Введение. В настоящее время в лучевой терапии ускоренными заряженными частицами наиболее часто используются протоны, основным преимуществом которых является возможность высокоточного равномерного облучения даже небольшого объема мишени без дополнительного воздействия на окружающие здоровые ткани. Величина относительной биологической эффективность (ОБЭ) протонов практически не отличается от фотонов и в клинической практике при планировании облучения применяется коэффициент, равный 1.1. В последние годы фиксированное значение ОБЭ ставится под сомнение с позиции оценки безопасности и эффективности лечения, так как если доза в опухоли занижена, то риск рецидивирования увеличивается, а если завышена, то возрастает вероятность возникновения побочных эффектов. Основной проблемой при исследовании действия ускоренных частиц на биологические объекты является то, что величина ОБЭ зависит от многих факторов, как биологического характера: вида, пола, возраста животного; линии культивируемых клеток млекопитающих; метода регистрации повреждений, концентрации кислорода в тканях, стадии клеточного цикла, условий культивирования in vitro и метаболизма in vivo, так и физико-технических характеристик облучения: способа доставки и расчета дозы, дозы за фракцию, величины линейной передачи энергии (ЛПЭ) частиц (облучение до пика или в пике Брэгга), состава и однородности пучка ионов и вторичного излучения.

Цель. Определение относительной биологической эффективности тонкого сканирующего пучка протонов в зависимости от линейной передачи энергии частиц при тотальном облучении мышей в дозах 6.5–8.5 Гр по критерию 30-суточной выживаемости.

Материалы и методы. Эксперименты проводили в соответствии с международными требованиями на 2-месячных самцах мышей колонии SHK, которых содержали в стандартных условиях вивария ИТЭБ РАН. В работе было использовано 120 мышей. Каждую из групп делили на подгруппы (n=10–15) для облучения разными видами излучения и дозами. По отдельным экспериментальным точкам проведено 2–3 независимых эксперимента.

Животных облучали тотально в индивидуальных хорошо вентилируемых контейнерах. Облучение животных протонами проводили на комплексе протонной терапии ФТЦ ФИАН (Протвино) тонким сканирующим пучком с одного направления в импульсном режиме (длительность импульса 200 мс, 1 импульс в 2 с) и сигмой пучка – 2.8–3.6 мм в двух областях кривой Брэгга дозами 6.5–8.5 Гр. При облучении до пика Брэгга протонами с энергией частиц 150 МэВ ЛПЭ, рассчитанная по программе планирования, составляла 0.7±0.04 кэВ/мкм, а в пике Брэгга энергия частиц на выходе из ускорителя была 91–123 МэВ при среднем значении ЛПЭ 2.5±0.7 кэВ/мкм. Контроль дозы проводили дозиметром PTW UNIDOS (Германия) и дозиметрической пленкой (EBT3, США) с погрешностью поглощенной дозы ~5%.

Для определения коэффициента ОБЭ контрольные группы мышей были облучены жестким рентгеновским излучением (РИ) на установке РУТ (200 кВ, 2 кэВ/мкм, 1 Гр/мин; ЦКП “Источники излучения” ИБК, Пущино). Затем в течение 30 сут после радиационного воздействия ежедневно учитывали число павших животных, а также мышей взвешивали дважды в неделю. По итогам наблюдений получали кривые выживаемости, по которым оценивали динамику гибели и среднюю продолжительность жизни (СПЖ) погибших от облучения мышей.

Результаты и обсуждение. Было обнаружено, что выживаемость мышей после облучения протонами как до пика, так и в пике Брэгга в исследованном диапазоне зависит от дозы. При дозе 6.5 Гр динамика гибели животных практически не отличалась и к 30-м суткам выживаемость в пике составила 70%, а до пика – 80%. Существенное различие в динамике гибели наблюдали только при 7.5 Гр: в пике Брэгга основная масса животных погибла с 10 по 13 сут, тогда, как до пика гибель проходила равномерно на протяжении всех 30 сут. Во всех группах не зависимо от величины дозы наблюдалась максимальная потеря веса мышей до 25–30 % на 12–14 сут после облучения протонами. СПЖ погибших животных составила для групп 6.5 Гр: в пике Брэгга – 18±4 сут, до пика – 14±4 сут; 7.5 Гр: в пике Брэгга – 14±7 сут, до пика – 17±9 сут; 8.5 Гр: в пике Брэгга - 12±4 сут, до пика – 14±5 сут. Для определения величины дозы ЛД50/30, при которой выживает 50% животных в течение месяца, и которая является базовой радиобиологической характеристикой излучения, в качестве метода преобразования кривых смертности был использован пробит-анализ, с помощью которого были вычислены значения ЛД50/30: для протонов до пика Брэгга оно равнялось 7.6 Гр, в пике Брэгга – 6.9 Гр, а для РИ – 5.5 Гр. По критерию значений ЛД50/30 была вычислена величина ОБЭ до и в пике Брэгга, которая составила 0.72 и 0.80 соответственно, и статистически значимой разницы между величинами выявлено не было. Полученные значения согласуются с результатами ряда исследований определения ОБЭ по острым кожным реакциям мышей при облучении пучком протонов в пике Брэгга задней лапы и жесткого РИ, где величина ОБЭ находится в диапазоне 0.85–0.97. В экспериментах на культурах и тканях млекопитающих при оценке краткосрочных эффектов протонов при аналогичных дозах было определено, что в низком диапазоне ЛПЭ 0.3–10 кэВ/мкм величина ОБЭ протонов ниже или близка 1, то есть при 2–3- кратном увеличении ЛПЭ не наблюдается роста ОБЭ, в отличие от таких ускоренных частиц, которые применяются в радиотерапии, как ионы углерода и нейтроны, ЛПЭ которых значительно выше протонов. В нашей работе показано, что ОБЭ протонов с энергией 90–150 МэВ по критерию выживаемости мышей близко к 1 и не зависит от ЛПЭ. Полученные данные позволят более широко использовать возможности комплекса “Прометеус” для разработки современных схем терапии, поиска новых радиопротекторов, а также корректировки радиационных рисков от галактических космических лучей при длительных полетах.

