重離子束：打敗癌細(xì)胞的新一代“殺手”
【科技前沿】
編者按
近日，國家原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合科技部、公安部、生態(tài)環(huán)境部、交通運(yùn)輸部、國家衛(wèi)生健康委、國家醫(yī)療保障局、國家藥品監(jiān)督管理局7部門在京發(fā)布《醫(yī)用同位素中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，這是我國首個(gè)針對(duì)核技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)布的政策性文件。
去年以來，在我國科技工作者的努力下，核技術(shù)在抗疫中大顯身手，產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用越來越多，在打破國外技術(shù)壟斷，保障老百姓的生命安全中發(fā)揮了重要作用。更難得的是，我國核技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈完全自主可控，涌現(xiàn)出了一批從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的典型。本期一起了解一下中國科學(xué)院近代物理研究所研發(fā)的國內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)。
近年來，中科院近代物理所發(fā)布的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)成功應(yīng)用，受到社會(huì)的廣泛好評(píng)。國產(chǎn)碳離子治療系統(tǒng)凝聚了幾代中國科研人員的心血，走出了一條“基礎(chǔ)研究→技術(shù)研發(fā)→產(chǎn)品示范→產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”的全產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新之路，打破了我國高端放療市場(chǎng)被國外產(chǎn)品壟斷的局面。這條從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化成功“晉級(jí)”之路，在當(dāng)前具有一定的示范和借鑒意義。
核技術(shù)是對(duì)付癌細(xì)胞的“殺手”
碳離子治療系統(tǒng)是技術(shù)先進(jìn)的大型醫(yī)療系統(tǒng)，融合了加速器、核探測(cè)、醫(yī)學(xué)診療等相關(guān)技術(shù)。提供碳離子束用于癌癥的治療，它是如何做到的？
細(xì)胞是人體結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位。每個(gè)人體內(nèi)都有數(shù)十萬億計(jì)的細(xì)胞，它們每天有序“工作”，人體才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
但如果人體的正常細(xì)胞發(fā)生了病變，這個(gè)“生了病”的細(xì)胞就會(huì)變成另一副面孔。它不再有計(jì)劃地正常分裂，而是變得極具掠奪性，瘋狂搶占營養(yǎng)、惡性繁殖、生長(zhǎng)失控，這就是癌細(xì)胞。所以，一旦人類遭遇細(xì)胞癌變，往往會(huì)陷入一發(fā)不可收拾的局面。
面對(duì)癌細(xì)胞的“肆意妄為”，人類并非束手無策。藥物治療、手術(shù)切除和放射治療就成了人類消滅“腫瘤君”的3大手段。
放射治療是最常用的。作為一種物理治療手段，放射治療已有100多年歷史。在放療“1.0時(shí)代”，最常使用的射線是X射線，此外還有我們熟悉的伽馬射線，它們都被稱為傳統(tǒng)放療射線（光子放療）。
在對(duì)抗癌細(xì)胞時(shí)，傳統(tǒng)射線就像是一個(gè)蒙著眼睛的“殺手”，無法主動(dòng)辨別正常細(xì)胞和癌細(xì)胞，在進(jìn)入人體后實(shí)施無差別殺傷。
傳統(tǒng)射線這種自帶的屬性，對(duì)于患者而言，隨之而來的就是難以避免的副作用，甚至容易造成更為嚴(yán)重的并發(fā)癥。所以某種程度上，治療效果其實(shí)就是在“賭”，賭的是好細(xì)胞和癌細(xì)胞誰先扛不住。最可怕的是，經(jīng)常出現(xiàn)好細(xì)胞先死亡、癌細(xì)胞的生命力卻特別頑強(qiáng)的結(jié)果。
而隨著科技的發(fā)展，放射技術(shù)也在進(jìn)步，科研人員不斷尋找、創(chuàng)造、改良著可以利用的新手段，最終找到了比傳統(tǒng)射線這個(gè)“蒙眼殺手”更有智慧和本事的新一代“殺手”，它的名字叫“重離子束”。
