Радиозащитные свойства химических веществ были впервые обнаружены в 1940 г. американским радиобиологом V. Dale. Он показал, что присутствие в растворе ферментов (протеиназ, амилаз) тиомочевины, муравьиной кислоты, коллоидной серы, снижает степень радиолиза облучаемых ферментов. В 1948 г. в опытах с облучением бактериофагов было обнаружено защитное действие на них цистеина, триптофана, глютатиона. В 1949 г. защитный эффект цистеина был обнаружен и при облучении крыс. В это же время появились сообщения о радиозащитном эффекте цианистого натрия в опытах с мышами. После этих опытов во всем мире начались активные поиски соединений, обладающих радипротекоторными свойствами.
Однако, не все химические соединения, повышающие радиоустойчивость организмов, могут быть использованы на практике в качестве радиопропротекторов, а только те, которые обладают высокой эффективностью (ФИД > 2) и при введении в организм не вызывают побочных эффектов. Лишь несколько десятков веществ удовлетворяют этим требованиям. Большинство из них относятся к двум классам химических соединений: индолилалкиламинам и меркаптоэтаноламинам [157].
Индолилалкиламины – химические соединения, содержащие в своем составе индольное кольцо, аминную и алкильную группы. Простейшее соединение этого типа – триптамин, который, хотя и не относится к радипротекторам, но проявляет радиозащитный эффект. Было отмечено, что при его введении выживаемость летально облученных мышей повышается на 20–30 %. Эффективным радипротектором является производное триптамина – 5-окситриптамин (серотонин). При ведении этого соединения мышам до облучения в дозе 10–60 мг на кг массы, LD50 увеличивался в 2–3 раза.
Другое производное триптамина, 5-метоокситриптамин (мексамин), также является эффективным радиопротектором и широко используется на практике. Защитный эффект мексамина показан на мышах, собаках, обезьянах. ФИД этого препарат больше 3 при введении его в расчете 10–60 мг на кг массы тела.
Наиболее простое соединение из класса серосодержащих аминов – меркаптоэтаноламин. Внутриутробное введение этого соединения мышам в расчете 150 мг/кг за 5 – 10 мин. до облучения позволяло предотвращать гибель летально облученных животных, а ФИД превышает 3.
Наиболее эффективны используемые для научных и практических целей следующие соединения: цистамин, аминоэтилазотиуроний (АЭТ), натривая соль аминоэтилфосфорной кислоты (цистафос), имдазолэтиламин (гистамин).
Нужно отметить, что защитный эффект протектора проявляется только в том случае, если он вводится в организм незадолго до облучения, а эффективность его действия снижается по мере увеличения интервала времени между введением препарата и облучением объекта. Наиболее эффективное время составляет у разных животных 5 – 15 мин. до облучения. Таким образом, молекулы протектора должны присутствовать в тканях животных во время облучения. В связи с этим, можно предположить, что механизмы действия протекторов в организме связаны с первичными реакциями лучевого поражения и что действие протекторов направлено на уменьшение продуктов радиолиза. Существует несколько гипотез, объясняющих механизмы проявления защитного эффекта протекторов в организме. Предполагается, что повышение устойчивости организма при введении протектора может происходить за счет перехвата и инактивации образующихся свободных радикалов, повышения биологического фона радиорезистентности в т. ч. и вследствие, так называемого, «биохимического шока», снижения концентрации кислорода в клетках.
Радиосенсибилизаторы – средства, избирательно повышающие чувствительность опухолевых тканей к ионизирующему излучению, что позволяет провести облучение в нужной дозе, не повреждая окружающие здоровые ткани. Для этого используется, например, кислородный эффект (зависимость радиочувствительности опухолей от парциального давления кислорода в среде), который основан на существовании во многих опухолях клеток с очень низким парциальным давлением кислорода и вследствие этого – с низкой радиочувствительностью. На этом базируются оксигенорадиотерапия и оксигенобарорадиотерапия (облучение в условиях гипербарической оксигенации), а также поиски клинически приемлемых химических радиосенсибилизаторов, имитирующих действие кислорода (его сродство к электрону). В качестве радиосенсибилизаторов используют антиметаболиты, включающиеся в молекулы ДНК, усиливая их повреждение (например, 5-фторурацил), ингибиторы синтеза ДНК (например, оксимочевина), специфические ингибиторы синтеза белка (например, актиномицин D).
