重離子束：打敗癌細胞的新一代“殺手”

我國基礎研究的科研人員在工作。新華社發

我國基礎研究的科研人員在工作。新華社發

2021年7月9日，高海拔宇宙線觀測站測定“標準燭光”超高能段亮度。新華社發

　　編者按

　　近日，國家原子能機構聯合科技部、公安部、生態環境部、交通運輸部、國家衛生健康委、國家醫療保障局、國家藥品監督管理局7部門在京發布《醫用同位素中長期發展規劃（2021-2035年）》，這是我國首個針對核技術在醫療衛生應用領域發布的政策性文件。

　　去年以來，在我國科技工作者的努力下，核技術在抗疫中大顯身手，產業化的應用越來越多，在打破國外技術壟斷，保障老百姓的生命安全中發揮了重要作用。更難得的是，我國核技術產業鏈完全自主可控，涌現出了一批從基礎研究到產業化應用的典型。本期一起了解一下中國科學院近代物理研究所研發的國內首臺擁有自主知識產權的碳離子治療系統。

　　近年來，中科院近代物理所發布的擁有自主知識產權的碳離子治療系統成功應用，受到社會的廣泛好評。國產碳離子治療系統凝聚了幾代中國科研人員的心血，走出了一條“基礎研究→技術研發→產品示范→產業化應用”的全產業鏈自主創新之路，打破了我國高端放療市場被國外產品壟斷的局面。這條從基礎研究到產業化成功“晉級”之路，在當前具有一定的示范和借鑒意義。

　　核技術是對付癌細胞的“殺手”

　　碳離子治療系統是技術先進的大型醫療系統，融合了加速器、核探測、醫學診療等相關技術。提供碳離子束用于癌癥的治療，它是如何做到的？

　　細胞是人體結構和生理功能的基本單位。每個人體內都有數十萬億計的細胞，它們每天有序“工作”，人體才能正常運轉。

　　但如果人體的正常細胞發生了病變，這個“生了病”的細胞就會變成另一副面孔。它不再有計劃地正常分裂，而是變得極具掠奪性，瘋狂搶占營養、惡性繁殖、生長失控，這就是癌細胞。所以，一旦人類遭遇細胞癌變，往往會陷入一發不可收拾的局面。

　　面對癌細胞的“肆意妄為”，人類并非束手無策。藥物治療、手術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，它們都被稱為傳統放療射線（光子放療）。

　　在對抗癌細胞時，傳統射線就像是一個蒙著眼睛的“殺手”，無法主動辨別正常細胞和癌細胞，在進入人體后實施無差別殺傷。

　　傳統射線這種自帶的屬性，對于患者而言，隨之而來的就是難以避免的副作用，甚至容易造成更為嚴重的并發癥。所以某種程度上，治療效果其實就是在“賭”，賭的是好細胞和癌細胞誰先扛不住。最可怕的是，經常出現好細胞先死亡、癌細胞的生命力卻特別頑強的結果。

　　而隨著科技的發展，放射技術也在進步，科研人員不斷尋找、創造、改良著可以利用的新手段，最終找到了比傳統射線這個“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擁有自主知識產權的碳離子治療系統的出現，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并且擁有自主知識產權的放療“2.0時代”。

　　重離子束的原理和未來應用前景

　　重離子是指原子序數大于2的原子失去電子的離子。

　　1903年，英國物理學家威廉·亨利·布拉格（William·Henry Bragg）與克里曼（Kleeman）在實驗中觀測到帶電粒子束進入物質后，會在某個深度形成一個劑量高峰，科學界稱之為“Bragg峰”，中文譯為“布拉格峰”。

　　這個“神奇”的現象引起了科學家的注意。1946年，美國人威爾遜首次提出用布拉格峰進行腫瘤放療，他認為，帶電粒子束進入人體后不會像傳統射線那樣在沿途不斷地釋放能量，而會在某一特定深度（即腫瘤部位）釋放幾乎全部的能量。

　　這就意味著，帶電粒子束比傳統放療所使用的X射線、伽馬射線更具優勢。同樣在美國，1975年勞倫斯伯克利實驗室 (LBNL)實踐了首例使用重離子束對腫瘤放療的案例。

　　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，這個叫重離子束的新一代“殺手”，在面對腫瘤時都升級了哪些技能？

　　精確區分敵我。這個技能叫作獨特的深度劑量分布。重離子束在穿越生物組織的過程中，沉積的劑量較小（坪區），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，正常細胞終于可以不再躺槍，有利于保護正常組織和關鍵器官；當它到達癌細胞時，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），這個現象就是前文提到的“布拉格峰”。

　　因此可以通過調節重離子的能量，使布拉格峰精確落在腫瘤處，從而進行精準殺滅，同時關愛健康組織。值得指出的是，布拉格峰現象是重離子束的自身屬性，簡直是射線界“天使”。

