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谈谈治疗癌症的好方法—“质子治疗”和“重离子治疗”

作者:刘世耀
 
 

一、让“质子治疗”的火花燃烧起来

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    “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。

    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。

    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。

二、再点燃“重离子治疗”的火花

1. “重离子治疗”是又一种好方法

    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”。

2.“重离子治疗”的基本情况
    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。

    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”。

    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。

3. 质子和碳离子治疗的物理特性和生物特性

    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。

4.碳离子的特有优缺点

(1)碳离子具有质子所没有的核分裂现象,即能将C12变成C11 或C10。C11 或C10 碳放射性同位素在衰变时,都能发出正电子,利用正电子断层扫描器(PET)就能直接探测碳离子的行程轨迹和治疗终点位置,使实时诊测和精确治疗成为可能。这无疑是一个优点。 但此核分裂现象也带来缺点, 即由此产生的较轻二次粒子有较长的射程,在Bragg峯后形成一个小尾巴,往往对峯值后面的正常(或敏感) 细胞带来小伤害, 也会增加一点横向散射和阴影,给治疗带来不利。

(2)从生物辐射学研究中得出,凡癌细胞越小,照射用的离子越重越大。肿瘤经辐照后,总有一些未能辐照死的癌细胞, 此类位置称为冷点,通常称微观不均匀度。 这种冷点会在今后带来复发的可能, 称为后效应。对这个效应后果,至今不同医生有不同说法和评估。日本HIMAC专家认为不严重,日本兵库专家则认为严重,提出要用C和P复合治疗方法。瑞典Karolinska认为要用X和C 复合治疗方法 ,才能克服后效应。总之都公认有此后效应现象,但对其严重性有不同估价。

(3)重离子的治疗次数,由于处在临床实验阶段,近年来的报导说明次数有越来越少的趋向。如2003年的HIMAC报导, 肝癌只用1~2次,肺癌2~4次,要比质子少得多。但这些都是实验性数据,正规临床治疗时次数要多不少。2008年日本群马中心的报告中,仍以碳离子治疗平均15次来计划。但相对而言,碳离子治疗平均次数要小于质子治疗平均次数。

(4)全世界至今总共质子治疗了近6万名患者, 积累了比较丰富的临床实践经验。 美国己将质子治疗纳入社会保险。 碳离子治疗至今也仅7000名患者,并且都作为临床试验来进行,因此相对不如质子治疗成熟。在2002左右,瑞士PSI分析当时国际上粒子治疗和设备水平后认为,目前的碳离子治疗存在下述缺点:a. RBE 值随穿透深度变化很大, 绝对值也大, 目前研究还不够深入,一旦处理不当,风险较大;b. 适应病例少;c.微观剂量均匀度差, 存在冷点所带来的后效应; d.临床病例实际经验还少;e.经济上目前还不合算。相比之下,质子治疗更成熟稳妥。

5. 国际上放疗界对重离子治疗的看法

(1)美国的看法:美国既是质子治疗的前驱者,也是重离子治疗的先驱者。当前用的点扫描、调强等都是在美国创造的。他们最有资格和权威作判断。奇怪是美国当前专门发展质子治疗,目前己建和正建十多个质子治疗中心,但不见有建造重离子治疗中心的报导,也不多见评论重离子治疗的文章。

(2)欧洲的看法:有三派,一派以德国GSI为首的大力赞美重离子治疗;一派以瑞士PSI为首的明确表示质子治疗比较成熟,而重离子治疗由于还存在许多治疗疑点,至今治疗患者的病例和人数也太少,安全性比质子治疗差,推广治疗还不成熟,不宜推广。此外不少人认为质子和碳离子各有特点,都要重视。 后者的思想在欧洲的许多重离子治疗方案中都有反应。

(3)日本的看法:主流派大力赞美重离子,认为冷点后效应等根本不是问题,大部份情况下可代替质子治疗,因此日本重离子治疗发展最快。最新建的群马中心的加速器只有碳离子,不像欧洲的重离子治疗中心都兼有重离子和质子。但也有不少不同意见。

