Как ядерная физика помогает создавать новые лекарства
Цель проекта состоит в нахождении способа получения рентгеновских и однофотонных эмиссионных томографических изображений небольших животных с высоким разрешением и хорошим качеством изображения. Как известно, компьютерная томография давно зарекомендовала себя как надежный и эффективный способ диагностики самых различных заболеваний. Рентгеновская компьютерная томография (КТ) позволяет получать очень четкие изображения внутренних органов. Однофотонная эмиссионная (ОФЭКТ) и позитрон-эмиссионная (ПЭТ) томографии, благодаря высокой чувствительности, дают возможность наблюдать за накоплением специальных радиофармпрепаратов в определенных частях организма, например, в опухолях или в тканях с активным воспалительным процессом. Сочетание этих методов позволяет не только диагностировать заболевание на ранней стадии, но и локализовать его в организме пациента.
Однако менее известно, что компьютерная томография незаменима при разработке новых лекарств. Сочетание ОФЭКТ и КТ позволяет получить информацию о движении и химических превращениях лекарства в организме, если молекулы лекарства предварительно пометить радиоактивным изотопом. Естественно, такого рода исследования ведутся на лабораторных животных, главным образом на мышах и крысах. Однако для успешного проведения подобных исследований требуется соответствующая аппаратура. Пространственное разрешение обычного клинического ОФЭКТ-томографа составляет около одного сантиметра, что ненамного меньше размера лабораторной мыши и не позволяет локализовать исследуемое вещество в организме животного с достаточной точностью. Требуются специализированные томографы со значительно более высоким пространственным разрешением, не хуже 1 мм. В настоящее время коммерчески доступных приборов с такими характеристиками практически нет.
Основная проблема, препятствующая их широкому распространению, связана с детектором – узлом, который должен регистрировать рентгеновское излучение при КТ и ядерное гамма-излучение при ОФЭКТ. Причем основную трудность составляет именно ОФЭКТ, так как требуется не только зафиксировать факт попадания гамма-кванта в детектор, но и определить направление его движения. Традиционные способы (камера Ангера, пинхол-коллиматоры) либо неспособны обеспечить нужное пространственное разрешение, либо имеют низкую эффективность, что приводит к неприемлемо долгому времени получения изображения. Поэтому ключевым условием для успеха данного проекта является именно конструкция детектора для ОФЭКТ.
Российские участники проекта имеют богатый опыт создания детекторов элементарных частиц, в основном для экспериментов в физике высоких энергий. Однако один из детекторов, полупроводниковый пиксельный детектор Medipix, разработанный международным консорциумом в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, оказался очень привлекательным для решения прикладных задач, связанных с получением изображений с помощью рентгеновских лучей и гамма-квантов. Детектор Medipix имеет 65 тысяч пикселей размером 55 мкм × 55 мкм и позволяет получать изображения высокого качества с низким уровнем шумов и одновременно определять энергию каждого рентгеновского фотона или гамма-кванта, участвующего в формировании изображения. ОИЯИ участвует в консорциуме Medipix с 2016 г., и за это время участники проекта получили обширный опыт работы с детектором Medipix и его использования в рентгеновской томографии. Кубинские коллеги из центра радиоизотопов CENTIS, занимающиеся разработкой новых радиофармпрепаратов и исследованием доставки лекарств, предложили использовать этот детектор для создания специализированного ОФЭКТ/ КТ томографа для исследования лабораторных животных. Ключевой характеристикой такого томографа является пространственное разрешение при ОФЭКТ, которое должно быть не хуже 1 мм.
