重離子治療惡性腫瘤的生物學基礎*

1.北京大學深圳醫院核醫學科 （廣東 深圳518036）

2.衛生人口計劃生育委員會 （廣東 深圳518036）

3.清華大學深圳研究生院 （廣東 深圳518055）

楊紅杰1 肖 平1 羅樂宣2 賈少微1 王 彤3

原子序數大于質子的正離子稱之為重離子。重離子治療是一種能在體外精確定位的新穎的放療技術，對于常規放療不敏感的惡性腫瘤是較為有前景的治療方法。相比于常規的放療，重離子惡性腫瘤治療具有獨特的優勢，本文就重離子治療惡性腫瘤的劑量分布優勢及相應的生物學基礎進行綜述。

1 重離子的劑量分布優勢

1.1 深度劑量分布特征 由于重離子的帶電性，其在貫穿靶物質時主要通過與靶原子核外電子的碰撞損失能量。隨著離子束進入組織中深度的增加，離子的速度減慢，其與局部組織的相互作用時間變長，將會有較多的能量被轉移至組織內。因此，離子的大部分初始動能是在接近其射程末端時損失的，在射程末端形成一個高劑量的能量損失峰，即布拉格峰(Bragg peak)，在布拉格峰之后僅有很少的能量損失，這即是重離子束相對于常規輻射特有的倒置深度劑量分布[1]。布格拉峰很窄，僅幾毫米的范圍就占離子束總能量的80%，此現象由William Henry Bragg在1903年發現，因此，將其命名為布拉格峰。由于常規輻射(X射線、γ射線、電子束、中子束)均呈指數衰減型劑量分布，無法將其大部分劑量調整到惡性腫瘤上，結果造成對于通過單一通道照射的深度惡性腫瘤，其前方組織所接受到的能量遠大于腫瘤區。因此，在常規輻射治療時淺層表皮總是受到最大損傷，且較深處的健康組織也會受到較大的傷害。通過改變重離子束的入射能量可以調節離子束布拉格峰位的深度，從而在治療時可精確地將布拉格峰位調整在惡性腫瘤靶區上。另外，相對于僅幾厘米大小的普通惡性腫瘤來說，布拉格峰較窄，因此，在治療時，需根據惡性腫瘤的前后徑來擴展布拉格峰(spread-out Bragg Peak,SOBP)，通常采用調整射線的能量或“補償濾片法”來達到SOBP。由于重離子的帶電性，還可以應用柵網掃描技術引導束流對惡性腫瘤進行精確斷層掃描的“適形治療”[2]。

1.2 橫向散射優勢 重離子在入射時由于其與靶原子核之間的庫倫作用而發生橫向散射。相比于質子和電子，重離子的質量及慣性較大，因此，在前進時其橫向散射較小。據計算，初始直徑為4mm的質子束與碳離子束的束流半高寬隨著貫穿深度的增加而增加，貫穿深度達到20cm時，質子束的橫向散射為初始的170%，而碳離子則僅為25%。對于深度為15cm左右的惡性腫瘤，質子束的劑量范圍控制精度為5mm，常規輻射無法控制，而重離子束的劑量范圍控制精度可為1mm[3]。

目前治療早期癌癥的主要方法即是手術切除，但是一些患者因不能耐受手術而不適合手術治療，尤其是顱底腫瘤，由于常常鄰近重要功能區而難以手術。雖然目前已經證實質子和立體定位放療的療效，但在治療過程中患者受照面積較大，易導致一些患者出現嚴重的不良反應。碳離子由于具有獨特的深度劑量分布特征，通過改變其離子束的入射能量調節離子束布拉格峰位的深度，在治療時可精確地將布拉格峰位調整在惡性腫瘤靶區上。Miyamoto[4]等對50例早期非小細胞肺癌患者行碳離子照射治療，結果顯示局部腫瘤控制率高達94.7%，5年生存率高達50.0%，并且周圍正常肺組織未見明顯的放療不良反應。劉銳鋒[5]等對7例肝癌患者行碳離子治療，結果顯示所有患者均未出現放射性肝炎或肝功能異常等不良反應，其治療后3月內的疾病控制率高達100%，客觀緩解率為57.1%，碳離子在殺滅肝癌細胞的同時又能保證周圍正常的肝功能，這進一步證實了碳離子治療的優勢。據報道，由于碳離子治療對周圍正常組織影響較小且對局部腫瘤的控制率較高，顱底腫瘤患者可以在4周內接受總劑量達64Gy劑量的碳離子治療[6]。Mizoe[7]等研究發現，碳離子治療顱底脊索瘤的5年局部控制率高達100%，且周圍正常組織僅有輕度的不良反應，沒有對任何重要器官造成嚴重的不良反應。

