新一代重離子束治癌的最佳束流選擇

聶晶，李賀，李冰燕，裴海龍，周光明

1. 蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)院，江蘇高校放射醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123

2. 中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000

3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

*綜 述*

新一代重離子束治癌的最佳束流選擇

聶晶1，李賀2，3，李冰燕1，裴海龍1，周光明1

1. 蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)院，江蘇高校放射醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215123

2. 中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000

3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

重離子束在腫瘤治療方面具有獨(dú)特的物理學(xué)特性和生物學(xué)優(yōu)勢，臨床上采用碳離子束和氖離子束治療，都取得了很好的療效。本文通過文獻(xiàn)調(diào)研和理論計(jì)算，從物理學(xué)和生物學(xué)角度比較了碳、氮、氧、氟、氖等五種離子束的特點(diǎn)。將所有離子的Bragg峰定位在水中30 cm處時(shí)，氧離子束比碳離子束的核碎片產(chǎn)額更少、側(cè)散射更小；在生物學(xué)特性方面，氧離子束也可能與其它離子束存在差異，氧增比可能更小，對腫瘤干細(xì)胞的殺傷力更強(qiáng)，有可能作為新一代腫瘤放療用束流。

重離子束；腫瘤；放射治療；RBE；OER

腫瘤是人類三大死因之一［1，2］。世界衛(wèi)生組織《2014世界癌癥報(bào)告》顯示，2012年中國有220萬人死于腫瘤，新增307萬癌癥患者，新增數(shù)量居世界第1位，遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家［3］。據(jù)估計(jì)，到2049年我國腫瘤發(fā)病率可能達(dá)到400/10萬人［4］。顯然，我國在腫瘤的診斷與防治方面形勢嚴(yán)峻、任重而道遠(yuǎn)。

放射療法是腫瘤臨床治療的主要方法之一。腫瘤放射治療的基本原則是將輻照劑量最大限度地、精確地定位到腫瘤靶區(qū)，同時(shí)將對周圍正常組織的損傷盡可能降到最低。X射線、γ射線等低線性能量轉(zhuǎn)移（LinearEnergy Transfer， LET）射線進(jìn)入人體時(shí)，入射路徑上的正常組織所遭受的輻照劑量高于腫瘤靶區(qū)，而且靶區(qū)后部的正常組織也不可避免地遭受到一定的輻射，因而具有較大副作用［5］。重離子束進(jìn)入人體后，在人體內(nèi)的能量沉積方式與常規(guī)X射線、γ射線不同，呈倒轉(zhuǎn)的劑量分布：即入射處能量損失小，在一定射程內(nèi)呈現(xiàn)出較為平坦、均一的坪區(qū)，在射程的末端能量集中沉積，形成Bragg峰，之后能量沉積迅速下降至極低水平（如圖1）。Bragg峰在人體組織中所處的位置與離子束的初始能量呈正相關(guān)（如圖1A），通過調(diào)節(jié)重離子束的初始能量，可以將Bragg峰準(zhǔn)確定位于腫瘤靶區(qū)，使得輻照劑量集中在腫瘤組織內(nèi)，同時(shí)有效降低正常組織（包括入射路徑上的正常組織和腫瘤靶區(qū)后部的正常組織）的受照劑量［6］。因此，重離子束治癌具有獨(dú)特的物理學(xué)優(yōu)勢。

圖1 不同離子在水中的能量沉積分布Fig. 1 Energy deposition of five kinds of heavy ion particles in water Simulation calculation was carried out with Trim9.0. A， initial energy of each kind of heavy ion particles was 500 MeV/u. B， Bragg peak of each kind of heavy ion particles was located at 30 cm far from their entrance into water.

