В качестве агентов, повышающих накопление бора в опухолевых
клетках, могут также выступать соединения, влияющие на проницаемость
% гематоэнцефалического барьера. Одним из представителей таких
соединений является церепорт (RMP-7 или лобрадамил), который зарекомендовал себя как препарат, повышающий эффективность
химиотерапии опухолей мозга за счет увеличения проницаемости капиллярных сосудов внутри опухолей мозга [69, 71]. В работе [159] изучено влияние церепорта на фармакокинетику борсодержащего соединения. Для этого крысам с имплантированной в головной мозг глиомой F98 через сонную артерию в течение 15 мин вводили церепорт в дозе 0,1 мкг/кг/мин непосредственно перед введением ВРА (500 мг/кг). Показано, что через 2,5 ч концентрация бора в опухоли при использовании церепорта была 55,7 ± 9,6 мкг/г, в контроле 33,6 ± 3,9 мкг/г. При этом отношения опухоль/кровь (5,4) и опухоль/головной мозг (5,2) значимо не отличались от контрольной группы. Использование в качестве модельной опухоли меланомы MRA27 также выявило увеличение накопления бора в опухоли (65,4 мкг/г против 36,8 мкг/г в контроле) при той же схеме введения церепорта и ВРА [24]. Для другого препарата, «открывающего» гематоэнцефалический барьер (маннитол), также характерно увеличение накопления бора в опухолевых клетках. Так, последовательное введение через сонную артерию маннитола (1,6 М) и смеси ВРА (500 мг/кг) с BSH (60 мг/кг) приводило к накоплению бора в крысиной глиоме F98 через 2,5 ч на уровне 119 мкг/г, что в 2,3 раза выше, чем при введении только двух борсодержащих соединений [25].
Анализ рассмотренных работ показал, что высокое содержание бора в опухоли можно достичь не только за счет синтеза новых, более туморотропных соединений-носителей 10В, но и посредством поиска агентов физической и химической природы, способствующих накоплению в опухоли уже зарекомендовавших себя в БНЗТ соединений.
ф 1.2.2. Накопление бора-10 в опухолях онкологических больных
Результаты изучения фармакокинетики борсодержащих соединений на модельных опухолях животных, представленные в предыдущем разделе, позволили исследователям отобрать ряд соединений с высоким накоплением в опухоли. Большинство этих соединений обладает низким значением терапевтического индекса - отношение токсичной дозы к
0 эффективной дозе, при которой концентрация бора в опухоли достаточна
для проведения БНЗТ [56], что не позволяет использовать их для онкологических больных. Для применения в БНЗТ были отобраны два борсодержащих соединения, одним из которых является меркаптододекаборат натрия (BSH) [60].
Изучение распределения BSH (внутривенное введение в дозе 75 мг/кг) у 10 больных с глиобластомой (глиома IV степени) [74] показало, что через 24 ч после введения концентрация бора в опухоли составляла 14,8 ±5,6 мкг/г, в крови 11,1 ± 2,4 мкг/г, при этом отношение концентраций бора опухоль/головной мозг варьировало от 6 : 1 до 20 : 1. Дополнительное введение гиалуронидазы - гликолитического фермента, не способного проходить через неповрежденный гематоэнцефалический барьер, за 5 мин до введения BSH значимо не повышало концентрацию бора в
^ глиобластоме. Однако отмечается увеличение отношения концентрации
бора опухоль/кровь до 1,83 по сравнению с контрольной группой (1,31). Повышение дозы BSH до 100 мг/кг не приводило к увеличению накопления бора (14,3 мкг/г) в глиобластоме 11 больных к 24 ч [89]. В работе [144] представлены данные о содержании бора в глиобластоме, удаленной в разные сроки (2,5 - 19 ч) после внутривенного введения BSH (20 мг/кг). Наибольшая концентрация бора в опухоли была зафиксирована у 4 больных, которым глиобластому удалили в интервале от 2,5 до 7,5 ч после введения BSH (8,4, 7,3, 8,6 и 7,0 мкг/г через 2,5, 3,5, 6 и 7,5 ч соответственно). Минимальное содержание бора в опухоли было отмечено
у двух больных (0,5 и 0,8 мкг/г через 4,5 и 19 ч). Отношения опухоль/кровь для всех больных было меньше 1. Среднее для всех больных отношение опухоль/головной мозг составляло 11,0 ± 3,2. Отмечаются большие индивидуальные отличия в накоплении бора в опухоли (у одного больного 5,2 мкг/г (4 ч), у другого 0,5 мкг/г (4,5 ч). Высокая индивидуальная вариабельность концентрации бора в злокачественных опухолях головного мозга (глиобластома и астроцитома) у группы из 10 больных отмечается и в работе [78]. Через 6 ч после введения BSH в дозе 25 мг/кг концентрация бора у двух больных отличалась в 2 раза.
