日前，Molecular Oncology雜志發(fā)表了《歐洲離子治療的現(xiàn)狀》，介紹了離子治療的基本概念以及歐洲國家質(zhì)子治療在臨床中的應(yīng)用、臨床試驗和臨床研究的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)情況。本期為大家?guī)?span style="text-indent: 34px;">離子治療的基本概念、臨床經(jīng)驗及當前適應(yīng)證。點擊“閱讀原文”或聯(lián)系質(zhì)子中國小編(微信號：ProtonCN)獲取全文。

加速帶電粒子在放射治療中的應(yīng)用最初由Robert R. Wilson在1946年提出。與常規(guī)X射線相比，離子治療的物理優(yōu)勢在于其良好的深度-劑量分布，光子劑量隨深度呈指數(shù)下降，高速離子最初沉積的能量很少，但其單位軌跡的能量損失隨深度增加而增加，當它們接近組織范圍時，能量達到最大值，稱為布拉格峰(Bragg峰)(如圖1所示)。因此，可以在不影響腫瘤照射劑量的情況下降低對危及器官的照射劑量。在光子放療中，需要將多種不同角度的束流組合在一起，而離子束治療只需要少量的束流即可。此外，與傳統(tǒng)光子放療相比，離子治療還存在生物學(xué)上的優(yōu)勢，即Bragg峰附近帶電粒子的高線性能量轉(zhuǎn)移(LET)：高密度電離模式誘導(dǎo)的聚集性DNA損傷，難以修復(fù)和觸發(fā)不同的信號通路。 詳情請見質(zhì)子中國往期報道《帶電粒子束治療癌癥(一)：物理學(xué)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)》、《帶電粒子束治療癌癥(二)：生物學(xué)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)》。

質(zhì)子束治療所需的能量范圍約為60~250 MeV，覆蓋穿透深度為數(shù)厘米(如眼部腫瘤)~25厘米以上(如盆腔腫瘤)。對于重離子，如碳離子，每個核子(MeV·u^-1)各自的能量范圍在120~430 MeV·u^-1之間。歐洲多數(shù)專注于質(zhì)子治療的設(shè)施使用回旋加速器產(chǎn)生束流，而同時提供質(zhì)子和碳離子治療的四個歐洲離子治療設(shè)施均基于同步加速器產(chǎn)生束流?；匦铀倨髟陟o態(tài)磁場下工作，因此離子束在磁場中的循環(huán)半徑隨離子束能量的增加而增大。當束流達到最大能量時，從回旋加速器中引出，并通過在束流中插入射程移位器被動減少束流的穿透深度。在同步加速器中，離子束在可變磁場強度下通過一個固定半徑的環(huán)形軌道來補償離子的能量。束流逐漸加速，可以以任何能量從環(huán)形軌道引出。如此可以主動選擇束流的能量，而不是通過插入被動元件來降低束流的能量。

不管使用何種類型加速器，在束流引出后，狹窄的離子束流(筆形束)通過真空管道傳輸至治療室。為了使離子束流形成不規(guī)則腫瘤的形狀，臨床上主要使用兩種傳輸技術(shù)，即被動散射(passive scattering)和筆形束掃描技術(shù)(pencil beam scanning technique)。傳統(tǒng)的被動散射技術(shù)中，通過散射束流的機械元件擴展筆形束，根據(jù)腫瘤的二維投影通過準直器來實現(xiàn)適形。通過被動元件實現(xiàn)Bragg峰的深度-劑量調(diào)制，以覆蓋腫瘤的縱向范圍。所有計劃建設(shè)和最近建設(shè)的離子治療設(shè)施，均應(yīng)用或計劃應(yīng)用筆形束掃描技術(shù)，該技術(shù)束流在垂直和水平方向上受磁場影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。對于同步加速器，Bragg峰的深度位置通過主動能量變化來調(diào)整；對于回旋加速器，Bragg峰的深度位置通過射程移位器(range shifter)減少最大離子能量來調(diào)整。由于掃描技術(shù)不需要產(chǎn)生多余二級粒子(主要是中子)的機械元件來擴展束流和適形，因此其對健康組織的累積照射劑量較低。歐洲進行質(zhì)子治療(點掃描技術(shù))的瑞士PSI研究所和進行碳離子治療(光柵掃描技術(shù))的德國達姆施塔特GSI研究所，開創(chuàng)了掃描束流遞送的先河，為其在全球臨床中的應(yīng)用鋪平了道路。詳情請見質(zhì)子中國往期報道《瑞士PSI近期發(fā)表的PBS臨床研究（一）》、《瑞士PSI近期發(fā)表的PBS臨床研究（二）》。

