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【科学大院】精准消灭癌细胞,这种设备中国自己造出来了!

发表日期:2019-11-19来源:放大 缩小

  近日,梦之城平台COD发布了国内首台自主知识产权碳离子治疗系统。碳离子治疗系统是技术先进的大型医疗器械,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。 

  等等,有人可能要问了,碳离子?加速器?这和治疗癌症有什么关系?我没看错吧?

  你没有看错,这确实是一台能治疗癌症的加速器。它是如何做到的?让我们先从人类对付癌症的方法说起。  

  对付癌症的三种利器   

  细胞是人体的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,这种带有浸润性和转移性特征的“魔鬼细胞”,就是癌细胞。所以,一旦人类遭遇细胞癌变,往往容易陷入到一发不可收拾的局面。不少种类的癌症也成为了距离死神仅一步之遥的恐怖病症。  

  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为了人类消灭肿瘤君的3大利器。而随着科技的发展,每一个利器都在逐步进化完善,提升自身的杀敌技能。

  这台我国自主知识产权的碳离子治疗系统,正是“放射治疗”家族的一员大将,它的出现,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”(此处划重点:自主知识产权!国产!)。   

  放疗1.0时代:杀敌一千,自损八百   

  一说到放射治疗,大家会想到什么?掉光的头发,虚弱的身体,无法确定的治疗效果……

  这些都是“放疗1.0时代”给大家带来的固有印象。之所以会这样,和放射治疗中所使用的射线有关。  

  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,还会使用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。

  传统射线的这种自带属性,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,经常出现好细胞先认怂、癌细胞的生命力却特别顽强的结果。

  

  重离子束:21世纪最理想的放疗射线   

  但是聪明的人类并不会将自己的命运投注在只能依靠运气的豪赌上,于是,我们可爱的科研人员不断的寻找、创造、改良着可以利用的新手段,终于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,他的名字叫重离子束。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的X射线、伽马射线更具优势。同样是美国,1975年劳伦斯伯克利实验室 (LBNL)建立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。  

  对比X射线和重离子束,X射线在刚一进入身体后,就开始释放能量,对健康组织伤害较大,并且能量随之递减,而重离子束可以在病灶处集中释放能量,对健康组织伤害很小。 

  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?

  

  技能一:杀敌不再蒙眼,精确区分敌我。 

   这个技能叫做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;当他到达癌细胞时,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”。

  

技能二:杀敌能力更强,治疗周期更短。  

  这个技能叫做相对生物学效应(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很难了……  

  重离子的相对生物学效应到底有多高呢?给个对比,重离子的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。   

  技能三:对氧依赖小,敏感性更强。   

  这个技能叫做氧增比(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。  

  技能四:成像看得见,治癌精度高。   

  这个技能叫做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,通常选用碳离子束作为重离子放疗射线。(选用碳离子是因为它的相对生物学效应(RBE)变化趋势与bragg峰一致,并且碳离子束与人体DNA以及蛋白质组织相容性比较好。)  

  几代人心血  铸就首台国产重离子放疗设备   

  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,分别在中国武威、兰州、台北,日本山行和韩国首尔。全球范围内,重离子医院已累计治疗肿瘤患者约3万人。

  重离子束治疗肿瘤得以实现,难度非常大。它需要扎实的研究基础——核物理及其交叉学科的研究;还需要先进的工具——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这台碳离子治疗系统会诞生于梦之城平台COD近代物理研究所(以下简称“近代物理所”)了。

  近代物理所致力于核物理基础研究及相关应用研究,建成了多代大型重离子加速器装置。在这些装置上,近代物理所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。由它控股的兰州科近泰基新技术有限责任公司更是凭借多年在加速器制造业的积累,成为重离子治癌从实验室走向市场的重要桥梁,研制并建成了这台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专利壁垒,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统计显示,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明感的实体肿瘤。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技人员的心血,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,打破了我国高端放疗市场被国外产品的垄断,是基础研究促进科技发展的典范。 

  国产碳离子治疗系统涉及核物理、加速器、生物、医学、影像学、电子学和人工智能等诸多学科,是核技术在生命科学领域中的应用与发展,是几代科研人员科研成果和技术研发积累的转化应用,是大科学装置回报社会的典范。 

  

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