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【科學(xué)大院】精準消滅癌細胞，這種設備中國自己造出來(lái)了！
近日，中科院發(fā)布了國內首臺自主知識產(chǎn)權碳離子治療系統。碳離子治療系統是技術(shù)先進(jìn)的大型醫療器械，融合了加速器、核探測、醫學(xué)診療等相關(guān)技術(shù)，提供碳離子束用于癌癥的治療。
等等，有人可能要問(wèn)了，碳離子？加速器？這和治療癌癥有什么關(guān)系？我沒(méi)看錯吧？
你沒(méi)有看錯，這確實(shí)是一臺能治療癌癥的加速器。它是如何做到的？讓我們先從人類(lèi)對付癌癥的方法說(shuō)起?！ ?section>
對付癌癥的三種利器
細胞是人體的結構和生理功能的基本單位。每個(gè)人體內都有數十萬(wàn)億計的細胞，它們每天有序“工作”，人體才能正常運轉。
但如果人體的正常細胞發(fā)生了病變，這個(gè)“生了病”的細胞就會(huì )變成另一副面孔，它不再有計劃地正常分裂，而是變得極具掠奪性，瘋狂搶占營(yíng)養、惡性繁殖、生長(cháng)失控，這種帶有浸潤性和轉移性特征的“魔鬼細胞”，就是癌細胞。所以，一旦人類(lèi)遭遇細胞癌變，往往容易陷入到一發(fā)不可收拾的局面。不少種類(lèi)的癌癥也成為了距離死神僅一步之遙的恐怖病癥?！ ?/p>
面對癌細胞的肆意妄為，人類(lèi)并非束手無(wú)策！藥物治療、手術(shù)切除和放射治療就成為了人類(lèi)消滅腫瘤君的3大利器。而隨著(zhù)科技的發(fā)展，每一個(gè)利器都在逐步進(jìn)化完善，提升自身的殺敵技能。
這臺我國自主知識產(chǎn)權的碳離子治療系統，正是“放射治療”家族的一員大將，它的出現，意味著(zhù)在抗擊癌癥的放療之路上，中國正式邁入了全面升級并且擁有自主知識產(chǎn)權的“放療2.0時(shí)代”（此處劃重點(diǎn)：自主知識產(chǎn)權！國產(chǎn)?。?。
放療1.0時(shí)代：殺敵一千，自損八百
一說(shuō)到放射治療，大家會(huì )想到什么？掉光的頭發(fā)，虛弱的身體，無(wú)法確定的治療效果……
這些都是“放療1.0時(shí)代”給大家帶來(lái)的固有印象。之所以會(huì )這樣，和放射治療中所使用的射線(xiàn)有關(guān)?！ ?/p>
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(xiàn)是X射線(xiàn)，還會(huì )使用我們熟悉的伽馬射線(xiàn)，它們都被稱(chēng)為傳統放療射線(xiàn)（光子放療）。
在對抗癌細胞時(shí)，傳統射線(xiàn)就像是一個(gè)蒙著(zhù)眼睛的殺手，無(wú)法主動(dòng)辨別正常細胞和癌細胞，在進(jìn)入人體后實(shí)施無(wú)差別殺傷。
傳統射線(xiàn)的這種自帶屬性，對于患者而言，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”，賭的是好細胞和癌細胞誰(shuí)先扛不住。最可怕的是，經(jīng)常出現好細胞先認慫、癌細胞的生命力卻特別頑強的結果。
重離子束：21世紀最理想的放療射線(xiàn)
但是聰明的人類(lèi)并不會(huì )將自己的命運投注在只能依靠運氣的豪賭上，于是，我們可愛(ài)的科研人員不斷的尋找、創(chuàng )造、改良著(zhù)可以利用的新手段，終于找到了比傳統射線(xiàn)這個(gè)蒙眼殺手更有智慧和本事的新一代殺手，他的名字叫重離子束。重離子是指原子序數大于2的原子失去電子的離子。
1903年，英國物理學(xué)家威廉·亨利·布拉格William Henry Bragg與克里曼Kleeman在實(shí)驗中觀(guān)測到帶電粒子束進(jìn)入物質(zhì)后，會(huì )在某個(gè)深度形成一個(gè)劑量高峰，科學(xué)界稱(chēng)之為“Bragg峰”，中文譯為“布拉格峰”。
這個(gè)“神奇”的現象引起了科學(xué)家的注意。1946年，美國人威爾遜首次提出用布拉格峰進(jìn)行腫瘤放療，他認為，帶電粒子束進(jìn)入人體后不會(huì )像傳統射線(xiàn)那樣在沿途不斷地釋放能量，而會(huì )在某一特定深度（即腫瘤部位）釋放幾乎全部的能量。這就意味著(zhù)，帶電粒子束比傳統放療所使用的的X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)更具優(yōu)勢。同樣是美國，1975年勞倫斯伯克利實(shí)驗室 (LBNL)建立了首例使用重離子束對腫瘤放療的案例。此后，日本、德國、中國相繼開(kāi)展重離子束治療腫瘤的研究?！ ?section>
對比X射線(xiàn)和重離子束，X射線(xiàn)在剛一進(jìn)入身體后，就開(kāi)始釋放能量，對健康組織傷害較大，并且能量隨之遞減，而重離子束可以在病灶處集中釋放能量，對健康組織傷害很小。
那么，這個(gè)叫重離子束的新一代殺手，在面對腫瘤時(shí)都升級了哪些技能？
技能一：殺敵不再蒙眼，精確區分敵我。
這個(gè)技能叫做獨特的深度劑量分布。重離子束在穿越生物組織的過(guò)程中，沉積的劑量較?。ㄆ簠^），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(huà)，正常細胞終于可以不再躺槍?zhuān)欣诒Ｗo正常組織和關(guān)鍵器官；當他到達癌細胞時(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），這個(gè)現象就是前文提到的“布拉格峰”。
因此可以通過(guò)調節重離子的能量，使布拉格峰精確落在腫瘤處，從而進(jìn)行精準殺滅，同時(shí)關(guān)愛(ài)健康組織。值得指出的是，布拉格峰現象是重離子束的自身屬性，簡(jiǎn)直是射線(xiàn)界“天使”。
技能二：殺敵能力更強，治療周期更短?！ ?section>
