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摘要:重粒子束的高线性能量传递射线突破了常规放射肿瘤的发展瓶颈,是肿瘤放射治疗最尖端技术。重粒子束作为难治性肿瘤治疗的重要手段,取得了令人鼓舞的疗效,尤以碳离子是这一研究领域的亮点。①碳离子是迄今最佳的治疗肿瘤用重粒子射线;②碳离子突出的特点是拥有高相对生物效应值,同时兼有比质子更好的肿瘤剂量适形性的双重优越性;③碳离子放疗对常规放疗抗拒的一些难治性肿瘤疗效好、疗程短,无明显并发症;④碳离子放疗对外科手术困难的肿瘤、邻近重要组织器官的肿瘤仍能够治疗,对老年患者组织器官功能减退及生长发育期的青少年儿童患者具有特殊的临床意义;⑤对常规放疗无效或复发患者的再程放疗仍有效。

关键词:重粒子线;高线性能量传递射线;碳离子放疗;肿瘤;放射治疗

近年来,重粒子束肿瘤治疗发展迅猛,重粒子束同时拥有优越的肿瘤物理剂量分布和良好的生物效应的双重优势,而备受肿瘤学界、放射物理学家和临床肿瘤放疗专家关注,被誉为是面向21世纪的肿瘤治疗,是最前沿和真正的高线性能量传递(linearenergy transfer,LET)射线肿瘤放射治疗,是肿瘤放疗最尖端的技术。重粒子中的碳离子是迄今最理想的临床肿瘤放疗用射线[1],对常规放疗(低LET射线)不敏感或抗拒的难治性肿瘤有可靠疗效,是世界肿瘤治疗领域中研究的前沿和热点。现将有关研究进展作一综述。

1　重粒子束突破肿瘤放射治疗的发展瓶颈

目前,约3/4的肿瘤都需要接受放射治疗。据WHO统计,全部肿瘤的45%是可以治愈的,其中18%被放疗治愈。放射治疗已是肿瘤最主要的治疗方法之一。

1·1　高能X(γ)、β线放疗的局限　在肿瘤治疗方面,高能X(γ)、β线放疗已取得明显的成绩,但局部失败和正常组织损伤,仍是存在的难题。尤以对常规放疗(低LET射线)不敏感/抗拒的肿瘤更是如此。

现代放射肿瘤的发展,三维立体定向适形治疗(3D-CRT)、三维立体定向调强适形治疗(3D-IM-RT)提高了肿瘤剂量的适形度,而使肿瘤“物理剂量提升”,可提高放疗的治疗增益比。但是,这仍存在一定的局限性:①可造成大量肿瘤周围正常组织受到低剂量照射。而且因其更多的照射野,会使患者全身放射受量增加,存在潜在的诱发第二肿瘤的风险。这可能会对长期生存者或生长发育期的儿童和青少年患者产生影响。②所用的高能X(γ)、β线同属于低LET射线放疗,电离密度小,电离效应弱,只是击伤肿瘤DNA单链,存在亚致死损伤修复,则不能有效地杀灭肿瘤细胞。③高能X(γ)线、β线对肿瘤细胞是有氧效应,对乏氧的肿瘤细胞则抗拒;有细胞周期依赖性,不能杀灭各期肿瘤细胞,杀灭肿瘤细胞的能力不强[2,3]。因此,这将难以突破和进一步提高放疗疗效的放射生物学效应这个发展瓶颈,也难以避免对正常组织的潜在致癌风险。

1·2　高能质子线放疗的局限　高能质子束具有优越的物理剂量分布,在临床肿瘤治疗中已取得较好的疗效。但质子对肿瘤细胞的杀伤效果则不及重离子线。Stelzer等研究指出,虽然质子的剂量分布具有Bragg峰的明显放射物理学特性,但由于质子只带一个正电荷,在峰区也属于低LET射线、低相对生物效应(RBE)。质子RBE值与X(γ)、β线相同。Webb等研究认为质子束放疗只是损伤肿瘤细胞DNA分子的单链,对放射抗拒的肿瘤细胞、乏氧肿瘤细胞的疗效并不理想。