Как уже упоминалось, использование детекторов Medipix для рентгеновской компьютерной томографии не представляет особых трудностей. Еще до начала совместного российско-кубинского проекта российские участники успешно получали рентгеновские томографические изображения с разрешением около 50 микрон. Главной задачей является достижение хорошего пространственного разрешения при ОФЭКТ с достаточно высокой эффективностью регистрации гамма-квантов, к тому же имеющих более высокую энергию, чем рентгеновские лучи. Для решения этой задачи на помощь пришли гамма-астрономия и опыт создания гаммавизоров – приборов, применяющихся при ликвидации радиационных аварий и разрабатываемых в Курчатовском институте. В обоих случаях для определения направления гамма-квантов давно и успешно используются особые маски – кодирующие апертуры (рис. 1).
В течение первого года реализации совместного проекта были спроектированы и изготовлены вольфрамовые маски (кодирующие апертуры) толщиной 500 микрон. Рабочая область маски составляет 22.1 мм × 22.1 мм и содержит почти 2 000 коллимирующих отверстий диаметром 360 микрон. Сотрудничество с коллегами из кубинских научных центров CEADEN и CENTIS позволило определить ключевые параметры кодирующих апертур с учетом требований к ОФЭКТ-изображениям лабораторных животных. Большую помощь при проектировании и изготовлении масок оказал сотрудник Курчатовского института профессор О.П. Иванов. Был изготовлен детектор на основе микросхемы Timepix (одна из разновидностей Medipix) с чувствительным элементом из теллурида кадмия и крепление для кодирующей апертуры, гарантирующее механическую точность и позволяющее при необходимости поворачивать маску (рис. 2).
Это позволяет уменьшить помехи на получаемом изображении. Было создано программное обеспечение для реконструкции изображений и для моделирования детектора. Моделирование оказалось крайне полезным при оптимизации размеров и конструкции детектора. Измерения, проведенные вместе с кубинскими коллегами из научного центра CEADEN в течение 2019 г. с рентгеновскими и радиоактивными источниками, показали, что детектор вполне пригоден для использования в методе ОФЭКТ и позволяет достичь нужного пространственного разрешения. Это открывает дорогу к созданию комбинированного ОФЭКТ/КТ томографа для исследования лабораторных животных.
Подготовительные работы в этом направлении ведутся кубинскими участниками проекта. В течение 2019 г. в научном центре CEADEN были выполнены расчетные и конструкторские работы, связанные с проектированием биологической защиты и механической конструкции томографа. В феврале 2020 г. российские участники прибыли вместе с детектором в Гавану, где совместно с кубинскими коллегами провели изучение характеристик детектора с помощью жидких радиофармпрепаратов (рис. 3).
Получено большое количество экспериментальных данных, которые, с одной стороны, подтвердили работоспособность и основные характеристики прибора (рис. 4), а с другой – позволят в ближайшее время разработать и отладить программное обеспечение для реконструкции томографических изображений, одновременно используя информацию ОФЭКТ и КТ.
Тем временем кубинские коллеги продолжают работу по созданию опытного образца ОФЭКТ/КТ томографа для лабораторных животных в научном центре CENTIS (рис. 5). Участники проекта надеются в 2021 г. проверить его работу в реальных условиях.
Основные публикации по результатам проекта
- В. А. Рожков
В Сб. анн. докладов Молодежной конференции по теоре- тической и экспериментальной физике (МКТЭФ-2019) (РФ, Москва, 25–28 ноября, 2019), под ред. Д.В. Васильева, А.В. Канцырева, РФ, Москва, ФГБУ Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова НИЦ
Курчатовский институт, 2019, с. 120.
- Rozhkov, G. Chelkov, I. Hernández, O. Ivanov, D. Kozhevnikov,
A. Leyva, A. Perera, D. Rastorguev, P. Smolyanskiy, L. Torres, A. Zhemchugov
JINST, 2020, 15, P06028. DOI: 10.1088/1748-0221/15/06/p06028.
А. С. Жемчугов, А. Лейва Фабело, В. А. Рожков
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и CITMA (проект № 18-52-34005).
Материал опубликован в Вестнике РФФИ: https://www.rfbr.ru/rffi/portal/bulletin/o_2125361
In the media
