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重离子束:打败癌细胞的新一代“杀手”

2021-08-12 10:16     来源:光明网     重离子治疗核技术
近日,国家原子能机构联合科技部、公安部、生态环境部、交通运输部、国家卫生健康委、国家医疗保障局、国家药品监督管理局7部门在京发布《医用同位素中长期发展规划(2021-2035年)》,这是我国首个针对核技术在医疗卫生应用领域发布的政策性文件。

去年以来,在我国科技工作者的努力下,核技术在抗疫中大显身手,产业化的应用越来越多,在打破国外技术垄断,保障老百姓的生命安全中发挥了重要作用。更难得的是,我国核技术产业链完全自主可控,涌现出了一批从基础研究到产业化应用的典型。本期一起了解一下中国科学院近代物理研究所研发的国内首台拥有自主知识产权的碳离子治疗系统。

近年来,中科院近代物理所发布的拥有自主知识产权的碳离子治疗系统成功应用,受到社会的广泛好评。国产碳离子治疗系统凝聚了几代中国科研人员的心血,走出了一条“基础研究技术研发产品示范产业化应用”的全产业链自主创新之路,打破了我国高端放疗市场被国外产品垄断的局面。这条从基础研究到产业化成功“晋级”之路,在当前具有一定的示范和借鉴意义。


我国基础研究的科研人员在工作。新华社发

核技术是对付癌细胞的“杀手”

碳离子治疗系统是技术先进的大型医疗系统,融合了加速器、核探测、医学诊疗等相关技术。提供碳离子束用于癌症的治疗,它是如何做到的?

细胞是人体结构和生理功能的基本单位。每个人体内都有数十万亿计的细胞,它们每天有序“工作”,人体才能正常运转。

但如果人体的正常细胞发生了病变,这个“生了病”的细胞就会变成另一副面孔。它不再有计划地正常分裂,而是变得极具掠夺性,疯狂抢占营养、恶性繁殖、生长失控,这就是癌细胞。所以,一旦人类遭遇细胞癌变,往往会陷入一发不可收拾的局面。

面对癌细胞的“肆意妄为”,人类并非束手无策。药物治疗、手术切除和放射治疗就成了人类消灭“肿瘤君”的3大手段。

放射治疗是最常用的。作为一种物理治疗手段,放射治疗已有100多年历史。在放疗“1.0时代”,最常使用的射线是X射线,此外还有我们熟悉的伽马射线,它们都被称为传统放疗射线(光子放疗)。

在对抗癌细胞时,传统射线就像是一个蒙着眼睛的“杀手”,无法主动辨别正常细胞和癌细胞,在进入人体后实施无差别杀伤。

传统射线这种自带的属性,对于患者而言,随之而来的就是难以避免的副作用,甚至容易造成更为严重的并发症。所以某种程度上,治疗效果其实就是在“赌”,赌的是好细胞和癌细胞谁先扛不住。最可怕的是,经常出现好细胞先死亡、癌细胞的生命力却特别顽强的结果。


我国基础研究的科研人员在工作。新华社发

而随着科技的发展,放射技术也在进步,科研人员不断寻找、创造、改良着可以利用的新手段,最终找到了比传统射线这个“蒙眼杀手”更有智慧和本事的新一代“杀手”,它的名字叫“重离子束”。

中科院近代物理所这台拥有自主知识产权的碳离子治疗系统的出现,意味着在抗击癌症的放疗之路上,中国正式迈入了全面升级并且拥有自主知识产权的放疗“2.0时代”。

重离子束的原理和未来应用前景

重离子是指原子序数大于2的原子失去电子的离子。

1903年,英国物理学家威廉·亨利·布拉格(William·Henry Bragg)与克里曼(Kleeman)在实验中观测到带电粒子束进入物质后,会在某个深度形成一个剂量高峰,科学界称之为“Bragg峰”,中文译为“布拉格峰”。

这个“神奇”的现象引起了科学家的注意。1946年,美国人威尔逊首次提出用布拉格峰进行肿瘤放疗,他认为,带电粒子束进入人体后不会像传统射线那样在沿途不断地释放能量,而会在某一特定深度(即肿瘤部位)释放几乎全部的能量。

这就意味着,带电粒子束比传统放疗所使用的X射线、伽马射线更具优势。同样在美国,1975年劳伦斯伯克利实验室 (LBNL)实践了首例使用重离子束对肿瘤放疗的案例。

此后,日本、德国、中国相继开展重离子束治疗肿瘤的研究。

那么,这个叫重离子束的新一代“杀手”,在面对肿瘤时都升级了哪些技能?

