質(zhì)子與重離子腫瘤治療的歷史和現(xiàn)狀

質(zhì)子與重離子腫瘤治療的歷史和現(xiàn)狀

1常規(guī)放射治療20世紀(jì)核技術(shù)的發(fā)展直接導(dǎo)致了放射醫(yī)學(xué)和核醫(yī)學(xué)的誕生。放射治療已經(jīng)成為治療癌癥的重要手段。傳統(tǒng)的放射治療仍然是x線、線和電子束的代表。然而，由于深度指數(shù)的降低，這種輻射進(jìn)入人體的量繼續(xù)隨深度指數(shù)的降低而減少，腫瘤周圍的正常組織（尤其是重要的放射束）受到不同程度的破壞。為了防止腫瘤周圍的正常組織（尤其是重要的放射束）受到不必要的損傷，腫瘤周圍的正常組織（尤其是輻射線敏感的組織和器官）受到不必要的損傷，有時(shí)需要降低總劑量，這需要腫瘤區(qū)域所需的輻射劑量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約三分之一的傳統(tǒng)放射治療患者沒有控制局部腫瘤。此外，據(jù)報(bào)道，美國每年有10萬名患者因局部腫瘤沒有得到控制而失敗。質(zhì)子和重離子與常規(guī)射線不同,它們都是重帶電粒子.具有一定能量的質(zhì)子(或重離子)在物質(zhì)中具有確定的“射程”,而且它們?cè)谏涑棠┒颂幍哪芰繐p失最大,即出現(xiàn)所謂的Bragg峰.利用質(zhì)子(或重離子)能量損失集中于射程末端的特性,在腫瘤治療時(shí),可以通過調(diào)節(jié)它們的能量使離子(質(zhì)子和重離子)停止在腫瘤的指定部位,達(dá)到對(duì)腫瘤的最大殺傷,而在腫瘤前面離子穿過的正常組織,受到的損傷較小,至于腫瘤后面的正常組織,因?yàn)殡x子已經(jīng)停在腫瘤部位,所以是不受影響的.此外,離子的帶電性決定了它們可以采用磁掃描技術(shù)導(dǎo)引束流對(duì)腫瘤實(shí)行精確“適形治療”.正是由于質(zhì)子(或重離子)的這些特點(diǎn),先后在世界上誕生了質(zhì)子和重離子束治療的先進(jìn)技術(shù).2國外質(zhì)治療病人的臨床研究1946年,Wilson提出質(zhì)子束的醫(yī)學(xué)應(yīng)用的觀點(diǎn).1954年,Tobias等在美國加州大學(xué)LawrenceBerkeley實(shí)驗(yàn)室(LBL)進(jìn)行了世界上第一例質(zhì)子射線治療晚期乳腺癌病人.此后,1957年瑞典Uppsala大學(xué),1961年美國Harvard大學(xué),以及1967到1975年之間的俄羅斯3家(Dubna、Moscow和St.Petersburg)相繼開展了質(zhì)子治療病人的臨床研究.經(jīng)過50年的發(fā)展,除7家關(guān)閉外,到2004年7月,全世界現(xiàn)有質(zhì)子治療中心23家(見表1),其中美國LomaLinda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(LLUMC)治療病人總數(shù)位居世界首位,即9282人;其次有美國Harvard大學(xué)治療病人9116例;瑞士PSI(72MeV)治療病人4066例.建議和正在建設(shè)中的有19家(見表2),其中包括中國3家、德國3家、美國3家、意大利3家,瑞士、南非、奧地利、韓國、斯洛伐克、波蘭、俄羅斯各1家.目前在世界范圍內(nèi),正在加快質(zhì)子治療中心建設(shè)和發(fā)展,接受質(zhì)子治療的患者也越來越多(圖1).以瑞士PSI質(zhì)子治療病人近17年的經(jīng)歷為例(圖2),獲得了質(zhì)子治療病人的較好成績.圖2表明PSI的質(zhì)子治療病人腫瘤復(fù)發(fā)率為9/1518,39/1122和32rec/323pat,對(duì)應(yīng)8年、13年和17年的病人存活分別在98%,94%和87%以上.3重離子醫(yī)用加速器重離子與質(zhì)子比較,不僅具有生物學(xué)優(yōu)勢(shì),而且劑量分布優(yōu)勢(shì)(Bragg峰)更為顯著.