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谈谈治疗癌症的好方法—“质子治疗”和“重离子治疗”
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作者：刘世耀【字号：大 中 小】" ]* N& ~- G5 O- [/ s
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一、让“质子治疗”的火花燃烧起来
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进入21世纪，癌症的快速上升率是全球之普遍情况。根据WHO公布的对2020年预测： 全球人口80亿，年新增癌症患者2000万，年死亡癌症患者1200万。按中国卫生部2010年前的数据，中国年增240万癌症患者， 年死亡癌症患者140万，占全部年死亡总数的20%，並还以年1.3%增加。 癌症己成为人类最大的死亡杀手，涉及几千万上亿的生命。
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更令人担心的是当前中国的社会负面现状：大气污染，地面废气，毒奶粉、瘦肉精、地沟油以360度立体角和您“亲密”接触，再加上自然界的地震、水灾、龙卷风和社会上人为的腐败事件，从深层次使人心情不快，忧心重重。这一切给癌细胞创造了空前良好的繁殖环境，从物质层、生理层和心理层全方位向人们发动总攻击，癌症患者上升率更越来越高。2010年上海已逹每百人有一人得癌，创全球新记录。 草民百姓得癌症的几率不可避免地升高。
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如何远离癌症是一个十分迫切需要解决的命题。我国政府正以极大的努力解决大气污染、食品安全和癌症治疗等问题。现仅以癌症治疗而言，当前的常规治疗法已无法控制，必须設法采用更先进的治疗方法。全球发达国家早就十分重视利用新技术、新方法和新设备治疗对人类生命威胁最严重的恶性肿瘤。迄今为止，虽手术切除依然是主要的治疗方法，但80%以上的癌症患者不能采用手朮方法，而必须用其他方法。为此医学界尝试用各种物理方法，从冷冻、高温、 超声、 微波、激光、 X射线、 伽玛射线，直到各种粒子束：质子、中子、负π粒子、重离子来治疗癌症。 中国特有的中药治疗肿瘤，近年来有所进展，报导中也不乏特效病例，但离科学化、系统化还有相当距离。神奇的基因癌症治疗近年来在理论上有所突破，有些学者也抱乐观态度。但要将此变为现实并推广使用，还得有相当长远的时间。因而当前医界公认手术、放疗和化疗还是最主要的三种癌症治疗方法。
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- Z8 E9 V- N0 v1 {在诸多放射治疗类型中，常用的X射线和电子束其物理剂量分布和生物效应都在不同程度上伤害肿瘤附近的正常细胞，而且剂量的有效利用率也低;中子和负π粒子的生物效应虽好，但物理剂量分布不好，对正常组织损害过大， 都不是理想的治疗方法。相比之下，质子束和重离子束有突出的优点。质子在人体中的能量衰减，起初不大，后又快速上升形成一个峰值 (通常称为Bragg峰)，然后急速下降到零。这种Bragg峰的优良剂量分布促使质子束的能量能集中在癌细胞处释放。质子治疗时将峰值部分对准肿瘤病灶处，肿瘤处受到最大的照射剂量，肿瘤前的正常细胞只受到1/3到1/2的峰值剂量，肿瘤后部的正常细胞基本上不受到任何伤害。这种物理特性决定质子治疗比电子与伽玛射线、X射线要好。目今的质子治疗的相关技术已发展得相当完善，使用可变光阑准直器与专用补偿器等的适形治疗和铅笔束扫描治疗法，已能将质子控制得几乎像“量体裁衣”一样精确地消灭癌细胞而不伤及正常细胞。近几十年来的质子治疗的巨大临床成就，已使世界医学界公认质子治疗(也包括性质相类似的离子治疗)是当前最先进的治癌症方法。各先进国家的政府都以大力发展粒子治疗作为强国健民的方针。如1971 年美国会通过“向癌症全面开战”提案， 大力资助建造专用质子治疗中心。1980年左右日本政府制定“向癌症宣战”国家计划，拨巨款建造重离子治疗研究中心等。到目前为止全球发展很快，台湾也在建2台，香港在建1台质子治疗设施。- I, i k& l, }3 O6 c