Исследования японских ученых [91], которые изучали накопление бора в опухолях головного мозга более чем у 100 больных, показали, что в глиомах I и II степени бор накапливается в 2,5 раза меньше, чем в глиомах III и IV степени. Однако они не выявили статистических различий между накоплением бора в анапластической астроцитоме (III степень) и глибластоме (IV степень). Также не обнаружено значимых отличий в накоплении бора в опухолях в зависимости от способа введения BSH (внутривенное или внутриартериальное). Авторы [91] приходят к заключению, что концентрация бора в опухолях головного мозга, в первую очередь, зависит от дозы BSH, времени, прошедшего с момента введения борсодержащего соединения, и гистологии опухоли. Не обнаружено значимых различий в накоплении бора в анапластической астроцитоме III степени (17,1 + 5,8 мкг/г в интервале 3 - 7 ч после окончания инфузии) и глиобластоме (17,3 ± 10,1 мкг/г) и в работе [68], в которой 13 больным внутривенно вводили в течение 1 ч BSH в дозе 90 мг/кг. В таб. 2 и на рис. 1 представлены данные о концентрациях бора в крови и опухолях головного мозга (астроцитомы III степени и глиобластомы) и соотношениях между содержанием бора в опухоли и крови в зависимости от дозы BSH (независимо от способа введения), времени отбора образцов тканей для 148 больных (средний возраст 47 ± 15 лет), построенные на основании
исследований разных авторов. Рассматривались только те работы, в которых представлены данные по отдельному больному.
Таблица 2 Концентрация бора в крови и опухоли 148 больных с астроцитомой III степени и глиобластомой в зависимости от дозы BSH и времени отбора образцов тканей [36, 74, 78, 89, 90, 123, 144]
п - количество больных
Рис. 1. Соотношение между содержанием бора в опухоли и крови 148
больных с астроцитомой и глиобластомой в зависимости от дозы BSH и
времени отбора образцов тканей
Из представленных данных видно, что концентрация бора в крови увеличивается с повышением дозы BSH с 12 до 90 мг/кг. В содержании бора в опухоли при этих дозах BSH такой зависимости не наблюдается. При введении BSH в дозах выше 90 мг/кг концентрация бора в крови и опухоли в первые часы ниже, по сравнению с дозами от 40 до 90 мг/кг. На более поздних сроках после введения такой зависимости от дозы BSH не наблюдается. Так же для временного интервала от 10 до 20 ч характерны максимальные отношения содержания бора в опухоли и крови. Эти обстоятельства позволяют многим исследовательским группам [42, 78, 89, 91] рекомендовать проведение БНЗТ в интервале от 12 до 20 ч после введения BSH. При этом не обязательно введение максимально возможной
дозы BSH, так как на этом интервале отмечается достаточно высокое накопление бора в опухоли в большом диапазоне вводимых доз BSH.