美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）的Tobias等人于1954年提出重離子束治癌的概念，1975年在世界上首次使用重離子束治療腫瘤病人［7］。1994年日本放射醫(yī)學(xué)綜合研究所的醫(yī)用重離子加速器HIMAC開始臨床應(yīng)用；1996年德國重離子中心開始臨床試驗(yàn)；2006年中國科學(xué)院近代物理研究所治療了第一例病人。迄今為止，重離子束治癌臨床和臨床前期試驗(yàn)共治療了逾萬例病人，局部控制率和五年生存率等都明顯高于其它療法［8］；另外，現(xiàn)有臨床結(jié)果也初步顯示，重離子束治癌復(fù)發(fā)率和轉(zhuǎn)移率都低于常規(guī)放療［9-11］。如今，日本新建了多家重離子束治癌中心，德國、意大利、中國上海都相繼建成了新的重離子束治癌專用裝置，奧地利、中國武威和蘭州的重離子束治癌裝置也在建設(shè)中。重離子束治癌在未來幾十年將蓬勃發(fā)展。

1 重離子束治癌的優(yōu)勢

重離子束治癌具有如下物理學(xué)優(yōu)勢：1、獨(dú)特的劑量分布。重離子束坪區(qū)的能量損失少，LET小；隨著深度增加，LET也隨之增加，并在Bragg峰區(qū)達(dá)到最大值，峰坪比大；尾部能量沉積急劇降至坪區(qū)以下。因此，可以將大部分輻照劑量定位到腫瘤靶區(qū)，同時(shí)周圍正常組織所遭受的劑量小。2、散射小。重離子束能量高、質(zhì)量大，與體內(nèi)生物分子碰撞所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方向改變小，因而不僅具有明確的射程，而且側(cè)向散射小、射程歧離小，有利于Bragg峰區(qū)在腫瘤靶區(qū)的準(zhǔn)確定位。3、發(fā)射的正電子有助于Bragg峰區(qū)所在位置的跟蹤。碳和更重的離子與人體內(nèi)的生物分子碰撞發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，發(fā)射出正電子，可以通過正電子斷層掃描（positive electron tomography，PET）進(jìn)行跟蹤定位，從而提供反饋信號(hào)，供治療計(jì)劃系統(tǒng)用以驗(yàn)證和調(diào)整。

重離子束治癌具有如下生物學(xué)優(yōu)勢：1、相對生物效應(yīng)（relative biological effectiveness， RBE）高。與X射線、γ射線等常規(guī)放療比較，重離子束屬于致密電離輻射，LET高，誘導(dǎo)的DNA團(tuán)簇性損傷難于修復(fù)，且修復(fù)的正確率低，因而RBE高［12］。2、氧增比（Oxygen Enhancement Ratio，OER）小。由于重離子束屬于致密的電離輻射，即便是在乏氧細(xì)胞中也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生復(fù)雜的、難于修復(fù)的DNA團(tuán)簇?fù)p傷，因而OER小。X射線等常規(guī)輻射的OER為2.5-3［13］，質(zhì)子束與之相近［14］，但高LET離子的 OER可以低到1［13］。3、細(xì)胞周期依賴性小。對于常規(guī)射線而言，合成期細(xì)胞具有較強(qiáng)的輻射抗性，而分裂期細(xì)胞對輻射比較敏感。但是對于重離子束而言，不同時(shí)相細(xì)胞的敏感性差別相對于常規(guī)射線而言小得多［15］。4、能有效殺滅腫瘤干細(xì)胞。最新實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了腫瘤干細(xì)胞的存在［16-20］。腫瘤干細(xì)胞假說認(rèn)為，腫瘤干細(xì)胞存在于腫瘤組織中，數(shù)量雖然不多，但具有自我更新能力、可以分化為腫瘤細(xì)胞的不同亞群，是腫瘤增殖、侵潤、轉(zhuǎn)移的根源，其數(shù)量與腫瘤的惡性程度和預(yù)后密切相關(guān)［21］。研究表明，腫瘤干細(xì)胞抗氧化活性高、DNA修復(fù)能力強(qiáng)、DNA修復(fù)以精確度更高的同源重組修復(fù)為主［22］，因此，腫瘤干細(xì)胞對X射線等低LET輻射具有較強(qiáng)的抗性，是腫瘤放療后復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的主要原因［23，24］。有效殺滅腫瘤干細(xì)胞是腫瘤放療成功的關(guān)鍵。2011年Cui等人首次用實(shí)驗(yàn)證明了碳離子束能夠有效殺滅腫瘤干細(xì)胞［25］。碳離子束對頭頸部鱗狀腺癌腫瘤干細(xì)胞［26］、結(jié)腸癌干細(xì)胞［27］的致死作用也得到了證實(shí)。我們則從神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系M059K和M059J中分別分離出腫瘤干細(xì)胞，并采用經(jīng)典的克隆形成和軟瓊脂培養(yǎng)兩種方法檢測了腫瘤干細(xì)胞樣細(xì)胞的輻射敏感性，發(fā)現(xiàn)碳離子束對腫瘤干細(xì)胞的殺滅作用顯著強(qiáng)于相同劑量的X射線。