. u _! B, k+ }0 J% n质子和重离子治疗是当前医学物理界的一大前沿热点，是在二十世纪电子直线加速器肿瘤放疗的基础上，放疗方法的一个新的质的飞跃。 虽然人们早在二十世纪五十年代就己知道其原理，但是由于定位精度远高于常规放疗要求，对产生质子和重离子的加速器技术指标，对肿瘤的定位诊断精度，对旋转机架的等中心点精度，对计算机的快速数据传输，处理和医用影像学等都有很高的要求。因而直到二十一世纪初，才得以在上世纪八十年代后发展起来的加速器应用技术、计算机技术和CT影像诊断技朮等高科技的基础上逐步得到发展和推广。质子和重离子治疗装置是核技朮、计算机技朮、精密机械、图像处理、数据通訊、自动控制和医用影像、医疗方法、先进管理等高科技的相互交叉和整体集成的产物，是一个医学和核技术的高科技工程，具有相当高的复杂性。
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从1996年开始，我国已有一些私企认识到质子治疗的优越性和美好前景，从而在1998-2008年间勇敢的设法在中国发展质子治疗事业。但在其后十年的发展中，困难重重，步履蹒跚。中国仅有的二个以私企投资建造的质子治疗中心，即山东万杰和长安信息在京建设的二个质子治疗项目都在非常困难条件下起步，最后以失败告终。2009年由政府投资的上海重离子项目在巨资支持下，快速顺利地批准建造。此后却多灾多难。一是化了巨资却缺少关键的“旋转治疗”系统，二是原提供者西门子公司共售三台：二台供德国用户，一台供上海。但2011年7月二台德国用户都提出中断合同(见2011-Jul-18 simens release)，而对供上海的这台，西门子决定在交付上海合同后，不再从事这方面工作，因此不再提供后续保障维修。这使今后的发展困难重重。/ N" S! B4 m! [6 \) m# R
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“粒子治疗”在过去十年中己发过相当不错的火花。但十年中因先天不足，后天失调使这朶火花将近凄亡。从中我们得出列沉痛教训，无疑提出能产生美妙科技火花是头等重要，但如何使火花闪耀发光，产出成果更是十分重要。在某种意义上后者更难。# H. Y- r& K' P) E2 ?# G0 r8 U
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形成过去十年的粒子治疗已有火花损亡的原因是复杂的。山東万杰的建后停业，中日友好医院质子项目的中途停建，上海重离子项目方案的非理想选择，虽和各种体制内外因素有关，也由於缺乏该专业科技知识的应有的传播。专业医务、技术人员，管理工作人员，甚至有身份的专家，特别是有权的决策者，普遍缺乏全面系统的认识，而集权的体制导致错误的方针和决策，因而好的火花不能生长壮大。
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自1946年威尔森提出质子治疗建议以来，全球己建近四十个专用粒子治疗中心，已有近八万名患者受到治疗。但全球至今还没有出版过一本全面、系统的有关粒子治疗及其装置的科技工程书籍。中国科技界有百万计的“部--局---处”、“校--院--所”和“院--博---硕”的系列中的“长”和“士”字辈权威精英。国家有条件、有财力、有能力、有责任来承担和发展中国需要的应用学科。但是迄今没有出版过一本这方面的专业书的局面，严重阻碍着这种新的医疗技术的生根和发展。对人民健康和公益事业有重大价值，但不一定能即刻带来重大经济收益的质子治疗新技术新方法应该得到官方的有力支持，当前的教学内容和出版资科基本停留在上世纪水平的局面亟需改变，而当前科研和教学中的浮夸作风和学术腐败等障碍必须冲垮。从近十年中的有关公益性高科技事业的发展经验可以知道，人才缺乏是首要的关键。而当前科技界很少有人做这种要求极高又无利可图的工作。但是我国大量退休科技工作者，具有不求利的道德品质，高学术水平和高理解分析思维和综合归纳的能力，又有多学科和多专业的学朮知识。他们虽然具有年令比较大或者国际交流的机会少，但其中还有相当一批不低於在位的头面人员的水平。很好地组识和团结这批人，开办各种涉及“粒子治疗”命题的科学普及、专题讲座、书本出版、公益宣传，一定有着光明前途。开展多学科多专业21世纪医疗新技术新方法的培训和科普工作，将是一件极有意义和功德无量之好事。- d2 N6 d; L" |8 d# o8 Z
) @+ ~' `5 R$ i, { `: a8 t! A/ h二、再点燃“重离子治疗”的火花
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1. “重离子治疗”是又一种好方法, F" ~$ i" k* e* ~2 l, f" t- ~