　　治療周期更短。這個技能叫作相對生物學效應（RBE）高。重離子束進入生物組織后，在“峰區”，也就是癌細胞聚集的地方，沉積的能量密度高，能量密度高就代表著強大的殺傷力，這會使得癌細胞DNA產生雙鏈斷裂的比例較高。都雙鍵斷裂了，癌細胞再想惡性繁殖也是很難很難了……

　　重離子的相對生物學效應到底有多高呢？重離子相對生物學效應比常規光子射線的要高約3倍。因而，重離子束對癌細胞的“殺傷力”更大，治療次數相應減少，從而縮短治療周期。

　　對氧依賴小，敏感性更強。這個技能叫作氧增比（OER）小。大量證據表明，腫瘤生長于特有的異常血供系統，從而導致對腫瘤細胞的供氧和養分不足，稱之為乏氧細胞。然而，常規射線對于這些乏氧細胞并不敏感，如何提高瘤內乏氧細胞的放射敏感性也是腫瘤放療的一個重要問題。

　　與常規光子放療不同，重離子束對腫瘤細胞的殺傷不依賴于氧的存在。因為重離子主要是通過電離形成的高密度二次電子的電離作用導致DNA雙鍵斷裂來殺滅癌細胞，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。這個技能叫作PET在線劑量驗證。重離子束與生物組織的原子核相互作用后會產生正電子發射體，利用正電子發射體層技術（PET）進行外部成像，并與治療計劃的CT圖像比對，可以對重離子束照射到體內腫瘤的劑量分布進行在線驗證，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范圍內，精確有效地殺滅腫瘤細胞，且對周圍健康組織的損傷達到最小，特別是對于不宜手術、對常規射線不敏感、常規射線治療后復發的部分腫瘤，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，由于自身獨特的物理和生物學特性，重離子束被認為是21世紀最理想的放療射線，通常選碳離子束作為重離子放療射線。

　　重離子束治療：從基礎研究走向產業化

　　現代基礎研究到產業應用，往往涉及多學科交叉，需要先進的科學裝置，這需要科研團隊多年的努力和實驗投入。

　　重離子束治療得以實現，難度非常大。它需要扎實的研究基礎，涉及核物理及其交叉學科的研究，還需要先進的實驗裝置，能夠產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碳離子治療系統會誕生于中國科學院近代物理研究所。

　　多年前，中科院近代物理所就致力于核物理基礎研究及相關應用研究，聚集了一大批科研人才，而且實驗條件非常好，建成了多代的大型重離子加速器裝置。

　　在這些裝置基礎上，中科院近代物理所的基礎研究工作非常扎實，多個團隊開展了大量的細胞試驗、動物試驗以及臨床前期研究，摸清了重離子束流殺傷腫瘤細胞的基本原理，掌握了建設醫用重離子加速器的關鍵核心技術，為我國重離子治癌事業的發展奠定了堅實的基礎。

　　打牢了基礎研究的基礎，應用研究就比較順暢。他們開始探索加速器制造業，創立了新技術公司，憑借多年的積累，成為重離子治癌從實驗室走向市場的重要橋梁，研制并建成了我國首個具有自主知識產權的醫用重離子加速器——中國碳離子治療系統。

　　中國碳離子治療系統由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余項專利，其中2項獲中國專利優秀獎，采用回旋注入與同步主加速相結合的技術路線以及電荷剝離注入、緊湊型同步加速器、多治療模式和個性化治療室布局的獨特設計，不僅突破了國外同類產品的技術壁壘，還提高了性價比、降低了運行維護成本，實現了國產重離子放療設備零的突破。

　　根據國際和國內重離子治療癌癥研究數據，對于一些腫瘤，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常規放射治療相對不敏感的實體腫瘤。根據臨床試驗表明，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。

　　國產碳離子治療系統凝聚了幾代科研人員的心血，實踐了一條從“基礎研究→技術研發→產品示范→產業化應用”的全產業鏈自主創新之路，打破我國高端放療市場被國外產品壟斷的局面。

　　目前，全球共有11家運營中的重離子醫院，分布于日本、德國、奧地利、意大利和中國；還有5臺在建的治癌專用加速器。全球范圍內，重離子醫院已累計治療腫瘤患者約3萬人。

　　碳離子治療系統只是中科院近代物理所及蘭州重離子加速器實驗室眾多研究成果中的一項。依托蘭州重離子加速器，中科院近代物理所已經形成了以重離子科學與技術為核心，既可探索宇宙中元素起源等重大基本科學問題，又能促進能源、材料、生物醫學等技術變革的學科群，并取得了一大批原始創新成果。 （記者 袁于飛 通訊員 袁海博 高靜一）