重離子束治癌從物理、生物和醫療三大特性出發

1重離子束治癌的臨床應用特性目前，中國城鎮和農村地區的癌癥死亡率已達到不同病因的死亡率之一。平均每4名患者中有一位是患有癌癥的患者。全國每年新增癌癥患者數已高達200萬例,癌癥已成為不可忽視的危害。在我國,許多癌癥患者由于誤診和晚診而延誤了治療。如果早診斷、早發現和早治療,癌癥是可以治愈的。癌癥治療先進方法的研究和探索對于挽救癌癥患者生命和提高患者的生存質量具有非常重要的意義。重離子束治癌是一種先進的放射治療方法,適用于局部非擴散腫瘤的治療,具有優越的物理、生物和醫療三大特性。其中物理特性有:(1)重離子在物質中的能量損失集中于射程末端,在深度劑量分布上形成一個Bragg峰;(2)通過調節入射離子能量和偏轉磁鐵導向束流,可實現束流三維掃描的適形和調強治療,因而對健康組織的不利影響可降到最小;(3)應用正電子斷層掃描(PET)監測重離子貫穿組織期間核反應產生的正電子衰變核碎片的正電子湮滅輻射,可在線監測照射束流的動態,包括重離子在體內的射程和照射劑量。生物特性有:(1)重離子Bragg峰區(腫瘤靶區)具有高的相對生物學效應;(2)對細胞的致死效應幾乎不受細胞周期的影響;(3)對常規射線不敏感的乏氧癌細胞也有很強的殺傷作用;(4)在癌細胞中導致的損傷幾乎不能修復。顯著的醫療特性有:(1)重離子治療的療程短;(2)病人無痛苦感;(3)幾乎沒有任何毒副作用;(4)能夠保留癌癥所在器官的形貌和功能;(5)局部控制率高。2重離子治療癌的臨床應用狀況利用離子束治療腫瘤是Wilson于1946年首先提出的。1952年,美國利用早期的回旋加速器率先開始了質子束治癌,目前世界上已有質子治癌中心20多家,已治療約45000人。1975年,美國勞倫斯伯克利國家實驗室利用高能重離子同步加速器BEVALAC在世界上首先進行了輕離子和重離子治癌臨床試驗研究,發現腫瘤局部控制率比X射線、γ射線和電子束等常規射線提高了2—3倍,取得了很高的腫瘤治愈率。到1992年BEVALAC關閉前,已收治患者2487人,其中重離子治療433人。鑒于重離子治癌的優勢,日本于1993年在國立放射醫學綜合研究所建成了一臺專門用于治癌及放射醫學研究的重離子加速器。1994年6月,第一批病人接受碳離子束治療,到2006年年底已治療腫瘤患者3000多例。對其中745例腫瘤患者進行跟蹤觀測,獲得頭頸部腫瘤、非小細胞肺癌、原發肝癌、前列腺癌、宮頸癌和軟骨組織肉瘤的兩年局部控制率分別為63%—80%,63%—75%,80%,100%,50%—75%和73%,而且沒有發現明顯的并發癥。受此鼓舞,日本于1996年在兵庫縣興建了另一個離子束治癌專用裝置,提供能量230MeV的質子、單核能230MeV的氦離子和320MeV的碳離子,2001年和2002年先后開始質子束和碳離子束臨床試驗。鑒于重離子治癌療效顯著,現在日本規劃在全國建造60臺小型化的重離子治癌專用裝置。在歐洲,德國國家重離子研究中心于1996年建成重離子束治癌裝置,并開發了柵掃描束流配送系統和準實時正電子發射監測兩項先進技術,實現了重離子束適形調強治療和實時監控。從1997年到2006年年底,共收治顱底腫瘤患者300多例,總體療效非常顯著,其中對脊索瘤的兩年控制率達到83%,對粒狀肉瘤的兩年控制率高達100%。2002年重離子對顱底瘤的治療得到了德國有關部門頒發的許可證。目前,德國正在海德堡建造一臺重離子治癌專用裝置,計劃于2007年投入臨床應用。現在歐洲在建的重離子治癌中心共有5個,分別位于德國Heidelberg、德國Marburg、意大利Pavia、奧地利WienerNeustadt及法國Lyon。中國科學院近代物理研究所從1993年起就利用蘭州重離子研究裝置(HIRFL)提供的中能重離子束,開始進行重離子輻射生物學效應研究。1995年,中國科學院近代物理研究所承擔了國家“九五”攀登計劃(B)“核醫學和放射治療中先進技術的基礎研究”中的子項目“重離子治癌技術研究”。