Анализ литературных данных по распределению BSH в органах и тканях онкологических больных показал, что накопление этого борсодержащего соединения, в основном, изучается в опухолях головного мозга. Все авторы отмечают характерное для этих опухолей высокое варьирование как концентрации бора, так и времени достижения максимального накопления бора у разных больных. В связи с этим, рекомендуется проведение индивидуального подхода при планировании поглощенной дозы и времени начала лучевого воздействия для повышения эффективности БНЗТ.
В целом следует отметить, что применяемые в клинической практике BSH и ВРА не являются «идеальными» для задач БНЗТ. Поэтому необходимо продолжать синтезировать новые борсодержащие соединения и проверять их туморотропность на различных модельных опухолях. Параллельно следует проводить поиск иных путей повышения накопления в опухоли уже существующих препаратов.
1.3. Планирование борнейтрон-захватной терапии
1.3.1. Содержание бора в опухоли и окружающих тканях больных на
момент проведения БНЗТ
Многолетнее изучение распределения борсодержащих соединений в
опухоли, опухолевых клетках и окружающих тканях онкологических
больных, а также опыт проведения БНЗТ показали значительные отличия в
содержании бора в этих тканях. Для того чтобы выбрать время начала
лучевого воздействия, наиболее точно определить концентрацию бора в
опухоли и окружающих тканях, и, следовательно, рассчитать суммарную
поглощенную дозу на момент облучения нейтронами необходимо
применять индивидуальный подход к каждому больному. Применяемые на
практике способы планирования БНЗТ в большинстве случаев используют
экстраполяцию данных, что не позволяет учесть индивидуальный характер
накопления бора [40, 115, 133, 144]. Наиболее часто в клинической
практике для определения концентрации бора используется атомно-
эмиссионная спектрометрия, которая позволяет быстро (5-10 мин)
определить содержание бора в жидких пробах (кровь) [40, 109, 127]. Это
позволяет отбирать образцы крови и определять концентрацию бора в ней
непосредственно перед началом облучения. Расчет концентрации бора в
опухоли на момент проведения терапии в этом случае может
осуществляться несколькими способами. Первый способ опирается на
результаты, полученные при изучении распределения борсодержащего
соединения у онкологических больных [133]. За основу берут дозу
борсодержащего соединения, время начала облучения после введения
соединения и соответствующее этому времени среднее отношение
содержания бора в крови и опухоли больных (С0/Ск). Отбирают кровь
перед облучением, определяют в ней концентрацию бора и используя
соотношение С0/Ск рассчитывают концентрацию бора в опухоли [60].
Данный способ, в основном, применяют тогда, когда не производится
хирургическое удаление опухоли. В том случае, когда за несколько часов до БНЗТ производится удаление опухоли, определение концентрации бора на момент терапии проводится следующим образом. С момента введения соединения до начала облучения у больного берут образцы крови для определения концентрации бора [89, 91]. Также концентрацию бора определяют в образцах опухоли и окружающих тканях, полученных при удалении опухоли. Все эти значения сравнивают со средними данными, полученными у предыдущих больных. Концентрацию бора в опухоли на момент облучения рассчитывают путем экстраполяции данных, основанной на том, что с увеличением времени, прошедшего после введения борсодержащего соединения, логарифм отношения С0/Ск линейно возрастает [91]. Данные способы использовались в течение 30 лет после начала лечения больных методом БНЗТ, хотя и сейчас в некоторых центрах используют такой подход к определению концентрации бора в опухоли на момент проведения терапии [40]. В последние десять лет в клинической практике БНЗТ стали использовать методы, позволяющие определять концентрацию бора непосредственно в организме больного -спектрометрия мгновенного гамма-излучения [129] и позитрон-эмиссионная томография [108].