正是由于這些獨(dú)特的物理學(xué)和生物學(xué)優(yōu)勢，重離子束被譽(yù)為21世紀(jì)最先進(jìn)的放療用射線。

2 重離子束治癌束流品質(zhì)的選擇

目前，臨床用于治療的重離子束為碳離子束和氖離子束。碳離子束比質(zhì)子束的側(cè)向散射少、射程歧離小、劑量分布好［19］，而且是適用于PET監(jiān)測照射精度最輕的離子［28］。隨著原子序數(shù)的增加，核碎片的反應(yīng)截面升高，核碎片的入射深度大于主束，對腫瘤后部正常細(xì)胞也會(huì)有影響。氖等重離子束的坪區(qū)生物效應(yīng)已經(jīng)很高，Bragg峰區(qū)RBE的增加不大，因此，重離子束治癌比較適宜采用比碳重比氖輕的重離子束。美國LBNL最初采用氖離子束治療病人，取得了不錯(cuò)的療效［29］；目前臨床上多采用碳離子束進(jìn)行腫瘤治療。然而，比碳重比氖輕的重離子還有氮離子、氧離子、氟離子等，究竟哪一種離子束是腫瘤治療的最佳束流尚為未知。我們假定腫瘤靶區(qū)位于體內(nèi)30 cm處，人體組織等效為水，然后將這3種離子的物理學(xué)、生物學(xué)特性與碳、氖離子束進(jìn)行了比較，以期篩選出適合腫瘤放療的最佳重離子束流。

2.1 核碎片

高能重離子束與靶物質(zhì)碰撞發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生比入射離子輕的核碎片，核碎片的產(chǎn)額和組成影響重離子束的射程并產(chǎn)生靶后劑量，因而核碎片不宜多。核碎片的產(chǎn)額與組成與重離子束的種類、初始能量、靶材料的成分以及靶的厚度有關(guān)。我們假定腫瘤靶區(qū)位于體內(nèi)30 cm處，為了將Bragg峰定位在腫瘤靶區(qū)，碳離子束的初始能量應(yīng)該為423 MeV/u，氮離子束為466.5 MeV/u，氧離子束為510 MeV/u，氟離子束為530 MeV/u，氖離子束為590 MeV/u。我們采用合適碎片計(jì)算的軟件Fluka進(jìn)行了碎片產(chǎn)額計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。重離子束所產(chǎn)生的核碎片產(chǎn)額與粒子種類有關(guān)；碳離子束產(chǎn)生的核碎片最多，氧、氮和氖離子束居中，氟離子束最少。隨著原子序數(shù)的增加，核碎片的入射深度逐漸增加，對腫瘤靶區(qū)后面正常組織的影響也會(huì)增加。