之后,在國家、中國科學院、甘肅省和蘭州市的有關科技計劃、基金和項目的支持下,建立了具有先進儀器設備的實驗室,開展了放射生物學、醫學物理實驗研究和動物試驗,為重離子治癌臨床研究積累了必要的基礎數據,做了各項治療技術的準備,為重離子治癌臨床試驗研究奠定了技術基礎。2005年,在HIRFL上自主設計建成重離子治療淺層腫瘤裝置(見圖1),并通過了有關專家的技術鑒定。同時進一步開展了治癌前期的研究工作及動物試驗,制定了重離子治癌臨床治療標準,并與蘭州軍區蘭州總醫院和甘肅省腫瘤醫院等醫療單位簽訂了合作協議,聯合開展了重離子治癌臨床試驗研究。2006年,成立了由甘肅省衛生廳、甘肅省科技廳、甘肅省食品藥品監督局、中國科學院蘭州分院、中國科學近代物理研究所和相關醫療單位以及國內放療專家、加速器技術和核物理專家組成的重離子治癌協調小組,并在中國科學院近代物理研究所掛牌成立“甘肅省重離子束治療腫瘤臨床研究基地”。2006年11月,中國科學院近代物理研究所與蘭州軍區蘭州總醫院合作利用HIRFL提供的80MeV/u的碳離子束,在HIRFL淺層治癌終端對4例淺層惡性腫瘤患者進行了首次臨床治療試驗,使中國成為國際上第4個進行重離子臨床試驗的國家。2007年1月和3月,又與甘肅省腫瘤醫院及蘭州軍區蘭州總醫院合作,利用HIRFL提供的100MeV/u的碳離子束分別對第2批共9例病人和第3批共14例病人進行了腫瘤治療。試驗治療的所有病例均經組織學確診,無遠處轉移,無嚴重的心肺功能損害,根據病理學檢查結果確定了組織類型和分化程度。3批共27例病人(12種癌癥類型)經一個療程的碳離子放射治療后,大部分患者腫瘤已完全消失,其余患者瘤體均有了不同程度的縮小,患者局部及全身至今未出現任何不良反應。治療后壞死或凋亡的腫瘤細胞需要一定的時間才能完全代謝,瘤體剩余部分將會在治療結束后60—90d內逐漸消退。目前對治療后患者的隨訪在不斷地進行中,以期獲得2和5年局部控制率的數據。3重離子治療裝置的建設蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR)已將碳離子加速到1000MeV/u及每束團碳離子數大于6×108個,已能夠滿足重離子束全身治癌所需的束流條件。中國科學院近代物理研究所基于蘭州重離子加速器國家實驗室開展的重離子束治癌計劃分3個階段進行:(1)2006年開始在HIRFL上進行淺層臨床試驗研究;(2)2007年底完成HIRFL-CSR深層治癌水平治療終端建設(見圖2),并于2008年進行深層臨床試驗研究;(3)設計和優化醫院用的小型專用重離子加速器治癌示范裝置(見圖3),爭取國家批準立項和許可,逐步實現重離子治癌裝置的產業化。通過上述計劃的實施,完成重離子束治癌臨床試驗研究,研究出具有自主知識產權的適合中國人的治療計劃和高性能價格比的專用治療裝置,并進一步推廣到醫療臨床應用,造福于癌癥患者。盡管重離子治癌在少數發達國家已進入臨床治療階段,但現有的治療裝置,特別是小型緊湊的重離子加速器治療裝置,仍屬研發階段;重離子對細胞、染色體和DNA作用的微觀生物物理模型等基礎問題,還需進一步探索研究;優化治療技術、降低治療成本、擴展治療適應癥和提高療效特別是改善患者治療后的生存質量等方面,仍有大量的工作要做。4醫用重離子治療的發展現狀由于重離子治癌的顯著優勢,許多國家都傾注大量的人力和財力進行重離子治癌研究和治療裝置的設計與建造,使重離子治癌成為放療前沿領域的研究熱點。重離子治癌是核物理及核技術在生命科學及生物技術領域中的應用與發展,是這兩大領域的交叉與融合,涉及核物理、輻射技術、粒子加速器、核化學、生物、醫學、影像學、微電子學、自動控制和輻射防護等諸多學科,是眾多新技術的集成與創新,代表著國家高科技發展的水平。目前,國內外對重離子治癌越來越關注,隨著人們對重離子治癌優勢的不斷認識,將會帶動小型醫用重離子治療裝置的產業化發展。高性能價格比的HIRFL-CSR大科學工程的建成,為研制具有自主知識產權的小型醫用重離子治癌專用加速器裝置提供了必要的技術保證和經驗,為我國設計制造在國際上極具競爭力的重離子治癌專用裝置奠定了堅實基礎。鑒于歐洲正在建設5個重離子治癌中心和日本正在實施建立60個重離子治癌中心的宏偉計劃,中國科學院近代物理研究所及時跟蹤重離子治癌