Детектирование мгновенного гамма-излучения, возникающего при захвате тепловых нейтронов атомами бора, осуществляют при проведении БНЗТ. Это позволяет определить концентрацию бора в опухоли и окружающих тканях больного непосредственно в момент облучения. В зависимости от полученных данных корректируют время воздействия нейтронами, то есть обеспечивают в опухоли наиболее эффективную поглощенную дозу [150]. Если перед БНЗТ проводят удаление опухоли, то отбирают образцы тканей для ориентировочной оценки содержания бора в опухоли на момент БНЗТ с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии. Использование для определения концентрации бора спектрометрии мгновенного гамма-излучения дает возможность применять индивидуальный подход к каждому больному, что выгодно отличает
данный метод от описанных выше, где за основу берут обобщенные данные по группе больных. Однако этот метод не позволяет определять концентрации бора в опухоли и окружающих тканях в динамике после введения борсодержащего соединения, так как для этого потребовалось бы неоднократно помещать больного в нейтронный пучок. Информация о кинетике накопления и выведения бора из опухоли позволяет определить оптимальное время начала облучения нейтронами у конкретного больного. На данный момент при использовании спектрометрии мгновенного гамма-излучения для планирования БНЗТ время начала лучевого воздействия выбирается в диапазоне от 12 до 20 ч после введения BSH [42, 78] и от 2 до 6 ч после введения ВРА [40, 59].
Использование позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ) позволяет устанавливать наиболее оптимальное время начала облучения нейтронами. Опираясь на имеющийся опыт ПЭТ, было синтезировано борсодержащее соединение, меченное фтором-18 (I8F-BPA), накапливающееся в опухолевых клетках на том же уровне, что и немеченый аналог [84, 85]. В результате исследований на животных (хомяки с меланомой Грина и мыши с меланомой В-16) [77, 86] показана высокая корреляция между двумя способами определения концентрации бора в опухоли и окружающих тканях - с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии образцов тканей и по результатам сканирования зоны опухоли на позитронном томографе. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили начать клиническое использование 18F-BPA для планирования борнейтрон-захватной терапии [81]. Для этого больному, направленному на курс БНЗТ, за несколько дней до терапии внутривенно вводят комплекс 18F-BPA с глюкозой (40 - 50 МБк/10 кг массы больного). Затем сканируют на позитрон-эмиссионном томографе зону опухоли через заданные интервалы времени (2-4 мин) в течение часа после введения соединения [80]. Параллельно берут образцы крови для определения концентрации бора. Все полученные данные заносятся в компьютер, обрабатывающий их по разработанной модели [88, 108]. Данный метод дает возможность без
хирургического вмешательства рассчитать концентрацию бора в опухоли и окружающих тканях на момент проведения БНЗТ (2 - 6 ч после введения ВРА), и в зависимости от степени накопления препарата рекомендовать или считать нецелесообразным проведение борнейтрон-захватной терапии у конкретного больного [88, 116]. При всех преимуществах такого метода планирования БНЗТ перед применяемыми в клинической практике он имеет и ряд недостатков. Во-первых, использование позитрон-излучающих радионуклидов не позволяет исследовать динамику накопления и выведения борсодержащего соединения более 2 часов из-за малого периода полураспада позитрон-излучающих изотопов. Это требует применения специальных программ, которые по данным, полученным при сканировании зоны опухоли, делают прогноз концентрации бора в опухоли на момент проведения облучения нейтронами. Во-вторых, метод требует наличия в одном месте специалистов в области нейтрон-захватной терапии, ядерной физики, онкологии и позитронной томографии, что могут позволить себе только крупные научные центры. Поэтому в большинстве центров по нейтрон-захватной терапии для определения концентрации бора на момент проведения терапии используют параллельно несколько более доступных способов анализа бора для получения наиболее адекватной картины распределения борсодержащего соединения в организме больного [115, 144]. К сожалению, при всем разнообразии методов определения концентрации бора к настоящему моменту еще не разработан дешевый и главное нетравматичный метод, который позволял бы отслеживать в течение суток динамику накопления и элиминирования бора непосредственно в организме больного, определять точное значение содержания бора на момент проведения терапии как в опухоли, так и в окружающих тканях. Разработка такого метода значительно упростит процедуры отбора больных и планирования курса БНЗТ [57].