因此重離子束在治療中表現(xiàn)出一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):治療精度高(mm量級(jí));劑量相對(duì)集中、照射治療時(shí)間短和療效高;對(duì)腫瘤周圍健康組織損傷小;治療時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),便于控制位置和劑量,提高治療精度.由于重離子的以上優(yōu)點(diǎn),它被譽(yù)為是面向21世紀(jì)最理想的放療用射線.世界上許多國家都傾注了大量的人力和物力進(jìn)行重離子束治癌裝置的建造和治癌基礎(chǔ)及臨床應(yīng)用研究,使得重離子束治癌成為放射治療領(lǐng)域的前沿性研究熱點(diǎn).重離子束治癌的先驅(qū)性研究起源于美國的LBL.LBL于1975年利用其高能同步重離子加速器BEVALAC開始進(jìn)行重離子束放射治療臨床試驗(yàn),截止1992年6月已收治各種難治癌癥患者2487人,其中用4He離子束治療的有2054人,用12C和20Ne等重離子束治療的患者約有433人(見表1).盡管當(dāng)時(shí)的束流配送系統(tǒng)及治療計(jì)劃系統(tǒng)并不完善,但對(duì)于選定的腫瘤,腫瘤局部控制率較X,γ和電子束等治療提高了2—3倍,取得了很高的腫瘤治愈率,較常規(guī)放療的療效等有明顯優(yōu)越性.LBL對(duì)先前接受重離子束治療的腫瘤患者晚期效應(yīng)的跟蹤和臨床治療評(píng)價(jià)等研究仍在繼續(xù).由于近些年來受諸如日本和德國的重離子束臨床治療療效的激勵(lì),美國又重新對(duì)重離子束治癌研究喚起了極大的興趣.日本政府于1984年發(fā)起了一項(xiàng)稱為“對(duì)癌癥控制10年戰(zhàn)略”的宏大計(jì)劃,作為該計(jì)劃的一個(gè)很重要部分,并于1993年在國立放射醫(yī)學(xué)綜合研究所(NIRS)建成了一臺(tái)重離子醫(yī)用加速器(HIMAC),專門用于重離子束治癌及放射醫(yī)學(xué)研究.HIMAC治療裝置主要包括束流配送和輻照系統(tǒng)、病人定位系統(tǒng)和治療方案系統(tǒng),其離子束種類是4He—40Ar,束流強(qiáng)度為107—1010ions/s,最大能量可達(dá)800MeV/u,劑量率控制在5Gy/min左右.束流配送系統(tǒng)采用擺動(dòng)磁鐵橫向擴(kuò)展束流并配合多葉準(zhǔn)直器的方式來實(shí)現(xiàn)適形治療.1994年6月21日,第一批病人在HIMAC接受了碳離子束治療,到2004年2月已治療腫瘤患者1796例(見表1),其中包括頭頸部腫瘤、腦瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、宮頸癌、食道癌和軟組織肉瘤等.對(duì)于頭頸部腫瘤,取得了3年局部腫瘤控制率大于61%的臨床結(jié)果;對(duì)于顱底瘤,3年局部控制率大于92%;對(duì)于肺及肝癌,3年局部控制率大于72%;對(duì)于前列腺癌,3年局部控制率為100%.就總體治療而言,在沒有明顯并發(fā)癥的前提下,都取得了良好的療效,3年局部控制率大于67%.由于在NIRS利用碳離子束治癌臨床試驗(yàn)取得了極大成功,日本政府已于2003年11月接受并承認(rèn)重離子束治癌是一種高度先進(jìn)的醫(yī)療系統(tǒng),正式啟動(dòng)第二個(gè)“對(duì)癌癥控制10年戰(zhàn)略”,計(jì)劃在全日本興建50個(gè)重離子束治療中心,使日本國民受益于重離子束治癌.目前用于今后這些治療中心的緊湊型加速器及治療設(shè)備已經(jīng)開始在NIRS進(jìn)行設(shè)計(jì).與NIRS開展碳離子束治癌臨床試驗(yàn)取得巨大成功的同時(shí),日本已于1996年在兵庫(Hyogo)開始興建另一個(gè)專門用于治癌的帶電粒子治癌裝置(PATRO),提供230MeV的質(zhì)子,230MeV/u的氦離子和320MeV/u的碳離子,裝置已于2000年建成,中心設(shè)有50個(gè)床位.2002年該裝置利用碳離子束治療患者30例(見表1).