Терморадиотерапия была основана на избирательном противоопухолевом действии гипертермии, поскольку вследствие недостаточного кровотока в некоторых опухолях тепло из них отводится замедленно. Было установлено, что эффект гипертермии выше при комбинации с искусственной гипергликемией: термочувствительность опухолей при этом увеличивается за счёт снижения внутриклеточной рН, наступающего в них после введения в организм большого количества глюкозы в силу высокой гликолитической активности опухолевой ткани.
База современных достижений
Проблемы дозирования облучения создали новое направление в физике – дозиметрию, изучающую взаимодействие излучения с веществом. В 1925 г. на Международном конгрессе радиологов была основана Международная комиссия по радиологическим единицам (МКРЕ)[110]. Для измерения дозы ионизирующего излучения стали применяться химические и физические детекторы, ионизационные камеры [155].
Создание ядерных реакторов[111] позволило получать различные радионуклиды в большом количестве, что привело к внедрению гамма-терапевтических аппаратов для дистанционного облучения с мощными радиоактивными источниками (кобальта-Со60, цезия-Cs137, калифорния-Cf252 и др.) и методов внутриполостной и внутритканевой лучевой терапии (иридий-Ir192, золото-Au198 и др.). Изменилась методика внутриполостной терапии – вместо ручного введения стали использоваться интрастаты, в которые в автоматизированном виде подавались источники излучения, существенно снизившие лучевую нагрузку на персонал, начала активно развиваться внутриопухолевая и внутрисосудистая радионуклидная терапия.
Дальнейший прогресс лучевой терапии обусловил создание линейных и циклических ускорителей электронов и тяжелых ядерных частиц – циклотронов, первый из которых был создан Е.O. Lawrence[112] (1901–1958) и M.S. Livingstone (1905–1986) в 1932 г., а уже в 1940 г. было проведено нейтронное облучение злокачественных опухолей – хондро-, фибро– и липосарком конечностей. В том же году D.W. Kerst (1911–1993), используя наработки норвежского физика Rolf Wideröe[113] (1902–1996), сконструировал первый работающий бетатрон – индукционный ускоритель электронов [132].
С 50-х гг. прошлого века в радиологических отделениях СССР стали применяться дистанционные гамма-аппараты «Агат-С», «Агат-Р», «Агат-ВУ», «Вольфрам», «Рокус» в различных модификациях.
В это же время в 1951 г. шведским нейрохирургом L. Leksell (1907–1986) была предложена идея радиохирургической установки «Гамма-нож»[114] для облучения мишеней в области головы, начала применяться протонная терапия (г. Упсала, Швеция, 1954, и г. Бостон, США, 1961) [158].
В СССР первый протонный ускоритель с пучком для медицинских целей был создан советским физиком членом-корреспондентом АН СССР В.П. Джелеповым (1913–1999) в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна (Московская область) в 1967 г. В настоящее время лечение на таких установках проводится в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова[115] (ПИЯФ) (г. Гатчина, Ленинградская область) и в Институте теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова[116] (ИТЭФ) в г. Москва. Новые установки строятся в ГКБ им. Боткина г. Москвы, в городах Протвино и Пущино Московской области. К настоящему времени имеется опыт протонного облучения опухолей глаза, молочной и предстательной железы, женских половых органов более чем у 15000 больных.
С 1956 г. МКРЕ введена единица поглощенной дозы излучения «рад» (radiation absorbed dose), а единицей экспозиционной дозы в воздухе остался Рентген. Согласно Международной системе единиц (СИ)[117], с 1975 г. единицей измерения поглощенной дозы излучения стал Грей (Гр) – в честь британского ученого Louis Gray[118] (1905–1965), а эффективной и эквивалетной между различными излучениями с 1979 г. – Зиверт (Зв) – в честь шведского ученого Rolf Sievert (1896–1966) [155].