1.3.2. Оценка поглощенной дозы в опухоли и окружающих тканях
Как отмечалось ранее (раздел 1.1.1), наиболее часто при проведении борнейтрон-захватной терапии используют нейтроны, испускаемые ядерными реакторами. Такие нейтроны имеют широкий энергетический спектр. Для того чтобы получить в зоне опухоли требуемый поток тепловых нейтронов, на пути нейтронов помещают фильтры и модераторы. Однако наряду с тепловыми нейтронами, зона опухоли подвергается воздействию эпитепловых и быстрых нейтронов, а также сопутствующего гамма-излучения. Поэтому при расчете общей поглощенной тканевой дозы, эквивалентной дозе гамма-излучения (Д,), необходимо учитывать следующие компоненты излучения [52, 130]:
D9=Dr+0E3n -Dn+0S3p-Dp +Dyl+(0E3 ти БЭС)В -DB +D/2
где: Dn - поглощенная доза быстрых и эпитепловых нейтронов, Гр;
DY - поглощенная доза у-излучения, присутствующего в пучке
нейтронов, Гр; Dp - поглощенная доза протонов из реакции 14N(n,p)14C, Гр;
1 О
Dri - поглощенная доза у-излучения из реакции H(n,y) D, Гр;
DB - поглощенная доза а-частиц и ядер отдачи 7Li из реакции 10B(n,a,y)7Li, Гр;
Dy2 - поглощенная доза у-излучения из реакции B(n,a,y) Li, Гр;
ОБЭп и ОБЭр - относительная биологическая эффективность быстрых и эпитепловых нейтронов и протонов;
(ОБЭ или БЭС)В - относительная биологическая эффективность продуктов реакции 10B(n,a,y)7Li или биологическая эффективность борсодержащего соединения (БЭС), используемого в качестве агента, доставляющего бор в опухоль, при протекании этой реакции.
РОССИЙСКАЯ
ІІ^СУЛАРСТВЕІШЯ
41 БИБЛИОТЕКА
Общую поглощенную дозу быстрых и эпитепловых нейтронов и гамма-излучения обычно измеряют тканеэквивалентными пластиковыми ионизационными камерами с тканеэквивалентным газом, дозу гамма-излучения - графитовыми камерами, наполненными СОг [34, 100, 110]. Дозу быстрых нейтронов определяют вычитанием дозы гамма-излучения из общей дозы. ОБЭ быстрых нейтронов определяют из кривых доза-эффект как отношение изоэффективных доз гамма- и нейтронного излучения [32].
Поглощенная доза у-излучения из реакций H(n,y) D (Er = 2,23 МэВ) и 10B(n,oc,y)7Li (Er = 0,48 МэВ) рассчитывается на основании трех схем измерений с помощью ионизационных камер. Первый вид измерений проводят в объеме, содержащем бор-10, при этом измеряют как у-излучение, присутствующее в пучке нейтронов, так и у-излучение этих двух реакций. Во втором случае измеряют дозу у-излучения в объеме без бора, в третьем измеряют только у-излучение, присутствующее в пучке нейтронов. Сравнение результатов трех схем измерений позволяет определить дозу у-излучения для каждой реакции [5, 62].
В результате захвата теплового нейтрона ядром азота происходит образование радиоактивного углерода (14С) с энергией отдачи 40 кэВ и испускается протон с энергией 0,59 МэВ. Поскольку период полураспада углерода 14С равен 5700 лет и максимальная энергия р-частиц 154 кэВ, радиоактивный распад углерода не играет роли в биологическом действии тепловых нейтронов. Основное значение в реализации биологического эффекта имеют протоны, пробеги которых в ткани составляют около 15 мкм и среднее значение ЛПЭ равное 65 кэВ/мкм [5]. Величина энергии, переданной протонами единице объема ткани за единицу времени, может быть рассчитана по формуле [5,142]:
р=ф. Ь^Лл\.а.Е.к { м )
где: Рр - мощность дозы, сГр/с;
Ф ~ плотность потока тепловых нейтронов, н/см с; С - концентрация азота в ткани, г/г ткани; NA - число Авогадро, 6,02 1023 1/моль; М— молекулярная масса азота, г/моль;
—94 9
Е - энергия протона, Е = 0,59 МэВ;
^-коэффициент согласования размерности, 1,6 10~8 сГр г/МэВ. По этой же формуле можно рассчитать поглощенную дозу частиц с высокой ЛПЭ из реакции B(n,a,y) Li. Вместо концентрации азота нужно брать концентрацию бора с<т=3838-10~ см и энергию продуктов реакции Е = 2,34 МэВ.
