mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577j.met202406.596mateltech-596Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYФормирование смешанного источника эпитепловых нейтронов и сканирующего пучка протонов на КПТ «Прометеус» для лечения опухолей в режиме флэш-терапииFormation of a mixed source of epithelial neutrons and a scanning proton beam at Prometheus CРT for the treatment of tumors in flash therapy modeСиксинВ. В.SiksinV. V.

Ленинский просп., д. 53, Москва, 119991

Сиксин Виктор Валентинович — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

53 Leninsky Ave., Moscow 119991

Viktor V. Siksin — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

antktech@inbox.ruЩеголевИ. Ю.ShchegolevI. Yu.

ул. Октябрьская, д. 78, Сафоново, Смоленская обл., 215500

Щеголев И.Ю. — зам. главного химика – начальника ЦЗЛ по исследовательским работам

78 Oktyabrskaya Str., Safonovo, Smolensk Region 215500

Igor Yu. Shchegolev — Head of the TSL Product Quality Research Sector

antktech@inbox.ruФизический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наукРоссияLebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationАО “Авангард”РоссияAvangard JSCRussian Federation202425072024274358368Copyright © Сиксин В.В., Щеголев И.Ю., 20252025Сиксин В.В., Щеголев И.Ю.Siksin V.V., Shchegolev I.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/596

На медицинском ускорителе «Прометеус» был сконструирован замедленных нейтронов и сканирующий высокоинтенсивный карандашный пучок протонов для облучения опухоли в режиме флэш-терапии дозой 50—70 Гр. Для получения быстрых нейтронов, а затем замедленных применялась нейтронообразующая мишень. Специальная конструкция нейтронопроизводящей мишени позволяла за несколько импульсов ускорителя облучать внешнюю поверхность опухоли сканирующими спотами протонов и одновременно всю область опухоли замедленными нейтронами. Применяя разработанные новые композиты для защиты от нейтронов, был сконструирован канал смешанного пучка – замедленных нейтронов и сканирующих протонных спотов. С помощью ионизационной падовой камеры на «теплой жидкости» измерены профили мощности эквивалентной дозы на выходе канала для нейтронной компоненты канала. Карандашный протонный пучок, сканируя всю внешнюю поверхность опухоли и последовательно изменяя глубину сканирования, должен разрушить поверхностные кровеносные сосуды на внешней поверхности опухоли. Нейтронный источник за один импульс ускорителя одновременно с протонами облучает всю внутреннюю область опухоли и усиливает общую дозовую составляющую при облучении опухоли. Предложено усилить действие сканирующего по поверхности опухоли протонного пучка за счет дополнительного дозообразования от радиосенсибилизаторов на основе наночастиц золота.

On a medical accelerator “Prometheus“ at an energy of 200 MeV, a mixed secondary beam of delayed neutrons and a scanning high-intensity pencil beam of protons were designed to irradiate the tumor in flash therapy mode with a dose of 50–70 Gray. A neutron-forming target was used to produce fast neutrons and then delayed neutrons. The special design of the neutron-producing target allowed for several pulses of the accelerator to irradiate the outer surface of the tumor with scanning spots of protons and simultaneously irradiate the entire tumor area with delayed neutrons. Using the developed new composites for neutron protection, a mixed beam channel was constructed: delayed neutrons and scanning proton spots. The power profiles of the equivalent dose at the outlet of the channel for the neutron component of the channel were measured using an ionization pad chamber on a “warm liquid”. The pencil proton beam, scanning the entire outer surface of the tumor and sequentially changing the scanning depth, should destroy the superficial blood vessels on the outer surface of the tumor. The average radiation dose per session should be 50–70 Gray. A neutron beam simultaneously with protons during a flash therapy session irradiates the entire tumor area and has a combined value, working in the mode of the neutron capture dose-forming component of this treatment method, in the presence of the introduction of the desired sensitizer. It is proposed to enhance the effect of a proton beam scanning the tumor surface, due to additional dose generation from radio sensitizers based on nano-gold particles.