2 重離子治療的生物效應

2.1 相對生物效應高 相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)是指達到相同的最終生物效應時，用標準X射線(200～250keV)治療所需的劑量值Dx與用該離子所需用的治療劑量值Dh之比(RBE=Dx/Dh)，此值越大表示生物效應越好。大多數情況下，是使用細胞生存率作為終點生物效應，因此，通常用細胞生存率來理解RBE的含義[3]。根據劑量及所觀察的生物效應終點的不同，碳離子的RBE值一般在1.5～4.5之間。線性能量傳遞(linear energy transfer,LET)是指當粒子穿過物質時，每單位射程中粒子的能量損失。能量沉淀是表示粒子在穿透物質時的物理性能的一個物理參數，其通常用LET值來表述。重離子進入人體后，在射程末端其速度接近于零時，局部能量沉積變得更大，這種高能量沉積具有高度殺傷惡性腫瘤細胞的能力，因此，RBE值往往在布拉格峰末端處達到最高，然后，隨著布拉格峰的急劇下降，RBE值也急劇下降到零[8,9]。

當達到生存率為10的生物效應時，崔[10]等對體外結腸腫瘤干細胞樣細胞進行碳離子照射，結果顯示碳離子束的RBE值為2.05～2.28；Oonishi[11]等對胰腺腫瘤干細胞樣細胞進行碳離子照射時碳離子的RBE值為1.85～2.10，與上述結果基本一致，這提示碳離子更具有潛力破壞腫瘤干細胞樣細胞。Karger[12]等研究發現，當大鼠前列腺癌的控制率達到50%，所需碳離子和質子的劑量分別為43.7±2.3Gy和116.6±3.0Gy，相當于碳離子的RBE約為2.67±0.15。結合重離子高RBE及高LET的特點，在腫瘤靶區內集中大劑量的重離子束，能夠最大程度殺滅腫瘤細胞。

2.2 氧增比小 氧增比(oxygen enhancement ratio,OER)是指某種輻射照射乏氧細胞和有氧細胞達到相同生物學效應終點(例如，10%的存活率)時所需要的劑量比值。LET較低的射線作用于惡性腫瘤細胞時，先與細胞內的水等相互作用，產生的游離原子或分子間接作用于DNA，但在氧不充分的情況下不能大量損害靶分子DNA，低LET射線對氧含量依賴性大，不能有效殺死乏氧的惡性腫瘤細胞。但是重離子射線幾乎不受氧濃度的影響，直接作用于DNA，故可顯著降低氧增比值，有效地殺死乏氧惡性腫瘤細胞[3,9,13]。

2.3 對細胞的損傷沒有周期依賴性 低LET射線的輻射敏感性隨著細胞周期的不同而不同，細胞在M期時輻射敏感性最強，而在S期時輻射抗性較強。但高LET的重離子射線，其輻射敏感性隨細胞周期各時相的變化波動很小，其對細胞的致死效應幾乎不受細胞周期的影響。重離子輻射治療不僅導致惡性腫瘤細胞更易阻滯于G2和M期，并且對那些低LET射線抵抗的處于平臺期和S期的惡性腫瘤細胞也較為敏感[14,2]。Matsumoto[15]等研究發現，細胞周期相關基因的表達在重離子照射后明顯下調，使得更多的細胞阻滯于G2和M期，從而能夠使放射線的殺傷效果更明顯。Suzuki[16]等的研究結果也顯示，細胞周期負調控因子P27的表達水平在接受重離子照射后顯著低于光子線照射，使細胞再增殖明顯受到抑制。