Основными направлениями работы радиологических отделений до конца прошлого века являлись поиск рациональных режимов дистанционной и сочетанной лучевой терапии, использование радиомодифицирующих агентов, таких как радиосенсибилизаторы и радиопротекторы (локальная гипер– и гипотермия, гипергликемия, антиоксиданты, гипоксические газовые смеси, электрон-акцепторные соединения, лекарственные препараты и др.), низкоинтенсивного лазерного излучения, протонная терапия гипофиза и рака молочной и предстательной желез, внедрение паллиативного и симптоматического облучения.
К настоящему времени для дистанционной лучевой терапии вместо гамма-аппаратов созданы уникальные линейные ускорители электронов (ЛУЭ), позволяющие проводить как конвенциональное[119] (2D-XRT), так и конформное[120] облучение (3D-CRT) в различных вариантах: Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) – модулируемое по интенсивности, Image-guided radiation therapy (IGRT) – корректируемое по изображению, SRT – стереотаксическое и VMat – подвижные методики [132, 133, 135]. По всему миру активно внедряется и «Кибер-нож» (“Cyberknife”) – установка, предложенная в 1992 г. американским нейрохирургом J.R. Adler, учеником Leksell, в соавторстве с Peter и Russell Schonberg. Эта радиохирургическая система представляет собой ЛУЭ с энергией 6 МэВ, расположенный на роботизированном манипуляторе, и предназначена для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей головного и спинного мозга, головы и шеи, легких, печени, поджелудочной и предстательной желез, костей. Облучение проводится фотонными пучками [134]. В настоящее время в мире насчитывается около 200 установок «Кибер-нож», в том числе три в России, первая из которых появилась в НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, где 27 апреля 2009 г. было проведено лечение первого больного [65].
Глава 6. Химиотерапевтическое лечение
Внедрению лекарственного лечения способствовало использование во время Первой и Второй мировых войн химического оружия, в частности применение немецкой армией иприта (горчичного газа)[121], что привлекло внимание ряда исследователей, поскольку поражение ипритом вызывало большое число инфекций в связи с подавлением гемопоэза. Еще в 1942 г., Louis S. Goodman и Alfred Gilman[122], фармакологи Министерства обороны США, начали исследовать последствия применения боевых отравляющих веществ.
Роль Второй мировой войны
2 декабря 1943 г. во время воздушной атаки нацистской Германии на Бари (Италия), длившейся всего 20 минут, были потоплены 17 грузовых судов союзников и повреждены ещё 6, в том числе американское судно «John Harvey» типа "Liberty"[123], шедшее под командованием капитана Elwin Knowles из Алжира в Италию и перевозившее 2000 газовых бомб типа M47A1, содержащих иприт. В результате обстрела погибло около 1000 моряков. Предположительно свыше 628 человек пострадали от выброса иприта, 83 из них скончалось. Точное количество пострадавших среди гражданского населения установить не удалось.
Как выяснил проводивший расследование последствий подполковник армии США Stewart Francis Alexander, поражение ипритом вызвало выраженное подавление гемопоэза. Используя эту информацию, Goodman и Gilman высказали предположение о возможности использования производных иприта в лечении лимфом, что и доказали в эксперименте на мышах. Затем, совместно с торакальным хирургом Gustaf Lindskog, они вводили мустин (соединение азотистого иприта) пациенту с неходжкинской лимфомой [66]. Хотя положительный эффект длился всего несколько недель и не привел к полной ремиссии, это было первой иллюстрацией того, что онкологические заболевания можно лечить фармакологическими средствами.
В 1931 г. английский гематолог Lucy Wills (1888–1964) работая в Индии, сообщила о том, что приём дрожжевого экстракта помогает лечить анемию у беременных женщин. В конце 1930-х гг. было доказано, что к такому эффекту приводила фолиевая кислота, содержащаяся в дрожжах. В 1941 г. она была получена Mitchell из листьев шпината [67], а в 1945 г. была впервые синтезирована химическим способом индийским биохимиком Yellapragada Subbarow[124] (1895–1948) [68], который позже синтезировал ее антагонист – аминоптерин (аналог метотрексата) – первый химиопрепарат, эффективный при лечении онкологических заболеваний, использующийся и сейчас.
