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【科學大院】精準消滅癌細胞，這種設備中國自己造出來了！
近日，中科院發(fā)布了國內(nèi)首臺自主知識產(chǎn)權(quán)碳離子治療系統(tǒng)。碳離子治療系統(tǒng)是技術(shù)先進的大型醫(yī)療器械，融合了加速器、核探測、醫(yī)學診療等相關(guān)技術(shù)，提供碳離子束用于癌癥的治療。
等等，有人可能要問了，碳離子？加速器？這和治療癌癥有什么關(guān)系？我沒看錯吧？
你沒有看錯，這確實是一臺能治療癌癥的加速器。它是如何做到的？讓我們先從人類對付癌癥的方法說起?！ ?section>
對付癌癥的三種利器
細胞是人體的結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位。每個人體內(nèi)都有數(shù)十萬億計的細胞，它們每天有序“工作”，人體才能正常運轉(zhuǎn)。
但如果人體的正常細胞發(fā)生了病變，這個“生了病”的細胞就會變成另一副面孔，它不再有計劃地正常分裂，而是變得極具掠奪性，瘋狂搶占營養(yǎng)、惡性繁殖、生長失控，這種帶有浸潤性和轉(zhuǎn)移性特征的“魔鬼細胞”，就是癌細胞。所以，一旦人類遭遇細胞癌變，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，人類并非束手無策！藥物治療、手術(shù)切除和放射治療就成為了人類消滅腫瘤君的3大利器。而隨著科技的發(fā)展，每一個利器都在逐步進化完善，提升自身的殺敵技能。
這臺我國自主知識產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)，正是“放射治療”家族的一員大將，它的出現(xiàn)，意味著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(quán)的“放療2.0時代”（此處劃重點：自主知識產(chǎn)權(quán)！國產(chǎn)?。?nbsp;
放療1.0時代：殺敵一千，自損八百
一說到放射治療，大家會想到什么？掉光的頭發(fā)，虛弱的身體，無法確定的治療效果……
這些都是“放療1.0時代”給大家?guī)淼墓逃杏∠?。之所以會這樣，和放射治療中所使用的射線有關(guān)。
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時代”，最常使用的射線是X射線，還會使用我們熟悉的伽馬射線，它們都被稱為傳統(tǒng)放療射線（光子放療）。
在對抗癌細胞時，傳統(tǒng)射線就像是一個蒙著眼睛的殺手，無法主動辨別正常細胞和癌細胞，在進入人體后實施無差別殺傷。
傳統(tǒng)射線的這種自帶屬性，對于患者而言，隨之而來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，治療效果其實就是在“賭”，賭的是好細胞和癌細胞誰先扛不住。最可怕的是，經(jīng)常出現(xiàn)好細胞先認慫、癌細胞的生命力卻特別頑強的結(jié)果。
重離子束：21世紀最理想的放療射線
但是聰明的人類并不會將自己的命運投注在只能依靠運氣的豪賭上，于是，我們可愛的科研人員不斷的尋找、創(chuàng)造、改良著可以利用的新手段，終于找到了比傳統(tǒng)射線這個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(shù)大于2的原子失去電子的離子。
1903年，英國物理學家威廉·亨利·布拉格William Henry Bragg與克里曼Kleeman在實驗中觀測到帶電粒子束進入物質(zhì)后，會在某個深度形成一個劑量高峰，科學界稱之為“Bragg峰”，中文譯為“布拉格峰”。
這個“神奇”的現(xiàn)象引起了科學家的注意。1946年，美國人威爾遜首次提出用布拉格峰進行腫瘤放療，他認為，帶電粒子束進入人體后不會像傳統(tǒng)射線那樣在沿途不斷地釋放能量，而會在某一特定深度（即腫瘤部位）釋放幾乎全部的能量。這就意味著，帶電粒子束比傳統(tǒng)放療所使用的的X射線、伽馬射線更具優(yōu)勢。同樣是美國，1975年勞倫斯伯克利實驗室 (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、中國相繼開展重離子束治療腫瘤的研究?！ ?section>
對比X射線和重離子束，X射線在剛一進入身體后，就開始釋放能量，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，這個叫重離子束的新一代殺手，在面對腫瘤時都升級了哪些技能？
技能一：殺敵不再蒙眼，精確區(qū)分敵我。
這個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程中，沉積的劑量較?。ㄆ簠^(qū)），也就是說在穿透過程中，重離子束只是路過并不施加傷害，這樣的話，正常細胞終于可以不再躺槍，有利于保護正常組織和關(guān)鍵器官；當他到達癌細胞時，才開始放大招殺敵，就是所謂的劑量主要沉積在射程末端（峰區(qū)），這個現(xiàn)象就是前文提到的“布拉格峰”。
因此可以通過調(diào)節(jié)重離子的能量，使布拉格峰精確落在腫瘤處，從而進行精準殺滅，同時關(guān)愛健康組織。值得指出的是，布拉格峰現(xiàn)象是重離子束的自身屬性，簡直是射線界“天使”。