3 重離子治療使癌細胞死亡的原因

3.1 DNA損傷與修復 DNA雙鏈斷裂(DNA doublestrand break,DSB)是引起癌細胞死亡的主要原因。與常規射線相比，重離子的高RBE值可產生大比例的無法修復的DNA鏈斷裂，并且可能對DNA位點造成多重損傷。這些復雜的DNA損傷摧毀了細胞的修復系統，細胞在經歷過多次的嘗試性修復后最終凋亡，這同樣適用于具有強大修復能力對放射不敏感的細胞。重離子射線誘導的DSB片段長度隨著LET的增加而減少，同時RBE值增大[17]。研究發現，重離子誘導的DSB修復速度明顯慢于X或γ射線誘導的DSB修復[18]。γH2AX片段的數量與放療后未修復的DSB量直接相關，Grosser[19]等報道，高LET離子照射產生的γH2AX片段持續存在至少72小時，而γ射線誘導產生的γH2AX片段僅存在22小時，這可能與高LET離子所造成的多為復雜性DNA損傷有關。

3.2 重離子致DNA雙鏈斷裂機理 根據電子遷移理論，放射線進入人體后，帶電粒子與組織細胞的原子碰撞，入射粒子的能量轉變為發射電子的動能，這些帶動能的發射電子和入射帶電粒子共同決定生物效應。當重離子接近布拉格峰時，電子在前后兩次碰撞間的平均自由行程距離與DNA分子兩個基因鏈間的距離剛好相同，故能夠直接切斷DNA雙鏈，使得DNA無法修復，這即是重離子能有效治療輻射抗拒型和乏氧型惡性腫瘤細胞的主要原因。但應用X射線、電子和質子治療時，由于其對應的平均自由行程遠大于DNA鏈的尺寸，其僅能切斷DNA單鏈，不能直接破壞DNA中的雙鏈。由于DNA本身具有很強的修復能力，如果不能在此切斷的單鏈DNA復原之前再切斷另一根鏈，則癌細胞就不能殺死。X射線、電子和質子的這種只有間接殺死癌細胞的功能也是其不能有效治療輻射抗拒型和乏氧型惡性腫瘤細胞的主要原因[8,14]。

4 中國重離子治療腫瘤

蘭州中國科學院近代物理研究所與德國重離子治療中心合作，于2005年建成“重離子束淺層腫瘤(深度小于2.5cm)治療裝置”。在2006年11月到2009年3月期間，利用該裝置共治療了103例淺層腫瘤(大部分是常規放療及其他方法治療無效或易復發的腫瘤，在整個治療過程中沒采用任何輔助藥物)患者，在治療結束2～3月后，大部分患者腫瘤消失，治療1～1.5年后，腫瘤控制率達到90%以上，療效顯著。2007年甘肅省腫瘤醫院和蘭州軍區蘭州總醫承擔臨床試驗，通過治療150多例惡性腫瘤患者，證實重離子是一種非常有效的治療技術，不良反應輕微，患者耐受性好。這標志中國繼美國、德國、日本后，成為世界上第4個利用重離子束治療腫瘤的國家。2008年，該中心建成了重離子束治療深部腫瘤的終端，并于2009年4月完成了第一批深層腫瘤治療臨床試驗研究[14]。2009年，上海開始全套引進西門子技術建造重離子腫瘤醫院，目前已竣工并將于2014年5月正式運營。

5 結語

重離子具有獨特的物理性能和對惡性腫瘤細胞強殺傷作用，其對惡性腫瘤細胞增殖周期、細胞內氧濃度及惡性腫瘤細胞的損傷修復依賴性很低，能夠有效殺死各種類型的惡性腫瘤細胞，重離子對惡性腫瘤的治療在國內外臨床上均取得了很好的效果，是目前非常有前景的治療惡性腫瘤的技術。

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