1·3　迄今最适合肿瘤放疗的重粒子束———碳离子束治疗　中子射线具有高RBE,可以克服肿瘤乏氧因素,在腮腺癌、前列腺癌等治疗中都具有独特的效果。但是,物理剂量分布差,其损伤较重,抵消了治疗增益[4]。

质子束、氦离子的剂量分布具有Bragg峰的明显放射物理学特性。

重粒子射线是指比光子、电子质量大的粒子线。重粒子线包括不带电粒子和带电粒子。带电粒子以氖离子为界分为轻离子(质子、氦离子、碳离子、氖离子)和重离子(硅离子、氩离子等)。重离子束的高LET射线放疗不同于X(γ)、β线和质子线的低LET射线放疗。重离子束的高LET射线具有高RBE,对低LET射线抗拒的难治性肿瘤有强杀伤力,能够使肿瘤放疗的“生物剂量提升”,可突破常规放射肿瘤低LET射线治疗的发展瓶颈。

重粒子束既同时有Bragg峰的明显放射物理学特性,又具有高RBE值的双重优势,这预示着临床意义重大。目前,尤以碳离子束同时拥有高RBE值和比质子更好的物理剂量分布,使肿瘤有更好的适形性,可更好地保护肿瘤周围正常组织,减少或避免诱发第二肿瘤的风险。碳离子束是高LET射线,可使肿瘤DNA分子的损伤更密集、更严重,使DNA分子双链断裂而无法修复或再生,对肿瘤细胞形成致命性损伤。对放射抗拒的肿瘤细胞、乏氧肿瘤细胞同样具有很好的治疗效果[4~6]。重粒子束中的碳离子放射治疗(carbon ion radiotherapy,CIRT)是迄今最理想的临床肿瘤放疗用射线,已取得了优异疗效,使肿瘤的治愈率提高至60%~100%[1,5]。重粒子束治疗能够给予肿瘤致死剂量,同时避免肿瘤周围正常组织损伤,这正是肿瘤放疗所追求的目标。

2　重粒子束优异的物理学和生物学特性

2·1　重粒子束优异的肿瘤剂量分布　同步回旋加速器可将He、C、O、Ne、Si、Ar等重粒子加速到高达800 MeV的能量,即飞行速度达光速的84%左右,使其在高速运转的同时,在组织中的能量损失造成生物损伤。重粒子束在人体内的射程为30 cm左右,对癌变组织进行照射,仅需5~60 s即可完成一次照射。在粒子飞行轨道中心线上的电离、激发都是密度最高的范围,同时也是损伤频率最高的地方。

所以,粒子通过细胞核时几乎使细胞全部死亡,其杀伤力更强,达到杀灭癌细胞的目的。

重粒子射线在人体组织的一定深度会产生一个急剧上升的高剂量区———Bragg峰,即射线的绝大部分能量都释放在峰区,可使高剂量区集中覆盖在要治疗的肿瘤靶区(target volume)部位。而在峰区之前是一个低剂量的平坦段,在峰区之后其能量则骤降为零,因此可得到非常理想的剂量学分布。

2·2　重粒子束优异的放射生物效应

2·2·1　重粒子束的高LET射线、高RBE特性与低LET射线的稀疏电离辐射不同,高LET射线的生物学效应特性是致密性电离辐射。X(γ)、β线,氦粒子及质子线都是稀疏电离,属于低LET射线的特征。而中子、重粒子和负π介子是密集电离,属于高LET射线。放射线的生物学效应主要取决于在组织间产生的电离辐射的空间分布。碳粒子束的生物学特征属于高LET射线,在肿瘤靶区的RBE值一般在2·0~5·0之间。