Introduction. Currently, protons are most often used in radiation therapy with accelerated charged particles. The value of the relative biological effectiveness (RBE) of protons practically does not differ from that of photons, and in clinical practice, when planning exposure, a coefficient equal to 1.1 is used. In recent years, the fixed RBE value has been questioned from the standpoint of safety assessment, because if the dose in the tumor is too low, the risk of recurrence increases, and if it is too high, the probability of side effects increases. In recent years, the fixed RBE value has been questioned from the standpoint of safety assessment and efficacy of treatment, because if the dose in the tumor is too low, the risk of recurrence increases, and if it is too high, the probability of side effects increases. The RBE value depends on many factors, both of the biological nature (species, sex, and age of the animal; cultured mammalian cell lines; damage detection method, oxygen concentration in tissues; cell cycle stage; and conditions of in vitro cultivation and in vivo metabolism) and the physical and technical characteristics of irradiation (method of delivery and dose calculation, dose per fraction, linear energy transfer (LET) of particles (exposure before or at Bragg peak), composition and uniformity of the ion beam, and secondary radiation).

Purpose. Determination of the value of RBE of a pencil scanning proton beam depending on the linear energy transfer of particles after total irradiation of mice at doses of 6.5–8.5 Gy using the 30-day survival test.

Materials and methods. The experiments were carried out in accordance with international requirements on 2-month-old male mice of the SHK colony, which were kept under standard vivarium conditions (ITEB RAS). A total of 120 mice were used in the work. Each of the groups was divided into subgroups (n = 10–15) for exposure to different types of radiation and doses. For individual experimental points, two or three independent experiments were performed. Animals were irradiated totally in individual well ventilated containers.

Animals were irradiated with protons at the proton therapy complex Prometheus of the PTC LPI RAS (Protvino) with a thin scanning beam from one direction in a pulsed mode (pulse duration 200 ms, 1 pulse per 2 s) and a beam sigma of 2.8–3.6 mm in two ranges of the Bragg curve with doses of 6.5–8.5 Gy. Under irradiation before the Bragg peak with protons with a particle energy of 150 MeV, the LET, which was calculated using the planning program, was 0.7±0.04 keV/µm. At the Bragg peak, the particle energy at the accelerator output was 91–123 MeV, with an average LET value of 2.5±0.7 keV/µm. Dose control was performed with a PTW UNIDOS dosimeter (Germany) and a dosimetric film (EBT3, United States), absorbed dose error of ~ 5%.

To determine the RBE coefficient, the control groups of mice were irradiated with hard X-ray radiation on an RUT device (200 kV, 2 keV/µm, 1 Gy/min; Shared-Use Equipment Center "Ionizing Radiation Sources Sector", Institute of Cell Biophysics, Pushchino). Then, within 30 days after the radiation exposure, the number of dead animals was counted daily, and the mice were weighed twice a week. The survival curves were obtained, according to which the dynamics of death and the average life span (AL) of the mice that died from irradiation were estimated.

Results and discussion. It was shown that survival of mice after irradiation with protons before and at the Bragg peak within the dose range studied, depended on the dose. The dynamics of death of animals under irradiation at a dose of 6.5 Gy practically did not differ, and by the 30th day the survival rate at the Bragg peak was 70%, and before the peak – 80%. A significant difference in the dynamics of death was observed only at 7.5 Gy: at the Bragg peak, the majority of animals died from days 10 to 13, and before the peak, death took place evenly throughout all 30 days. In all groups, regardless of the dose, the maximum weight loss of mice up to 25–30% was observed on days 12–14 after proton irradiation. The AL of dead animals was as follows: 1) at a dose of 6.5 Gy: at the Bragg peak – 18±4 days, before the peak – 14±4 days; 2) at a dose of 7.5 Gy: at the Bragg peak – 14±7 days, before the peak – 17±9 days; 3) at a dose of 8.5 Gy: at the Bragg peak – 12 ± 4 days, before the peak – 14 ± 5 days.

To determine the LD50/30 dose value, at which 50% of animals survive for 1 month and which is the basic radiobiological characteristic of radiation, probit analysis was used as a method for transforming mortality curves, on the basis of which LD50/30 values were calculated: for protons before the Bragg peak it was equal – 7.6 Gy, at the Bragg peak – 6.9 Gy, and for X-Ray – 5.5 Gy. According to the criterion of LD50/30 values, the RBE values before and at the Bragg peak were counted, which were 0.72 and 0.80, respectively; no statistically significant difference between the values was found. The obtained values are consistent with the results of a number of studies on the RBE determination by the acute skin reactions of mice irradiated at the hind leg with a proton beam at the Bragg peak and with hard X-ray radiation, where the RBE value is in the range of 0.85–0.97. Experiments on mammalian cultures and tissues on assessing the short-term effects of protons at similar doses showed that, in the low LET range of 0.3-10 keV/µm, the RBE of protons was below or close to 1, that is, in the case of 2–3-fold increase in LET, no increase in RBE was observed, in contrast to other accelerated particles that are used in radiotherapy, the LET of which is much higher.

The data obtained will allow a wider use of the capabilities of the proton therapy complex Prometheus for the development of advanced therapy schemes, the search for new radioprotectors, as well as the clarification of radiation risks from galactic cosmic rays during long-term flights.