При оценке биологического действия протонов из реакции нейтронного захвата 14N(n,p)14C одни исследователи используют ОБЭ равную 2 [51, 61], считая, что в тканях содержится 2,6 % азота, другие ОБЭ = 3,2 [25, 52, 152], исходя из того, что азота в тканях 3,5 %. Скорее всего, ОБЭ равную 2 следует использовать при проведение БНЗТ опухолей головы, так как для тканей головного мозга содержание азота около 2 % [61]. Исследования на японском реакторе KUR [94] показали, что доза протонов от реакции 14N(n,p)14C равна дозе продуктов реакции I0B(n,a)7Li при концентрации бора в ткани головного мозга 1,5 мкг/г. А так как для эффективного проведения БНЗТ необходимо, чтобы концентрация бора в опухоли составляла не менее 30 мкг/г ткани при плотности потока тепловых нейтронов порядка 10 н/см с [73], то вкладом протонов и гамма-
излучения реакции H(n,y) D в суммарную поглощенную дозу на опухоль можно пренебречь. Однако при оценке поглощенной дозы в здоровых
окружающих тканях, в которых содержание бора в несколько раз ниже, чем в опухоли, данные компоненты следует учитывать, так как их вклад может достигать более 10 % [48, 94].
ОБЭ продуктов реакции B(n,a) Li точно не установлена и зависит от дозы и ЛПЭ а-частиц, типа клеток [8, ПО]. Для альфа-частиц с энергией 2,3 МэВ и ЛПЭ 200 кэВ/мкм значения ОБЭ для малых доз находится в диапазоне от 1,5 до 8 и для больших доз от 1 до 4 [9]. В связи с этим, величину ОБЭ следует определять для конкретных условий облучения, типа ткани и известного содержания в ней бора-10. Принято считать, что в целом ОБЭ не превышает 8 и находится в пределах от 2 до 6 [8,20, 31].
Рядом исследовательских групп [52, 62, 64, 65, ПО] была установлена различная биологическая эффективность реакции 10B(n,a,y)7Li для разных борсодержащих соединений, для которых концентрация бора в опухоли на момент проведения БНЗТ была одинаковой. Расчеты с помощью программы Monte Carlo показали, что в случае, когда 10В локализован строго во внеклеточном пространстве, доза на ядро после облучения тепловыми нейтронами составляет 10 % от дозы, получаемой при равномерном распределении такого же количества бора по всей клетке [62]. В связи с этим, Gahbauer и соавт. [65] предложено при расчете поглощенной дозы продуктов реакции захвата тепловых нейтронов атомами 10В вместо термина "относительная биологическая эффективность" использовать более корректное понятие "биологическая эффективность соединения (БЭС)" (compound biological effectiveness (СВЕ)) или "коэффициент соединения" (compound factor), характеризующего микрораспределение бора. Этот коэффициент учитывает комбинацию радиобиологических свойств частиц, образующихся из борнейтрон-захватной реакции, с вероятностью попадания этих частиц в чувствительную клеточную мишень. При этом вероятность будет зависеть от геометрического расположения бора
относительно мишени. В зависимости от размера клеток и тканевых структур различия в величине поглощенной дозы могут достигать 10 [73].