композитный наносфеопластиккомбинированная протонная и нейтронная флэш-терапиянаночастицы золотаcomposite nano-spheroplasticcombined proton and neutron flash therapynano-particles of goldРабота выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения № 075-15-202.The work was carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of Russia under Agreement No. 075-15-202.ReferencesПат. (РФ) № 2808930 МПК A61N5/10 G21C5/02 G21K1/02. Сиксин В.В., Рябов В.А., Завестовская И.Н. Устройство для формирования пучка нейтронов на протонном ускорителе комплекса «Прометеус». Заявл.: 05.12.2023; опубл. 05.12.2023. Режим доступа: https://patenton.ru/patent/RU2808930C1Pat. (RU) No. 2808930 IPC A61N5/10 G21C5/02 G21K1/02. Siksin V.V., Ryabov V.A., Zavestovskaya I.N. Device for forming a neutron beam at the proton accelerator of the Prometheus complex. Appl.: 05.12.2023; publ. 05.12.2023. Avaliable at: https://patenton.ru/patent/RU2808930C1Butterworth K.T., McMahon S.J., Currell F.J., Prise K.M. Physical basis and biological mechanisms of gold nanoparticle radiosensitization. Nanoscale. 2012; 4(16): 4830. https://doi.org/10.1039/c2nr31227aButterworth K.T., McMahon S.J., Currell F.J., Prise K.M. Physical basis and biological mechanisms of gold nanoparticle radiosensitization. Nanoscale. 2012; 4(16): 4830. https://doi.org/10.1039/c2nr31227aHubbell J.H., Seltzer S.M. Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest. National Bureau of Standards; 1995. 111 p. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.5632Hubbell J.H., Seltzer S.M. Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest. National Bureau of Standards; 1995. 111 p. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.5632Cui L., Her S., Borst G.R., Bristow R.G., Jaffray D.A., Allen Ch. Radiosensitization by gold nanoparticles: will they ever makeit to the clinic? Radiotherapy and Oncology. 2017; 124(3): 344—356. https://doi.org/10.1016/j.radonc.2017.07.007Cui L., Her S., Borst G.R., Bristow R.G., Jaffray D.A., Allen Ch. Radiosensitization by gold nanoparticles: will they ever makeit to the clinic? Radiotherapy and Oncology. 2017; 124(3): 344—356. https://doi.org/10.1016/j.radonc.2017.07.007Gerosa C., Crisponi G., Nurchi V.M., Saba L., Cappai R., Cau F., Faa G., Van Eyken P., Scartozzi M., Floris G., Fanni D. Gold nanoparticles: a new golden era in oncology? Pharmaceuticals (Basel). 2020; 13(8): 192. https://doi.org/10.3390/ph13080192Gerosa C., Crisponi G., Nurchi V.M., Saba L., Cappai R., Cau F., Faa G., Van Eyken P., Scartozzi M., Floris G., Fanni D. Gold nanoparticles: a new golden era in oncology? Pharmaceuticals (Basel). 2020; 13(8): 192. https://doi.org/10.3390/ph13080192Jain S., Hirst D.G., O’Sullivan J.M. Gold nanoparticles as novel agents for cancer therapy. The British Journal of Radiology. 2012; 85(1010): 101—103. https://doi.org/10.1259/bjr/59448833Jain S., Hirst D.G., O’Sullivan J.M. Gold nanoparticles as novel agents for cancer therapy. The British Journal of Radiology. 2012; 85(1010): 101—103. https://doi.org/10.1259/bjr/59448833Chen Y., Yang J., Fu S., Wu J. Gold nanoparticles as radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 2020; 15: 9407—9430. https://doi.org/10.2147/IJN.S272902Chen Y., Yang J., Fu S., Wu J. Gold nanoparticles as radiosensitizers in cancer radiotherapy. International Journal of Nanomedicine. 2020; 15: 9407—9430. https://doi.org/10.2147/IJN.S272902Torrisi L. Physical aspects of gold nanoparticles as cancer killer therapy. Indian Journal of Physics. 2021; 95: 225—234. https://doi.org/10.1007/s12648-019-01679-1Torrisi L. Physical aspects of gold nanoparticles as cancer killer therapy. Indian Journal of Physics. 2021; 95: 225—234. https://doi.org/10.1007/s12648-019-01679-1Penninckx S., Heuskin A.C., Michiels C., Lucas S. Gold nanoparticles as a potent radiosensitizer: а transdisciplinary approach from physics to patient. Cancers. 2020; 12(8): 1—36. https://doi.org/10.3390/cancers12082021Penninckx S., Heuskin A.C., Michiels C., Lucas S. Gold nanoparticles as a potent radiosensitizer: а transdisciplinary approach from physics to patient. Cancers. 2020; 12(8): 1—36. https://doi.org/10.3390/cancers12082021Kuncic Z., Lacombe S. Nanoparticle radio-enhancement: principles, progress and application to cancer treatment. Physics in Medicine and Biology. 2018; 63(2): 02tr1. https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa99ceKuncic Z., Lacombe S. Nanoparticle radio-enhancement: principles, progress and application to cancer treatment. Physics in Medicine and Biology. 