技能二：殺敵能力更強，治療周期更短。
這個技能叫做相對生物學效應（RBE）高。重離子束進入生物組織后，在“峰區(qū)”—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強大的殺傷力，這會使得癌細胞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效應到底有多高呢？給個對比，重離子的相對生物學效應比常規(guī)光子射線的要高約3倍。因而，重離子束對癌細胞的“殺傷力”更大，治療次數(shù)相應減少，從而縮短治療周期?！ ?section>
技能三：對氧依賴小，敏感性更強。
這個技能叫做氧增比（OER）小。大量證據(jù)表明，腫瘤生長于特有的異常血供系統(tǒng)，從而導致對腫瘤細胞的供氧和養(yǎng)分不足，稱之為乏氧細胞。然而，常規(guī)射線對于這些乏氧細胞并不敏感，如何提高瘤內(nèi)乏氧細胞的放射敏感性也是腫瘤放療的一個重要問題。
與常規(guī)光子放療不同，重離子束對腫瘤細胞的殺傷不依賴于氧的存在。因為重離子主要是通過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。
技能四：成像看得見，治癌精度高。
這個技能叫做PET在線劑量驗證。重離子束與生物組織的原子核相互作用后會產(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(nèi)腫瘤的劑量分布進行在線驗證，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(nèi)，精確有效地殺滅腫瘤細胞，且對周圍健康組織的損傷達到最小，特別是對于不宜手術(shù)、對常規(guī)射線不敏感、常規(guī)射線治療后復發(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特性，重離子束被認為是21世紀最理想的放療射線，通常選用碳離子束作為重離子放療射線。（選用碳離子是因為它的相對生物學效應（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家運營中的重離子醫(yī)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(nèi)，重離子醫(yī)院已累計治療腫瘤患者約3萬人。
重離子束治療腫瘤得以實現(xiàn)，難度非常大。它需要扎實的研究基礎(chǔ)——核物理及其交叉學科的研究；還需要先進的工具——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(tǒng)會誕生于中國科學院近代物理研究所（以下簡稱“近代物理所”）了。
近代物理所致力于核物理基礎(chǔ)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，近代物理所開展了大量的細胞試驗、動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(yī)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)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。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驗室走向市場的重要橋梁，研制并建成了這臺我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器——中國碳離子治療系統(tǒng)。
中國碳離子治療系統(tǒng)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組成，擁有60余項專利（其中2項獲中國專利優(yōu)秀獎），采用回旋注入與同步主加速相結(jié)合的技術(shù)路線以及電荷剝離注入、緊湊型同步加速器、多治療模式和個性化治療室布局的獨特設計，不僅突破了國外同類產(chǎn)品的專利壁壘，還提高了性價比、降低了運行維護成本，實現(xiàn)了國產(chǎn)重離子放療設備零的突破。
根據(jù)國際和國內(nèi)重離子治療癌癥研究數(shù)據(jù)統(tǒng)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(guī)放射治療相對不明感的實體腫瘤。根據(jù)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(tǒng)凝聚了幾代科技人員的心血，實踐了一條從“基礎(chǔ)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被國外產(chǎn)品的壟斷，是基礎(chǔ)研究促進科技發(fā)展的典范。
國產(chǎn)碳離子治療系統(tǒng)涉及核物理、加速器、生物、醫(yī)學、影像學、電子學和人工智能等諸多學科，是核技術(shù)在生命科學領(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(zhuǎn)化應用，是大科學裝置回報社會的典范。