Для изучения микрораспределения бора-10 применяют количественную нейтрон-захватную радиографию [93, 127, 163], вторичную ион-масс-спектрометрию [46] и ядерный магнитный резонанс [28]. Проведение математического моделирования, основанного на радиобиологических исследованиях и изучении внутриклеточного распределения 10В, входящего в состав BPA-F или BSH, позволило определить значения БЭС для ряда опухолей и здоровых тканей [110, 136, 163]. Установлено, что для BPA-F БЭС равна 3,8 для глиосаркомы и 1,3 для головного мозга крыс [52, 152], 2,5 для кожи человека [58], 1,35 для спинного мозга крыс [111]. Для BSH значения БЭС для головного мозга у разных авторов варьирует от 0,24 до 0,50 [53, 64]. В работе [64] показано, что для тканей головного мозга биологическая эффективность BSH составляет 0,37, а для других органов и тканей, которые не имеют гематоэнцефалического барьера, 0,87. Столь высокое отличие БЭС от BPA-F связано с тем, что молекула BSH не способна проходить через этот барьер [140]. При этом отмечается низкая концентрация бора в здоровых тканях головного мозга, а атомы бора в основном локализованы в капиллярной сетке достаточно далеко от клеток головного мозга, что дает низкую вероятность попадания продуктов реакции захвата в чувствительные клеточные мишени этих клеток [123]. Широкий диапазон значений БЭС получается в результате того, что при ее расчете за основу берется равномерное межклеточное и внутриклеточное распределение бора [53, 60]. Это предположение введено, главным образом, для упрощения процедуры расчета БЭС и в большинстве случаев не отражает реального (неравномерного) распределения бора. Изучение внутриклеточного распределения бора у 8 больных с астроцитомой после введения BSH [42] показало, что из всего бора, накопленного в опухоли, 21 % бора находится в ядрах, 18 % в митохондриях и других клеточных
органелах, оставшиеся 61 % бора размещается в цитоплазме и межклеточной жидкости. Отмечается высокий индивидуальный разброс этих значений. Для сравнения авторы провели подобные исследования распределения бора в глиоме крыс [41] (используемой как модель опухолей головного мозга человека), где содержание бора в ядрах клеток составило 10,5 %. Это ставит под сомнение возможность переноса значений БЭС, полученных на этой модели (БЭС = 3,8 и 1,2 при введении ВРА и BSH крысам с глиомой F-98 [25]), на опухоли человека. Также отмечается рост соотношения между содержанием бора в ядрах и цитоплазме с увеличением времени, прошедшего с момента введения борсодержащего соединения. Все это указывает на необходимость изучения микрораспределения бора в опухоли и окружающих тканях каждого больного.
Из анализа представленных выше работ можно сделать несколько важных выводов:
опухоль и окружающие ткани различаются как по степени накопления, так и по межклеточному и внутриклеточному распределению бора, что при взаимодействии атомов бора с тепловыми нейтронами ведет к проявлению в этих тканях различного биологического эффекта;
при низких концентрациях бора в окружающих тканях (< 5 мкг/г) для расчета общей поглощенной дозы необходимо учитывать все дозовые составляющие, возникающие в результате взаимодействия тепловых нейтронов с компонентами биологических тканей, в состав которых включен 10В;
при расчете эквивалентных поглощенных доз на опухоль и окружающие ткани необходимо учитывать биологическую эффективность конкретного соединения (БЭС).
После стадии оценки поглощенных доз и эффективности биологического действия всех компонентов излучения, присутствующих в пучке нейтронов и образующихся в результате захвата тепловых
нейтронов, необходимо рассчитать значения эквивалентной поглощенной дозы на всем пути прохождения пучка через биологическую ткань. Для этого разрабатываются специальные компьютерные программы, которые позволяют получить трехмерные дозовые распределения в зоне облучения, то есть построить изодозные кривые (изодозы) [118, 119, 128]. При планировании БНЗТ крупные центры разрабатывают свои оригинальные программы, позволяющие наиболее адекватно оценивать дозовые поля, используя экспериментальные и расчетные данные. Так, в Массачусетском институте (MITR-II) используют коммерческую программу MacNCTPLAN [154, 164], на Брукхейвенском медицинском исследовательском реакторе (BMRR) применяют программу BNCT-RTPE (Radiation Treatment Planning Environment) [45, 119], разработанную в Национальной лаборатории Айдахо (INEEL) [151]. В этой же лаборатории разработана программа SERA (Simulation Environment for Radiotherapy Applications) [118, 154], которую можно использовать при проведении дистанционной нейтронной терапии, БНЗТ и бустовой БНЗТ.