精确区分敌我。这个技能叫作独特的深度剂量分布。重离子束在穿越生物组织的过程中,沉积的剂量较小(坪区),也就是说在穿透过程中,重离子束只是路过并不施加伤害,这样的话,正常细胞终于可以不再躺枪,有利于保护正常组织和关键器官;当它到达癌细胞时,才开始放大招杀敌,就是所谓的剂量主要沉积在射程末端(峰区),这个现象就是前文提到的“布拉格峰”。

因此可以通过调节重离子的能量,使布拉格峰精确落在肿瘤处,从而进行精准杀灭,同时关爱健康组织。值得指出的是,布拉格峰现象是重离子束的自身属性,简直是射线界“天使”。


2021年7月9日,高海拔宇宙线观测站测定“标准烛光”超高能段亮度。新华社发

治疗周期更短。这个技能叫作相对生物学效应(RBE)高。重离子束进入生物组织后,在“峰区”,也就是癌细胞聚集的地方,沉积的能量密度高,能量密度高就代表着强大的杀伤力,这会使得癌细胞DNA产生双链断裂的比例较高。都双键断裂了,癌细胞再想恶性繁殖也是很难很难了……

重离子的相对生物学效应到底有多高呢?重离子相对生物学效应比常规光子射线的要高约3倍。因而,重离子束对癌细胞的“杀伤力”更大,治疗次数相应减少,从而缩短治疗周期。

对氧依赖小,敏感性更强。这个技能叫作氧增比(OER)小。大量证据表明,肿瘤生长于特有的异常血供系统,从而导致对肿瘤细胞的供氧和养分不足,称之为乏氧细胞。然而,常规射线对于这些乏氧细胞并不敏感,如何提高瘤内乏氧细胞的放射敏感性也是肿瘤放疗的一个重要问题。

与常规光子放疗不同,重离子束对肿瘤细胞的杀伤不依赖于氧的存在。因为重离子主要是通过电离形成的高密度二次电子的电离作用导致DNA双键断裂来杀灭癌细胞,重离子的氧增比小,可用于治疗供血不足的乏氧肿瘤。

成像看得见,治癌精度高。这个技能叫作PET在线剂量验证。重离子束与生物组织的原子核相互作用后会产生正电子发射体,利用正电子发射体层技术(PET)进行外部成像,并与治疗计划的CT图像比对,可以对重离子束照射到体内肿瘤的剂量分布进行在线验证,保证治疗的安全性。

正是以上四大技能,将重离子束控制在毫米级范围内,精确有效地杀灭肿瘤细胞,且对周围健康组织的损伤达到最小,特别是对于不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分肿瘤,均可接受重离子束的治疗。

如果用一句话概括,那就是重离子放疗精度高、疗程短、疗效好、副作用小。因此,由于自身独特的物理和生物学特性,重离子束被认为是21世纪最理想的放疗射线,通常选碳离子束作为重离子放疗射线。

重离子束治疗:从基础研究走向产业化

现代基础研究到产业应用,往往涉及多学科交叉,需要先进的科学装置,这需要科研团队多年的努力和实验投入。

重离子束治疗得以实现,难度非常大。它需要扎实的研究基础,涉及核物理及其交叉学科的研究,还需要先进的实验装置,能够产生巨大能量离子束流的大型加速器装置。

这也就不难理解为什么国产碳离子治疗系统会诞生于中国科学院近代物理研究所。

多年前,中科院近代物理所就致力于核物理基础研究及相关应用研究,聚集了一大批科研人才,而且实验条件非常好,建成了多代的大型重离子加速器装置。

在这些装置基础上,中科院近代物理所的基础研究工作非常扎实,多个团队开展了大量的细胞试验、动物试验以及临床前期研究,摸清了重离子束流杀伤肿瘤细胞的基本原理,掌握了建设医用重离子加速器的关键核心技术,为我国重离子治癌事业的发展奠定了坚实的基础。

打牢了基础研究的基础,应用研究就比较顺畅。他们开始探索加速器制造业,创立了新技术公司,凭借多年的积累,成为重离子治癌从实验室走向市场的重要桥梁,研制并建成了我国首个具有自主知识产权的医用重离子加速器——中国碳离子治疗系统。

中国碳离子治疗系统由ECR离子源、回旋加速器、同步加速器、治疗终端以及束流传输线组成,拥有60余项专利,其中2项获中国专利优秀奖,采用回旋注入与同步主加速相结合的技术路线以及电荷剥离注入、紧凑型同步加速器、多治疗模式和个性化治疗室布局的独特设计,不仅突破了国外同类产品的技术壁垒,还提高了性价比、降低了运行维护成本,实现了国产重离子放疗设备零的突破。

根据国际和国内重离子治疗癌症研究数据,对于一些肿瘤,使用重离子束放疗是目前损伤最小、效果最好的手段,比如肺癌、肝癌、黑色素瘤、颅底恶性肿瘤、脊索瘤、骨与软组织肿瘤等对常规放射治疗相对不敏感的实体肿瘤。根据临床试验表明,重离子放疗能有效控制分布于头颈部、胸部、腹部及盆腔的肿瘤。

国产碳离子治疗系统凝聚了几代科研人员的心血,实践了一条从“基础研究技术研发产品示范产业化应用”的全产业链自主创新之路,打破我国高端放疗市场被国外产品垄断的局面。

目前,全球共有11家运营中的重离子医院,分布于日本、德国、奥地利、意大利和中国;还有5台在建的治癌专用加速器。全球范围内,重离子医院已累计治疗肿瘤患者约3万人。

碳离子治疗系统只是中科院近代物理所及兰州重离子加速器实验室众多研究成果中的一项。依托兰州重离子加速器,中科院近代物理所已经形成了以重离子科学与技术为核心,既可探索宇宙中元素起源等重大基本科学问题,又能促进能源、材料、生物医学等技术变革的学科群,并取得了一大批原始创新成果。


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