(4)中国的医界看法:在万杰建成前,中国既无质子治疗,也无重离子治疗。2003年前日本HIMAC 报导重离子治疗报告之前,中国放射医学界全是质子治疗热。而当HIMAC的报告报导后,尤其其中肺癌、肝癌二次治愈的报导征服了中国的不少医界人士,大部分质子治疗热者又转变成重离子治疗热者。2009年上海医界非要碳离子治疗不可,愿用远比质子治疗装置贵3倍的价格,接收从未作过加速器的西门子生产的重离子治疗装置,可见非同一般。在2009年后,国际上碳离子治疗的热度有些下降。多数中国医界人士认为以旋转质子治疗束为主,在此基礎上再适当配置碳离子束治疗才是比较明智的。可喜的是,中国科学院兰州近代物理所已经利用该所的重粒子加速器产生的离子束,成功地进行了治疗癌症的研究,已经为一些患者进行了治疗,有较高的成功率。为我国离子束治癌的发展迈出了决定性的一步。

三、“质子或重离子治疗”优良性能的奥秘

1. 改变癌症的治疗观:由“好死不如赖活”到“健康地活着”

    几千年的中国历史造成中国民间的重病治疗观,即“好死不如赖活”的治疗观。这种观点深入民心,恒久不变,似乎成为一种处世的真理。 对於癌症患者,由於不论手术、放疗、化疗,在治疗癌症的同时,不可避免的要伤身、脱发,大损元气,很难恢复患癌症前的健康。因此治疗癌症后,只要不死,己算幸运,管不了太多的健康了。无奈只能完全接受这种“好死不如赖活”的治疗观。

    考其原因在于理想的癌症治疗是杀死全部癌细胞,不伤一个正常细胞。因为只要伤到好细胞,就要伤身体,医学界称副作用。当今的电子、X射綫等放疗,各种大小化疗都不可避免的在杀癌细胞同时,也必杀好细胞,此仍形成天经地义的治癌副作因,导致难以健康活着。非不愿也,仍不能也。而质子治疗,因其特有的物理性能,可以在放疗时不再伤害肿瘤上下、前后、左右的好细胞,可以基本上接近理想的癌症治疗。 副作用很小就不再伤身。一旦癌症治愈,还像过去一样健康,也就能“健康地活着”。

质子或重离子治疗能使患者由“好死不如赖活”的治疗观改变到“健康地活着”的治疗观,这是质子或重离子治疗深得人心的所有优越性的根源。

2. 当代治疗癌症的若干特点—“质子或重离子治疗”的优点

    当前人类中的癌症虽有千变万化,但都可以用美国联合癌症委员会的TNM系统来分类。简而言之,根据肿瘤体积大小和侵犯组识深度(用T0-4表示),肿瘤侵犯淋巴程度(N1-2),肿瘤遠端扩散程度(M0-1) 三个参数,归纳成軽重分0-4五期。

    治疗癌症的方法也多种多样,但基本归纳二大类型。一是直接设法杀死和去除癌细胞,如手术、放疗和化疗,具有快速、立刻见效、有副作用的特点。至今这三种方法仍是最主要的治疗方法。二是间接创造使癌细胞难以生存條件,将癌细胞活不下去而死亡,具有缓慢、长期见效、副作用少的特点,如生物治疗、中医治疗等。在比較各种治疗方法的有效性后,可见只有质子、重离子具有最广泛的癌症治疗对象,除价格贵缺点外,具有胜过其他方法的相对(非绝对) 优点。

    和常规放疗(手术、化疗)相比,质子或重离子治疗的优点是明显的。常规放疗(手术、化疗)是:(1)局部癌中有18%治不好;(2)有早期和后期等副作用;(3)多少失去某些器官功能;(4)影响儿童正常发育;(5)存在更多的复发几率;(6)痛苦难受去治疗;(7)治后要美容,还是假美。总而言之,是非全愈,惶惶不安怕复发。

    而质子或重离子治疗是:(1)能治常规治不好的18%;(2)无(少)副作用,无后遗症;(3)保持一切正常生理功能;(4)不影响儿童发育;(5)复发几率很少;(6)舒舒服服去治疗;(7)保持女性完美体形。 总而言之是真全愈,癌症患者彻底“平反”。