中科院近代物理所這臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)的出現(xiàn)，意味著在抗擊癌癥的放療之路上，中國正式邁入了全面升級(jí)并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的放療“2.0時(shí)代”。
重離子束的原理和未來應(yīng)用前景
重離子是指原子序數(shù)大于2的原子失去電子的離子。
1903年，英國物理學(xué)家威廉·亨利·布拉格（William·Henry Bragg）與克里曼（Kleeman）在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到帶電粒子束進(jìn)入物質(zhì)后，會(huì)在某個(gè)深度形成一個(gè)劑量高峰，科學(xué)界稱之為“Bragg峰”，中文譯為“布拉格峰”。
這個(gè)“神奇”的現(xiàn)象引起了科學(xué)家的注意。1946年，美國人威爾遜首次提出用布拉格峰進(jìn)行腫瘤放療，他認(rèn)為，帶電粒子束進(jìn)入人體后不會(huì)像傳統(tǒng)射線那樣在沿途不斷地釋放能量，而會(huì)在某一特定深度（即腫瘤部位）釋放幾乎全部的能量。
這就意味著，帶電粒子束比傳統(tǒng)放療所使用的X射線、伽馬射線更具優(yōu)勢(shì)。同樣在美國，1975年勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室 (LBNL)實(shí)踐了首例使用重離子束對(duì)腫瘤放療的案例。
此后，日本、德國、中國相繼開展重離子束治療腫瘤的研究。
那么，這個(gè)叫重離子束的新一代“殺手”，在面對(duì)腫瘤時(shí)都升級(jí)了哪些技能？
精確區(qū)分?jǐn)澄摇＿@個(gè)技能叫作獨(dú)特的深度劑量分布。重離子束在穿越生物組織的過程中，沉積的劑量較小（坪區(qū)），也就是說在穿透過程中，重離子束只是路過并不施加傷害，這樣的話，正常細(xì)胞終于可以不再躺槍，有利于保護(hù)正常組織和關(guān)鍵器官；當(dāng)它到達(dá)癌細(xì)胞時(shí)，才開始放大招殺敵，就是所謂的劑量主要沉積在射程末端（峰區(qū)），這個(gè)現(xiàn)象就是前文提到的“布拉格峰”。
因此可以通過調(diào)節(jié)重離子的能量，使布拉格峰精確落在腫瘤處，從而進(jìn)行精準(zhǔn)殺滅，同時(shí)關(guān)愛健康組織。值得指出的是，布拉格峰現(xiàn)象是重離子束的自身屬性，簡(jiǎn)直是射線界“天使”。
治療周期更短。這個(gè)技能叫作相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)（RBE）高。重離子束進(jìn)入生物組織后，在“峰區(qū)”，也就是癌細(xì)胞聚集的地方，沉積的能量密度高，能量密度高就代表著強(qiáng)大的殺傷力，這會(huì)使得癌細(xì)胞DNA產(chǎn)生雙鏈斷裂的比例較高。都雙鍵斷裂了，癌細(xì)胞再想惡性繁殖也是很難很難了……
重離子的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)到底有多高呢？重離子相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)比常規(guī)光子射線的要高約3倍。因而，重離子束對(duì)癌細(xì)胞的“殺傷力”更大，治療次數(shù)相應(yīng)減少，從而縮短治療周期。
對(duì)氧依賴小，敏感性更強(qiáng)。這個(gè)技能叫作氧增比（OER）小。大量證據(jù)表明，腫瘤生長(zhǎng)于特有的異常血供系統(tǒng)，從而導(dǎo)致對(duì)腫瘤細(xì)胞的供氧和養(yǎng)分不足，稱之為乏氧細(xì)胞。然而，常規(guī)射線對(duì)于這些乏氧細(xì)胞并不敏感，如何提高瘤內(nèi)乏氧細(xì)胞的放射敏感性也是腫瘤放療的一個(gè)重要問題。
與常規(guī)光子放療不同，重離子束對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷不依賴于氧的存在。因?yàn)橹仉x子主要是通過電離形成的高密度二次電子的電離作用導(dǎo)致DNA雙鍵斷裂來殺滅癌細(xì)胞，重離子的氧增比小，可用于治療供血不足的乏氧腫瘤。
成像看得見，治癌精度高。這個(gè)技能叫作PET在線劑量驗(yàn)證。重離子束與生物組織的原子核相互作用后會(huì)產(chǎn)生正電子發(fā)射體，利用正電子發(fā)射體層技術(shù)（PET）進(jìn)行外部成像，并與治療計(jì)劃的CT圖像比對(duì)，可以對(duì)重離子束照射到體內(nèi)腫瘤的劑量分布進(jìn)行在線驗(yàn)證，保證治療的安全性。
正是以上四大技能，將重離子束控制在毫米級(jí)范圍內(nèi)，精確有效地殺滅腫瘤細(xì)胞，且對(duì)周圍健康組織的損傷達(dá)到最小，特別是對(duì)于不宜手術(shù)、對(duì)常規(guī)射線不敏感、常規(guī)射線治療后復(fù)發(fā)的部分腫瘤，均可接受重離子束的治療。
