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，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”,而且它們在射程末端處的能量損失最大,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,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,達到對腫瘤的最大殺傷,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,因為離子已經(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)引束流對腫瘤實行精確“適形治療”.正是由于質(zhì)子(或重離子)的這些特點,先后在世界上誕生了質(zhì)子和重離子束治療的先進技術(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.1954年,Tobias等在美國加州大學(xué)LawrenceBerkeley實驗室(LBL)進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,而且劑量分布優(yōu)勢(Bragg峰)更為顯著.因此重離子束在治療中表現(xiàn)出一系列的獨特優(yōu)點:治療精度高(mm量級);劑量相對集中、照射治療時間短和療效高;對腫瘤周圍健康組織損傷小;治療時能實時監(jiān)測,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,它被譽為是面向21世紀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.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開始進行重離子束放射治療臨床試驗,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).盡管當時的束流配送系統(tǒng)及治療計劃系統(tǒng)并不完善,但對于選定的腫瘤,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價等研究仍在繼續(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,美國又重新對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)起了一項稱為“對癌癥控制10年戰(zhàn)略”的宏大計劃,作為該計劃的一個很重要部分,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,束流強度為107—1010ions/s,最大能量可達800MeV/u,劑量率控制在5Gy/min左右.束流配送系統(tǒng)采用擺動磁鐵橫向擴展束流并配合多葉準直器的方式來實現(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;對于顱底瘤,3年局部控制率大于92%;對于肺及肝癌,3年局部控制率大于72%;對于前列腺癌,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取得了極大成功,日本政府已于2003年11月接受并承認重離子束治癌是一種高度先進的醫(yī)療系統(tǒng),正式啟動第二個“對癌癥控制10年戰(zhàn)略”,計劃在全日本興建50個重離子束治療中心,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進行設(shè)計.與NIRS開展碳離子束治癌臨床試驗取得巨大成功的同時,日本已于1996年在兵庫(Hyogo)開始興建另一個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離子束的治療特點和治療經(jīng)驗,開發(fā)和應(yīng)用了先進的柵網(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,達到了重離子束調(diào)強放射治療和束流實時在線監(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對兩種腦癌各治療的50個病例兩年局部控制率達到了100%,因此得到德國政府有關(guān)部門頒發(fā)的對這兩種癌癥重離子臨床治療的許可證,使得重離子束對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并投資1.417億馬克,在德國海得堡建造一臺專用于治癌的離子束加速器,2002年5月正式動工,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)和捷克等國家啟動了一項用于治癌的最優(yōu)化同步加速器的研究(PIMMS),2000年該項研究結(jié)束并發(fā)布了設(shè)計的醫(yī)用輕離子加速器的技術(shù)報告.2002年底意大利政府批準在米蘭南部的Pave建立國家強子治療中心,離子束治癌是其中一個很重要組成部分.該中心主要致力于碳離子束治療的研究,計劃建造4個治療室,3個水平治療室和一個垂直治療室,預(yù)計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重離子束治癌項目也已完成前期設(shè)計,處于籌備資金立項階段.法國里昂的ClaudeBernard大學(xué)也在PIMMS的基礎(chǔ)上完成了在法國實現(xiàn)重離子束治癌的方案(ETOILE),各項準備工作已就緒,正在等待最后的政府批準立項.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劃.包括德國海德堡重離子束治癌在內(nèi)的上述5個歐洲重離子束治癌中心成立了歐洲放射治療學(xué)會(ESTRO),該學(xué)會與歐洲癌癥研究機構(gòu)(EORTC),CERN和GSI形成歐洲輕離子治療網(wǎng).這個網(wǎng)絡(luò)的存在極大地促進了歐洲重離子束治癌研究迅猛前進.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”攀登計劃項目、科技部重大基礎(chǔ)研究專項“重離子治癌的前期研究”、國家基金委重點課題“加速器射線束治療癌癥中的若干重要物理問題的研究”等項目的支持下,