Sidney Farber[125] (1903–1973), американский онколог, патолог и педиатр, основоположник современной химиотерапии, применил производные иприта при лейкозе у детей [69], а также, основываясь на результатах Wills, стал использовать фолиевую кислоту при лечении гемобластозов у детей, что было его ошибкой, поскольку фолиевая кислота приводила к прогрессированию заболевания. Это побудило Farber в 1947 г. использовать ее антагонист – аминоптерин, что привело к успеху – процент достижения ремиссий значительно возрос [70, 71].
К 1955 г. было показано успешное применение гормональных препаратов при различных новообразованиях у детей. В 1950 г. в клинике Mayo[126] американскими химиками Edward Calvin Kendall[127] (1886–1972) и Harold L. Mason был синтезированы кортизон, позже, в 1955 г., преднизолон, показавшие свою эффективность при лейкемии. В устных сообщениях того времени Farber докладывал о применении актиномицина-Д[128] на фоне лучевой терапии, который демонстрировал высокую активность при лечении нефробластомы.
В 1951 г. G. Hitchings (1905–1998) и его помощница G. Elion[129] (1918–1999), работавшие в компании “Burroughs-Wellcome” (в настоящее время – “GlaxoSmithKline”), синтезировали цитостатический препарат меркаптопурин, который с успехом использовался при лечении гемобластозов и других опухолей [72].
Полихимиотерапия
Но все эти препараты применялись в моно режиме, что не вызывало выраженного эффекта. Основываясь на предположении о том, что опухоли, резистентные к терапии одним препаратом, могут ответить на лечение комбинацией из 2–3 препаратов, американские врачи James Holland и Emil Frei (1924–2013), работавшие в Национальном институте по изучению рака, в 1965 г. предложили первые варианты полихимиотерапии острого лимфобластного лейкоза у детей по схеме, состоявшей из метотрексата, винкристина, 6-меркапопурина и преднизолона, добившись длительной ремиссии. Однако отдаленные результаты лечения оставались неудовлетворительными [73].
Выраженный прогресс был достигнут в 60 – 70-х гг. ХХ в., когда в клиническую практику вошли новые препараты. В 1954 г. Friedman и Seligman впервые синтезировали циклофосфамид [74]. В 50-х гг. из растения Catharanthus roseus был выделен винкристин, который изначально без эффекта использовался при лечении сахарного диабета. Однако у пациентов была отмечена миелосупрессия, и в 1963 г., после завершения клинических испытаний, препарат был разрешен FDA при лечении лейкозов [75]. В 1953 г. была синтезирована аспарагиназа [76].
В 1950 г. итальянская компания Farmitalia Research Laboratories начала разработки цитостатика на основе антибиотика, полученного от почвенных бактерий, взятых близ замка Castel del Monte[130]. Был выделен штамм Streptomyces peucetius, синтезирующий красный пигмент, и антибиотик, эффективный в отношении опухолей у мышей. Название нового вещества – даунорубицин – было образовано от названия племени даунийцев[131], проживавшего на территории Даунии, расположенной ранее в районе, где была найдена Streptomyces peucetius, и латинского слова rubis – красный [77]. Клинические испытания прошли в 60-хх гг. и препарат начал успешно применяться в лечении гемобластозов. Хотя в настоящее время он с успехом применяется при лечении многих онкологических заболеваний, к 1967 г. было доказано, что даунорубицин обладает кардиотоксичностью. Модифицированный вариант препарата, синтезированный в 1969 г. и названный адриамицин (в честь Адриатического моря), обладал меньшей токсичностью и большей противоопухолевой активностью [78, 79].
В последующем были синтезированы вепезид (в 1966 г.), ифосфомид и другие препараты [80].
Были обоснованы различные фазы терапии – индукция, консолидация, интенсификация и т. д. С ростом интенсивности химиотерапии на фоне развития сопроводительной терапии повышались и результаты лечения злокачественных опухолей у детей [81].