為了盡可能精確地檢測、評估、描繪和追蹤腫瘤體積，影像在離子治療中起著至關(guān)重要的作用。不考慮束流遞送技術(shù)，治療計劃通?；诙嗄B(tài)成像(CT、MR、PET)。筆形束掃描技術(shù)與計算機優(yōu)化治療計劃相結(jié)合，根據(jù)預(yù)期治療目的即靶區(qū)目標劑量和可接受的危及器官的暴露劑量計算出要傳輸?shù)碾x子注量(particle fluence pattern)。傳統(tǒng)的被動散射技術(shù)治療計劃在人工試驗和誤差優(yōu)化中進行。

在圖像引導(dǎo)光子束治療的影響和推動下，先進的X射線成像(如錐形束CT, CBCT)在治療室的集成才剛剛開始。室內(nèi)成像可以說明治療過程中隨時間變化的解剖變化情況。此外，頻繁和重復(fù)的成像是自適應(yīng)放療的前提，通過影像學(xué)方法檢測到患者的特異性變化，以此進行治療方案的修改。用離子治療運動靶區(qū)具有挑戰(zhàn)性，此治療過程需要圖像引導(dǎo)。像門控技術(shù)或腫瘤追蹤這樣的運動緩解技術(shù)中，同步加速器或回旋加速器產(chǎn)生束流的時間結(jié)構(gòu)也非常重要。

在1946年Robert R. Wilson報道僅6年后，John Lawrence和Cornelius A也進行了相關(guān)報道。來自伯克利放射實驗室的Tobias首次將質(zhì)子應(yīng)用于臨床，用340 MeV的質(zhì)子束照射肢端肥大癥患者的腦垂體。至此，已有超過19萬例患者接受了質(zhì)子治療，2.8萬例患者接受了碳離子治療。目前，全球有80個已運營的質(zhì)子治療中心，其中約30%位于歐洲。歐洲質(zhì)子治療臨床機構(gòu)的數(shù)量正在快速增長：2017年有15個正在運營的治療設(shè)施，到2020年底將會有31個質(zhì)子治療設(shè)施應(yīng)用于臨床(如圖2所示)。目前亞洲有9家、歐洲有4家正在運營的碳離子治療中心。更多全球離子治療數(shù)據(jù)請見質(zhì)子中國往期報道《2019最新全球患者數(shù)據(jù)出爐，超過22萬患者接受離子治療》、《PTCOG2020線上會議開幕，發(fā)布最新全球離子治療數(shù)據(jù)》。

臨床使用質(zhì)子治療的原理主要基于其有利的劑量分布。質(zhì)子治療可用于增加靶區(qū)的照射劑量，以提高腫瘤局部控制率，和/或通過降低腫瘤附近危及器官的照射劑量來降低放療誘導(dǎo)的毒性反應(yīng)(如圖3所示)。顱底腫瘤(如脊索瘤或軟骨肉瘤)，是一種放療抵抗的腫瘤，與光子放療相比，質(zhì)子治療可將腫瘤控制率提高3~4倍。在兒童髓母細胞瘤中也觀察到，與光子放療相比，質(zhì)子治療可降低放療誘導(dǎo)的毒性反應(yīng)，即質(zhì)子治療可將患者體內(nèi)靶區(qū)以外的照射劑量降低4.5~6倍，從而降低放療誘導(dǎo)繼發(fā)性惡性腫瘤的風(fēng)險。