習(xí)近平總書(shū)記提及的“醫(yī)用重離子加速器”

時(shí)間：2023-03-23

5月28日上午，中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)第十次全國(guó)代表大會(huì)在人民大會(huì)堂隆重召開(kāi)。中共中央總書(shū)記、國(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)近平出席大會(huì)并發(fā)表重要講話。在談及民生科技時(shí)，習(xí)近平講到“醫(yī)用重離子加速器、磁共振、彩超、CT等高端醫(yī)療裝備國(guó)產(chǎn)化替代取得重大進(jìn)展” 。其中習(xí)總書(shū)記首次提及的“醫(yī)用重離子加速器”，這是一臺(tái)怎樣的醫(yī)療裝備？

醫(yī)用重離子加速器，又稱碳離子治療系統(tǒng)，是由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)稱近物所）及其控股公司生產(chǎn)研發(fā)的世界最大型醫(yī)療器械，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。

醫(yī)用重離子加速器由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(guó)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(guó)外同類產(chǎn)品的專利壁壘，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(guó)產(chǎn)重離子放療設(shè)備零的突破。

它的出現(xiàn)，意味著在抗擊癌癥的放療之路上，中國(guó)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”。

  放 療 1.0 時(shí) 代：殺 敵 一 千，自 損 八 百

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，還會(huì)使用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(wú)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(wú)差別殺傷。

傳統(tǒng)射線的這種自帶屬性，對(duì)于患者而言，隨之而來(lái)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(shuí)先扛不住。最可怕的是，經(jīng)常出現(xiàn)好細(xì)胞先認(rèn)慫、癌細(xì)胞的生命力卻特別頑強(qiáng)的結(jié)果。

  重 離 子 束：21 世 紀(jì) 最 理 想 的 放 療 射 線

1903年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·亨利·布拉格William Henry Bragg發(fā)現(xiàn)帶電粒子具有獨(dú)特的物理特性,在其射線的末端沉積能量密度陡然上升，形成一個(gè)峰, 科學(xué)界稱為“布拉格峰”。

布拉格峰特性的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家開(kāi)始思考，能否使用粒子束來(lái)治療癌癥，通過(guò)調(diào)整、展寬布拉格峰的位置可以讓粒子束在進(jìn)入人體時(shí)釋放極小能量，在病灶位置釋放大量能量，從而達(dá)到對(duì)正常組織傷害輕微，對(duì)于實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的“定向爆破”。

1946年，美國(guó)物理學(xué)家威爾森首先提出利用粒子射線布拉格峰的特性治療癌癥的設(shè)想。1954年，美國(guó)加州大學(xué)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室成功使用質(zhì)子束治療病患，粒子治療成為世界各高能物理實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向之一，質(zhì)子束的成功增強(qiáng)了科學(xué)家的信心，人類開(kāi)始研究質(zhì)量與能量更大的重離子束。

 

1975年勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始世界上第一例重離子束治療，此后，日本、德國(guó)、中國(guó)相繼開(kāi)展重離子束治療腫瘤的研究，目前全球已經(jīng)有超過(guò)3萬(wàn)例病人經(jīng)過(guò)重離子治療。經(jīng)過(guò)幾十年的粒子治療研究及臨床論證，認(rèn)為重離子束極具有非常好的劑量分布又有很好的生物學(xué)效應(yīng)，被譽(yù)為“最理想的放療射線”。

   重 離 子 束 “理 想” 在 哪 里 ？

那么，重離子束面對(duì)腫瘤時(shí)，哪升級(jí)了哪些技能？

技能一：殺敵不再蒙眼，精確區(qū)分?jǐn)澄摇?/span>

 

這個(gè)技能叫做獨(dú)特的深度劑量分布。重離子束在穿越生物組織的過(guò)程中，沉積的劑量較?。ㄆ簠^(qū)），也就是說(shuō)在穿透過(guò)程中，重離子束只是路過(guò)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)他到達(dá)癌細(xì)胞時(shí)，才開(kāi)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(guò)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(ài)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”。

 

技能二：殺敵能力更強(qiáng)，治療周期更短。

 

這個(gè)技能叫做相對(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很難了……

重離子的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)到底有多高呢？給個(gè)對(duì)比，重離子的相對(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。

技能三：對(duì)氧依賴小，敏感性更強(qiáng)。

這個(gè)技能叫做氧增比（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(wèn)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(guò)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(lái)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。

技能四：成像看得見(jiàn)，治癌精度高。

這個(gè)技能叫做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，通常選用碳離子束作為重離子放療射線。（選用碳離子是因?yàn)樗南鄬?duì)生物學(xué)效應(yīng)（RBE）變化趨勢(shì)與bragg峰一致，并且碳離子束與人體DNA以及蛋白質(zhì)組織相容性比較好。）

根據(jù)國(guó)際和國(guó)內(nèi)重離子治療癌癥研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，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)不明感的實(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（見(jiàn)下表）。

（表格來(lái)源：Schlaffet al. Radiation Oncology 2014,9:88）

  幾 代 人 心 血
  鑄 就 首 臺(tái) 國(guó) 產(chǎn) 重 離 子 放 療 設(shè) 備

重離子束治療腫瘤得以實(shí)現(xiàn)，難度非常大。它需要扎實(shí)的研究基礎(chǔ)——核物理及其交叉學(xué)科的研究；還需要先進(jìn)的工具——能夠產(chǎn)生巨大能量離子束流的大型加速器裝置。

近物所致力于核物理基礎(chǔ)研究及相關(guān)應(yīng)用研究，建成了多代大型重離子加速器裝置。在這些裝置上，近物所開(kāi)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(guó)重離子治癌事業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

蘭州科近泰基新技術(shù)有限責(zé)任公司更是憑借多年在加速器制造業(yè)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(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器。

為了更好的推廣重離子治癌技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院控股有限公司會(huì)同中國(guó)科學(xué)院近代物理所成立國(guó)科離子醫(yī)療科技有限公司，“國(guó)科離子”將擔(dān)負(fù)起醫(yī)用重離子加速器產(chǎn)業(yè)化及市場(chǎng)化的重任。目前，首臺(tái)醫(yī)用重離子加速器已在甘肅省武威重離子醫(yī)院正式臨床應(yīng)用，至今已完成300多例患者治療。同時(shí)還有4臺(tái)裝置在建設(shè)當(dāng)中，分別位于蘭州、莆田、武漢、杭州。未來(lái)，國(guó)科離子將與更多省市醫(yī)院開(kāi)展合作，讓國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器造福更多患者！

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