3. “质子或重离子治疗”可以挽救常规放疗不能治愈的癌症患者

    全球的各种癌症都可归纳为“局部型”和“扩散型”二大类。根据世界卫生组织的宏观统计,有下列结果:(1)对局部型肿瘤(占全部肿瘤总数的58%),用手术可治愈22%,用目前的X射线放疗可治愈12%,用手术加放疗可治6%,但余下的18% 则不能治愈。对扩散型肿瘤(占全部肿瘤总数的42%),用化疗可治愈5%,但余下的37% 治不好。(2)因此在用常规放疗情况下,有18% 局部型治不好,再加37%治不好的扩散型,总共55%治不好。(3)反之用质子或重离子治疗后,常规放疗治不好的18%局部型肿瘤中,多数可以治愈;在治不好的37%扩散型肿瘤中可能有部分能治愈(当然此是预计,有待今后证实)。而仅此增加治愈的对应癌症患者,对美日二国都涉及每年30万患者,中国会涉及数百万患者的利益。(4)用质子或重离子治疗后,除去将常规放疗治不好的治好,还能将原用常规放疗治好的患者还会大大提高其生活质量。

4. 解开“质子或重离子治疗”优良治疗性能和效果的奥妙

A. 适型治疗

    在放疗理论中,定义理想的放疗称适型治疗。所谓适型。是指放疗时形成的剂量四维体积D(x,y,z,t)能够和肿瘤的四维体积V(x,y,z,t) 完全相同。这儿的四维是指随时间变化的三维体积。在X射线放疗时,由於X射线本身的物理性能(随深度的指数衰减),即使采用各种专用治疗工具也不可能作到上述适型要求。而质子和重离子的自身物理性能(随深度的布拉格峰性能),即能够做到基本适型的要求。在用散射治疗时,采用可变准直器和后沿補偿器的配合下,用能量调制的束流进行适型治疗的安排。

B.优良剂量分布

    适型治疗必然导致优良的剂量分布。所谓优良的剂量分布是指凡有肿瘤细胞之处就有剂量,此剂量可将癌细胞杀死。凡没有肿瘤细胞之处就没有剂量,也即一切正常细胞处没有剂量,正常细胞不受损害,也就不产生副作用。本质上适型治疗和优良剂量分布仍是一回事,但剂量分布更直观,一看就明白。 可以很直观的看出,在质子治疗时,剂量都集中在肿瘤上,在肿瘤上下左右的正常组识设有剂量,不受损害。但用X射线治疗时,肿瘤上下左右的正常组识都有剂量,必然会产生各种付作用。

C. 最大限度减少正常组织损伤,定量地迫近理想放疗

    人们将放射治疗的最终准则定为"实现最大的肿瘤控制几率和最小的正常组织损伤率",但千方百计地设法尽可能接近理想目标。过去在X射线治疗时,这准则只能从定性的角度去争取和理解。但在采用质子治疗后,人们可以定量地,即更精确地贯澈此准则,使逹到最大限度减少正常组织损伤,定量地逼近理想放疗,从而获得最佳的治疗效果。德国慕尼黑RTPC质子治疗中心所进行的一项实验,定量地比较在X射线和质子治疗时,在治疗不同癌症时,正常组织上受到照射体积和总剂量的对比值。 对比结果,用质子治疗脑转移肿瘤时正常组识所受的照射体积比X常规治疗少7.5倍,所受的总剂量少11.7倍。由此明显地看出质子治疗的优点。这仅是RTPC开业一年后的初步成果。今后必然可做到更好的结果,接近理想的治疗。重离子治疗也应该有类似的效果。

5. 当代的质子或重离子治疗中心,应具有下列的先进装备:

(1)医院建筑富有人性,有花有画,有音乐,令人心情安静;(2)先进診断仪器查肿瘤,CBCT、CT/PET、IMR/PET,剂量少、分辨高、快速、精确又有效;(3)采用先进治疗方法: 3D、4D-适形、IMRT、IGRT、DART等;(4)采用多重涂、动态、先进点扫描治疗方法;(5)采用先进、优化TPS进行治疗计划;(6)采用机器人自动、数学图象法精确患者定位;(7)逐项逐条进行精确QA、QC,确保准确和平安;(8)症癌症细胞都杀死,敏感器官无伤害,正常组识少剂量;(9)再有权有钱,整天卧床,开刀打针,总不算福;(10)保持所有生理器官功能正常,还有眼福、口福、旅行娱乐福等才算福。

 

资料来源:科学智慧火花

原文链接:http://idea.cas.cn/viewpoint.action?docid=6545

责任编辑:赵玉龙

 

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