В целом программы по расчету изодоз при планировании БНЗТ должны учитывать:
изменение вклада быстрых, эпитепловых нейтронов и сопутствующего гамма-излучения в общую поглощенную дозу при прохождении нейтронного потока через биологическую ткань, то есть изменение глубинного распределения компонентов дозы;
изменение плотности потока тепловых нейтронов в биологической ткани по ходу пучка нейтронов вследствие взаимодействия тепловых нейтронов с элементами тканей и атомами 10В;
вклад в общую поглощенную дозу продуктов реакций радиационного захвата тепловых нейтронов водородом и азотом ткани;
динамику накопления бора в опухоли и окружающих тканях для определения времени после момента введения борсодержащего
соединения, когда соотношение между содержанием бора в этих тканях наиболее эффективно для БНЗТ;
вклад продуктов реакции 10В(п,а,у)71л в общую поглощенную дозу;
относительную биологическую эффективность продуктов реакций нейтронного захвата;
неравномерность межклеточного и внутриклеточного распределения бора в опухоли и окружающих тканях;
неодинаковую биологическую эффективность продуктов борнейтрон-захватной реакции при введении различных борсодержащих соединений из-за разной проникающей способности в клетку;
разную биологическую эффективность продуктов борнейтрон-захватной реакции для опухоли и окружающих тканей.
Представленный выше обзор литературы показывает, что для применения метода борнейтрон-захватной терапии в клинической практике необходимо обеспечить подведение тепловых нейтронов в зону опухоли, наличие высококвалифицированного персонала, ответственного за дозиметрические, радиобиологические и клинические аспекты реализации данной терапии. Более детальное рассмотрение возможностей БНЗТ вскрывает целый ряд проблем. Для того, чтобы в глубокорасположенных опухолях получить заданный поток тепловых нейтронов, необходимо иметь достаточно интенсивные источники быстрых и/или эпитепловых нейтронов, фильтры и модераторы, элементный состав и конфигурацию которых необходимо подбирать в соответствии с характеристиками исходного пучка нейтронов, что влечет за собой большое число дозиметрических расчетов и измерений.
Большинство существующих борсодержащих соединений не способны избирательно накапливаться в опухолевых клетках, поэтому усилия химиков направлены как на синтез новых более тропных к
опухолям соединений, так и на увеличение накопления в опухоли уже существующих соединений.
При определении общей поглощенной и эквивалентной дозы в опухоли и окружающих тканях следует учитывать вклад всех компонентов нейтрон-захватных реакций, определение эффективности которых является достаточно трудной задачей. Пока не выработано единого механизма переноса данных, полученных при оценке биологического действия продуктов борнейтрон-захватной реакции на модельных опухолях животных, на опухоли и окружающие ткани человека. Одним из компонентов планирования БНЗТ является отбор больных с высоким уровнем накопления бора в опухоли, а также определение времени начала лучевого воздействия с момента введения борсодержащего соединения, поэтому необходимо исследовать динамику накопления и выведения препарата у каждого больного. Существующие методы определения концентрации бора не позволяют проводить строго индивидуальное планирование терапии. Решение перечисленных выше проблем позволило бы значительно повысить эффективность борнейтрон-захватной терапии.
В связи с этим, целью многих исследовательских групп является решение каждой из этих проблем и выработка единого подхода к проведению БНЗТ. В задачи настоящей работы входит разработка метода, позволяющего оценивать динамику накопления и выведения борсодержащего соединения непосредственно в живом организме и на его основе представить схему индивидуального планирования борнейтрон-захватной терапии.