這個(gè)技能叫做相對生物學(xué)效應（RBE）高。重離子束進(jìn)入生物組織后，在“峰區”—也就是癌細胞聚集的地方—沉積的能量密度高，能量密度高就代表著(zhù)強大的殺傷力，這會(huì )使得癌細胞DNA產(chǎn)生雙鏈斷裂的比例較高。都雙鍵斷裂了，癌細胞再想惡性繁殖也是很難很難很難了……
重離子的相對生物學(xué)效應到底有多高呢？給個(gè)對比，重離子的相對生物學(xué)效應比常規光子射線(xiàn)的要高約3倍。因而，重離子束對癌細胞的“殺傷力”更大，治療次數相應減少，從而縮短治療周期?！ ?section>
技能三：對氧依賴(lài)小，敏感性更強。
這個(gè)技能叫做氧增比（OER）小。大量證據表明，腫瘤生長(cháng)于特有的異常血供系統，從而導致對腫瘤細胞的供氧和養分不足，稱(chēng)之為乏氧細胞。然而，常規射線(xiàn)對于這些乏氧細胞并不敏感，如何提高瘤內乏氧細胞的放射敏感性也是腫瘤放療的一個(gè)重要問(wèn)題。
與常規光子放療不同，重離子束對腫瘤細胞的殺傷不依賴(lài)于氧的存在。因為重離子主要是通過(guò)電離形成的高密度二次電子的電離作用導致DNA雙鍵斷裂來(lái)殺滅癌細胞，重離子的氧增比小，可用于治療供血不足的乏氧腫瘤?！ ?section>
技能四：成像看得見(jiàn)，治癌精度高。
這個(gè)技能叫做PET在線(xiàn)劑量驗證。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，并與治療計劃的CT圖像比對，可以對重離子束照射到體內腫瘤的劑量分布進(jìn)行在線(xiàn)驗證，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范圍內，精確有效地殺滅腫瘤細胞，且對周?chē)】到M織的損傷達到最小，特別是對于不宜手術(shù)、對常規射線(xiàn)不敏感、常規射線(xiàn)治療后復發(fā)的部分腫瘤，均可接受重離子束的治療。
如果用一句話(huà)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，由于自身獨特的物理和生物學(xué)特性，重離子束被認為是21世紀最理想的放療射線(xiàn)，通常選用碳離子束作為重離子放療射線(xiàn)。（選用碳離子是因為它的相對生物學(xué)效應（RBE）變化趨勢與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。）
幾代人心血 鑄就首臺國產(chǎn)重離子放療設備
目前，全球共有11家運營(yíng)中的重離子醫院，分布于日本、德國、奧地利、意大利和中國；還有5臺在建的治癌專(zhuān)用加速器，分別在中國武威、蘭州、臺北，日本山行和韓國首爾。全球范圍內，重離子醫院已累計治療腫瘤患者約3萬(wàn)人。
重離子束治療腫瘤得以實(shí)現，難度非常大。它需要扎實(shí)的研究基礎——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。
這也就不難理解為什么這臺碳離子治療系統會(huì )誕生于中國科學(xué)院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“近代物理所”）了。
近代物理所致力于核物理基礎研究及相關(guān)應用研究，建成了多代大型重離子加速器裝置。在這些裝置上，近代物理所開(kāi)展了大量的細胞試驗、動(dòng)物試驗以及臨床前期研究，摸清了重離子束流殺傷腫瘤細胞的基本原理，掌握了建設醫用重離子加速器的關(guān)鍵核心技術(shù)，為我國重離子治癌事業(yè)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎。由它控股的蘭州科近泰基新技術(shù)有限責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)驗室走向市場(chǎng)的重要橋梁，研制并建成了這臺我國首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權的醫用重離子加速器——中國碳離子治療系統。
中國碳離子治療系統由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(xiàn)組成，擁有60余項專(zhuān)利（其中2項獲中國專(zhuān)利優(yōu)秀獎），采用回旋注入與同步主加速相結合的技術(shù)路線(xiàn)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特設計，不僅突破了國外同類(lèi)產(chǎn)品的專(zhuān)利壁壘，還提高了性?xún)r(jià)比、降低了運行維護成本，實(shí)現了國產(chǎn)重離子放療設備零的突破?！ ?/p>
根據國際和國內重離子治療癌癥研究數據統計顯示，對于一些腫瘤，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常規放射治療相對不明感的實(shí)體腫瘤。根據臨床試驗表明，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。
國產(chǎn)碳離子治療系統凝聚了幾代科技人員的心血，實(shí)踐了一條從“基礎研究→技術(shù)研發(fā)→產(chǎn)品示范→產(chǎn)業(yè)化應用”的全產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng )新之路，打破了我國高端放療市場(chǎng)被國外產(chǎn)品的壟斷，是基礎研究促進(jìn)科技發(fā)展的典范。
國產(chǎn)碳離子治療系統涉及核物理、加速器、生物、醫學(xué)、影像學(xué)、電子學(xué)和人工智能等諸多學(xué)科，是核技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應用與發(fā)展，是幾代科研人員科研成果和技術(shù)研發(fā)積累的轉化應用，是大科學(xué)裝置回報社會(huì )的典范。