2018;63(2):02tr1. https://doi.org/10.1088/1361-6560/aa99ceVerkhovtsev A., Korol A.V., Solov’yov A.V. Irradiation-induced processes with atomic clusters and nanoparticles. In: Solov’yov A.V. (ed.). Nanoscale insights into ion-beam cancer therapy. Cham: Springer International Publishing; 2017. P. 237—276.Verkhovtsev A., Korol A.V., Solov’yov A.V. Irradiation-induced processes with atomic clusters and nanoparticles. In: Solov’yov A.V. (ed.). Nanoscale insights into ion-beam cancer therapy. Cham: Springer International Publishing; 2017. P. 237—276.Peukert D., Kempson I., Douglass M., Bezak E. Metallic nanoparticle radiosensitisation of ion radiotherapy: a review. Physica Medica. 2018; 47: 121—128. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2018.03.004Peukert D., Kempson I., Douglass M., Bezak E. Metallic nanoparticle radiosensitisation of ion radiotherapy: a review. Physica Medica. 2018; 47: 121—128. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2018.03.004Бушманов А.Ю., Шейно И.Н., Липенгольц А.А., Соловьев А.Н., Корякин С.Н. Перспективы применения комбинированных технологий в протонной терапии злокачественных новообразований. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2019; 64(3): 11—18. https://doi.org/10.12737/article_5cf237bf846b67.57514871Bushmanov Y., Sheino I.N., Lipengolts A.A., Solovyov A.N., Koryakin S.N. Prospects of proton therapy combined technologies in the treatment of cancer. Medical Radiology and Radiation Safety. 2019; 64(3): 11—18. (In Russ.). https://doi.org/10.12737/article_5cf237bf846b67.57514871Walzlein C., Scifoni E., Kramer M., Durante M. Simulations of dose enhancement for heavy atom nanoparticles irradiated by protons. Physics in Medicine and Biology. 2014; 59(6): 1441—1458. https://doi.org/10.1088/0031-9155/59/6/1441Walzlein C., Scifoni E., Kramer M., Durante M. Simulations of dose enhancement for heavy atom nanoparticles irradiated by protons. Physics in Medicine and Biology. 2014; 59(6): 1441—1458. https://doi.org/10.1088/0031- 9155/59/6/1441Пат. (РФ) № 2695273 МПК A61N 5/10. Балакин В.E.,Балакин П.В. Способ протонной терапии при лечении онкологических заболеваний. Заявл.: 13.06.2018; опубл. 22.07.2019. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2695273C1_20190722Pat. (RU) No 2695273 IPC A61N 5/10. Balakin V.E.,Balakin P.V. Proton therapy method in treating oncological diseases. Appl.: 13.06.2018; publ. 22.07.2019. Avaliable at: https://yandex.ru/patents/doc/RU2695273C1_20190722Малютин Е.В., Сиксин В.В., Шемяков А.Е., Щеголев И.Ю. Защитные свойства материала ПОВ-40 в условиях облучения вторичными нейтронами и гамма-квантами. Медицинская физика. 2019; (4(84)): 75—79.Malutin E.V., Siksin V.V., Shemyakov A.E., Sgegolev I.Ju. Protective properties of the РОV-40 material under conditions of irradiation with secondary neutrons and gamma rays. Meditsinskaya fizika = Medical Physics. 2019; (4(84)): 75–79. (In Russ.)Пат. (РФ) № 2712044 МПК C08G 18/58, C08G 59/14, B32B 27/38. Щеголев И.Ю., Емельянов В.М. Эпоксиуретановое связующее с увеличенной огнестойкостью, тепло- и термостойкостью. Заявл.: 22.08.2019; опубл.: 24.01.2020. Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2712044C1_20200124Pat. (RU) No 2712044 IPC C08G 18/58, C08G 59/14, B32B 27/38. Shchegolev I.Yu., Yemelyanov V.M. Epoxy-urethane binder with increased fire-resistance, heat and thermo-resistance. Appl.: 22.08.2019; publ. 24.01.2020. Avaliable at: https://yandex.ru/patents/doc/RU2712044C1_20200124Бормотов А.Н., Прошин А.П., Баженов Ю.М., Данилов А.М., Соколова Ю.А. Полимерные композиционные материалы для защиты от радиации. М.: Палеотип; 2006. С. 26. 272 с.Bormotov A.N., Proshin A.P., Bazhenov Yu.M., Danilov A.M., Sokolova Yu.A., Polymer composite materials for radiation protection. Moscow: Paleotip; 2006. 272 p.Милинчук В.К. Радиационная химия. Соросовский Образовательный Журнал. 2000; 6(4): 24—29.Milinchuk V.K. Radiation chemistry. Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal = Soros Educational Journal. 2000; 6(4): 24—29. (In Russ.)Сиксин В.В. Пилотная установка по очистке «теплой жидкости» тетраметилсилана и проведения «неускорительных экспериментов». Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019; 22(2): 118—127. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-118-127Siksin V.V. Pilot installation for the purificationof the “warm liquid” of tetramethylsilane and conducting “non-accelerating experiments”. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019; 22(2): 118—127. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-118-127

The authors declare that there are no conflicts of interest present.