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2002年日本HIMAC公布一批碳离子的临床治疗效果，起到轰动的效应。随后中国放疗医学界掀起一个“重离子治疗”热，也引起一场“质子治疗”和“重离子治疗”之争。至今为止，谁优谁劣，谁争第一，看法还没统一。但公认“质子治疗”和“重离子治疗”都是各具有优缺点的先进肿瘤治疗方法，都是21世记的肿瘤放疗好方法。谈到“质子治疗”不能忘了“重离子治疗”。# v+ {+ }( d" |5 i% z2 H
" L; [/ `5 Y0 h* G) w2.“重离子治疗”的基本情况& K% Y2 z9 m; {
在文献中，往往有“粒子治疗”、“重离子治疗”、“离子治疗”、“轻离子治疗”、“质子治疗”等说法，看后难以区分。这兒稍加説明：“粒子治疗”是泛指用核物理中的粒子，如负π介子、质子、中子、各种离子等治疗的方法；重离子是指一切由夸克组成的粒子。因此除去电子、轻子以外，凡在元素周期表上，从氢离子直到铀和铀以上的离子，若用此来治疗肿瘤，都属“重离子治疗”。以上均是从理论上的说法，並没有实用价值。* Z$ P2 c6 ^* Z" b) [! } p( F/ a, Q
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在治疗实践中，人们认识到在所有的重和軽离子中，只有一小部分才能用于肿瘤治疗。考虑用于肿瘤放射治疗的重离子是下述几种：重氢(1H2)、氦(2He4)、锂(3Li7)、铍(4Be9)、硼(5B11)、碳(6C12)、氮(7N14)、氧(8O16)、氟(9F19)、氖(10Ne20)、硅(15Si28)、氩(18Ar40)、和氙(54Xe132)。美国LBL和日本HIMAC在临床实验研究基础上达成共识，氖元素以上的重离子，会直接给肿瘤前的正常细胞带来难以容许的伤害，不适用于肿瘤治疗。在上述情况下，通常又将较軽质量的离子，如重氢(1H2)、氦(2He4)、锂(3Li7)算“轻离子治疗”。又将利用较重质量的离子，如碳(6C12)、氮(7N14)、氧(8O16)算“重离子治疗”。从定义讲质子也是离子，质子治疗也是“軽离子治疗”。但由於质子治疗的普遍和特殊性，特称“质子治疗”。, y) ]2 J5 Y, K7 y5 r9 l
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判断重离子是否适合于肿瘤治疗，还必须考虑重离子照射对正常组织的伤害程度。伤害过大不用。 1994年放疗研究界普遍认为碳离子是最佳的治疗用重离子。不论日本HIMAC和德国GSI都用碳离子作为重离子治疗的唯一粒子。人们也似乎认为重离子治疗即是碳离子治疗。从1994年6月到2009年2月日本HIMAC用碳离子治疗了4504名患者。德国GSI从1997年到2007年10月用碳离子治疗了384名患者。但从上述碳离子治疗中人们发现，由于碳离子重量还是过大，使被治疗的肿瘤及其边缘区，即使从宏观上来看剂量是均匀的，但从微观看，存在某些癌细胞没有照射到的冷点。这种冷点处的癌细胞在以后有复发的可能。此效应称为后效应 。2001年瑞典Karolinska肿瘤研究所提出选择微观不均匀度较轻、冷点少、比碳离子更轻一点的重离子，比如选择氦、锂、铍等较轻的重离子，可以克服这种令人担忧的后效应。因此人们不再认定碳离子是最优的治疗用重离子，而寄希望于锂、铍, 那种更轻的重离子。但至今尚没有條件利用这些离子做这些临床试验。由此可见重离子治疗还在发展中，远未成熟。
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3. 质子和碳离子治疗的物理特性和生物特性
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. c' k& s1 O# f质子和碳离子都具有Bragg峰物理特性，凡原子系数越大，其Bragg峰宽度越狭，后沿下降越快，剂量分布越好，每单位行程的游离能量越大， 散射小。 因此从原理上讲，碳离子的后沿和横向阴影都稍好于质子。而实际效果上二者基本相似。质子的RBE基本上与X射缐和电子缐的RBE相同，RBE=1.1-1.2，只具有间接杀死肿瘤细胞的切断DNA单键功能， 难于对抗阻型、 缺氧型肿瘤进行有效治疗。碳离子RBE值在2-3，具有直接杀死肿瘤细胞的切断DNA双键功能，还有一个较小的氧增比(OER)。二者相比以碳离子为佳。因此单从物理和生物特性来看，碳离子优于质子。但除上二点外，碳离子还具有质子所不具有的优缺点，从而使二者比较复杂化。
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