如果用一句話概括，那就是重離子放療精度高、療程短、療效好、副作用小。因此，由于自身獨(dú)特的物理和生物學(xué)特性，重離子束被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的放療射線，通常選碳離子束作為重離子放療射線。
重離子束治療：從基礎(chǔ)研究走向產(chǎn)業(yè)化
現(xiàn)代基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，往往涉及多學(xué)科交叉，需要先進(jìn)的科學(xué)裝置，這需要科研團(tuán)隊(duì)多年的努力和實(shí)驗(yàn)投入。
重離子束治療得以實(shí)現(xiàn)，難度非常大。它需要扎實(shí)的研究基礎(chǔ)，涉及核物理及其交叉學(xué)科的研究，還需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠產(chǎn)生巨大能量離子束流的大型加速器裝置。
這也就不難理解為什么國產(chǎn)碳離子治療系統(tǒng)會(huì)誕生于中國科學(xué)院近代物理研究所。
多年前，中科院近代物理所就致力于核物理基礎(chǔ)研究及相關(guān)應(yīng)用研究，聚集了一大批科研人才，而且實(shí)驗(yàn)條件非常好，建成了多代的大型重離子加速器裝置。
在這些裝置基礎(chǔ)上，中科院近代物理所的基礎(chǔ)研究工作非常扎實(shí)，多個(gè)團(tuán)隊(duì)開展了大量的細(xì)胞試驗(yàn)、動(dòng)物試驗(yàn)以及臨床前期研究，摸清了重離子束流殺傷腫瘤細(xì)胞的基本原理，掌握了建設(shè)醫(yī)用重離子加速器的關(guān)鍵核心技術(shù)，為我國重離子治癌事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
打牢了基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)，應(yīng)用研究就比較順暢。他們開始探索加速器制造業(yè)，創(chuàng)立了新技術(shù)公司，憑借多年的積累，成為重離子治癌從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的重要橋梁，研制并建成了我國首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器——中國碳離子治療系統(tǒng)。
中國碳離子治療系統(tǒng)由ECR離子源、回旋加速器、同步加速器、治療終端以及束流傳輸線組成，擁有60余項(xiàng)專利，其中2項(xiàng)獲中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)，采用回旋注入與同步主加速相結(jié)合的技術(shù)路線以及電荷剝離注入、緊湊型同步加速器、多治療模式和個(gè)性化治療室布局的獨(dú)特設(shè)計(jì)，不僅突破了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，還提高了性價(jià)比、降低了運(yùn)行維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)重離子放療設(shè)備零的突破。
根據(jù)國際和國內(nèi)重離子治療癌癥研究數(shù)據(jù)，對(duì)于一些腫瘤，使用重離子束放療是目前損傷最小、效果最好的手段，比如肺癌、肝癌、黑色素瘤、顱底惡性腫瘤、脊索瘤、骨與軟組織腫瘤等對(duì)常規(guī)放射治療相對(duì)不敏感的實(shí)體腫瘤。根據(jù)臨床試驗(yàn)表明，重離子放療能有效控制分布于頭頸部、胸部、腹部及盆腔的腫瘤。
國產(chǎn)碳離子治療系統(tǒng)凝聚了幾代科研人員的心血，實(shí)踐了一條從“基礎(chǔ)研究→技術(shù)研發(fā)→產(chǎn)品示范→產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”的全產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新之路，打破我國高端放療市場(chǎng)被國外產(chǎn)品壟斷的局面。
目前，全球共有11家運(yùn)營中的重離子醫(yī)院，分布于日本、德國、奧地利、意大利和中國；還有5臺(tái)在建的治癌專用加速器。全球范圍內(nèi)，重離子醫(yī)院已累計(jì)治療腫瘤患者約3萬人。
碳離子治療系統(tǒng)只是中科院近代物理所及蘭州重離子加速器實(shí)驗(yàn)室眾多研究成果中的一項(xiàng)。依托蘭州重離子加速器，中科院近代物理所已經(jīng)形成了以重離子科學(xué)與技術(shù)為核心，既可探索宇宙中元素起源等重大基本科學(xué)問題，又能促進(jìn)能源、材料、生物醫(yī)學(xué)等技術(shù)變革的學(xué)科群，并取得了一大批原始創(chuàng)新成果。
（本報(bào)記者 袁于飛 本報(bào)通訊員 袁海博 高靜一）