在歐洲,重離子束治癌裝置HITAG已于1996年在德國重離子研究中心(GSI)建成.GSI借鑒了美國LBL的20Ne離子束及日本NIRS的12C離子束的治療特點(diǎn)和治療經(jīng)驗(yàn),開發(fā)和應(yīng)用了先進(jìn)的柵網(wǎng)掃描束流配送系統(tǒng)和正電子發(fā)射斷層術(shù)(PET)治療質(zhì)量保證兩大技術(shù)手段,達(dá)到了重離子束調(diào)強(qiáng)放射治療和束流實(shí)時(shí)在線監(jiān)控.1997年12月13日,GSI開始用高能碳離子束治療了兩例顱底瘤患者(見表1),治療后三個(gè)月的跟蹤研究表明顱底瘤基本消失.到2004年3月,GSI共收治頭頸部腫瘤患者205例(見表1),總體療效非常顯著.在2002年,由于GSI對(duì)兩種腦癌各治療的50個(gè)病例兩年局部控制率達(dá)到了100%,因此得到德國政府有關(guān)部門頒發(fā)的對(duì)這兩種癌癥重離子臨床治療的許可證,使得重離子束對(duì)顱底脊索瘤和粒狀肉瘤的治療在德國治療成為例程治療.到2004年,GSI重離子束對(duì)顱底瘤治療顯示的臨床結(jié)果為:4年局部控制率大于67%和4年總的存活率大于76%,且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的治療晚期毒副作用,治療成績令人鼓舞.現(xiàn)在GSI聯(lián)合德國癌癥研究中心(DKFZ)得到德國政府的批準(zhǔn)并投資1.417億馬克,在德國海得堡建造一臺(tái)專用于治癌的離子束加速器,2002年5月正式動(dòng)工,于2006年建成投入使用(見表2).除德國外,意大利于1996年聯(lián)合瑞士的西歐核子中心(CERN)、奧地利(Med-AUSTRON)和捷克等國家啟動(dòng)了一項(xiàng)用于治癌的最優(yōu)化同步加速器的研究(PIMMS),2000年該項(xiàng)研究結(jié)束并發(fā)布了設(shè)計(jì)的醫(yī)用輕離子加速器的技術(shù)報(bào)告.2002年底意大利政府批準(zhǔn)在米蘭南部的Pave建立國家強(qiáng)子治療中心,離子束治癌是其中一個(gè)很重要組成部分.該中心主要致力于碳離子束治療的研究,計(jì)劃建造4個(gè)治療室,3個(gè)水平治療室和一個(gè)垂直治療室,預(yù)計(jì)2007年開始接受患者治療(見表2).除此之外,借助PIMMS研究,奧地利的Med-AUSTRON重離子束治癌項(xiàng)目也已完成前期設(shè)計(jì),處于籌備資金立項(xiàng)階段.法國里昂的ClaudeBernard大學(xué)也在PIMMS的基礎(chǔ)上完成了在法國實(shí)現(xiàn)重離子束治癌的方案(ETOILE),各項(xiàng)準(zhǔn)備工作已就緒,正在等待最后的政府批準(zhǔn)立項(xiàng).瑞典首都斯德哥爾摩著名的卡洛林斯卡(Karolinska)醫(yī)院也利用PIMMS研究方案,提出了他們自己的重離子束治癌計(jì)劃.包括德國海德堡重離子束治癌在內(nèi)的上述5個(gè)歐洲重離子束治癌中心成立了歐洲放射治療學(xué)會(huì)(ESTRO),該學(xué)會(huì)與歐洲癌癥研究機(jī)構(gòu)(EORTC),CERN和GSI形成歐洲輕離子治療網(wǎng).這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的存在極大地促進(jìn)了歐洲重離子束治癌研究迅猛前進(jìn).在我國,中國科學(xué)院近代物理研究所基于蘭州重離子研究裝置(HIRFL)提供的中能重離子束,在國家“重離子治癌技術(shù)的研究”攀登計(jì)劃項(xiàng)目、科技部重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)“重離子治癌的前期研究”、國家基金委重點(diǎn)課題“加速器射線束治療癌癥中的若干重要物理問題的研究”等項(xiàng)目的支持下,