圖 2 Bragg峰位于體內(nèi)30cm時(shí)五種重離子束所產(chǎn)生的碎片產(chǎn)額利用Fluka軟件模擬計(jì)算423 MeV/u碳離子束、466.5 MeV/u氮離子束、510 MeV/u氧離子束，530 MeV/u氟離子束、590 MeV/u氖離子束的碎片產(chǎn)額與分布（A） ，及其對射程和LET的影響（B）。Total，碎片總產(chǎn)額。Fig. 2 Fragments induced in water by the five kinds of heavy ion particles with the energy resulting in the localization of their Bragg peaks at 30 cm far from their entrance into water. The data were obtained with Fluka simulation. The energy of carbon ions is 423 MeV/u， nitrogen 466.5 MeV/u， oxygen 510 MeV/u， fluorin 530 MeV/u and neon 590 MeV/u. A， the distribution and yields of fragments induced by the ions. B， Influence of the fragments on LET and range. Total， total yields of the fragments.

2.2 散射

有研究表明，束流穿過8 cm厚的水之后，主束的寬度增幅有限，而碎片的寬度顯著增加；與氖離子束等相比，碳離子產(chǎn)生的核碎片少，因此，利用碳離子束可以獲得理想的側(cè)向散射［28］。我們采用 Trim9.0軟件計(jì)算了五種重離子束的射程歧離和側(cè)向散射，結(jié)果如圖3所示。穿過30 cm厚的水，五種重離子束中氮離子束的射程歧離最小（1.17 cm），氟離子束最大（1.24 cm）；氧離子束（1.23 cm）和碳離子束（1.22 cm）居中。五種重離子束中，碳離子束的側(cè)向散射最大（1.87 mm），氖離子束最小（1.36 mm），氧離子束居中（1.57 mm），說明側(cè)向散射與重離子束的原子序數(shù)呈負(fù)相關(guān)，離子越重，側(cè)向散射越小。

圖3 Bragg峰位于體內(nèi)30cm時(shí)，五種重離子束的射程歧離（A）和側(cè)向散射（B）Fig. 3 The longitudinal （A） and lateral （B） straggling of the five kinds of heavy ion particles induced in water when their Bragg peaks were located at 30 cm far from their entrance into water.

2.3 PET跟蹤反饋

碳離子是可以產(chǎn)生正電子發(fā)射的最輕重離子［28］，所以，理論上，氮、氧、氟、氖等重離子束都可以進(jìn)行PET定位。

2.4 RBE

如圖1B所示，較輕離子束坪區(qū)的LET小，這類輻射在正常組織中產(chǎn)生的損傷大都是可以修復(fù)的，RBE接近1；Bragg峰定位在30 cm處的腫瘤靶區(qū)，碳離子束坪區(qū)的LET為10.34 keV/μm，氮離子束為13.55 keV/ μm，氧離子束為17.55 keV/μm，氟離子束為21.83 keV/μm，氖離子束為25.89 keV/μm。RBE隨著LET的增加而增加，在特定LET范圍達(dá)到最大值，然后隨著LET的進(jìn)一步增加，RBE值由于過殺效應(yīng)反而下降。RBE峰值對應(yīng)的LET跟原子序數(shù)密切相關(guān)。碳離子束在200 keV/μm時(shí)RBE最大，峰區(qū)的高劑量被高RBE增強(qiáng)［17］，這是采用碳離子束進(jìn)行腫瘤治療的一大優(yōu)勢。對于較輕的離子，RBE最大值處于峰區(qū)尾部劑量較小的部分，氦離子束在100 keV/μm，質(zhì)子束在25 keV/μm；對于更重的離子，RBE最大值在峰區(qū)之前［19］。理論上說來，氮、氧、氟三種離子坪區(qū)的RBE和最大RBE所處LET位置都介于碳離子束和氖離子束之間。遺憾的是，到目前為止還沒有文獻(xiàn)報(bào)道研究這五種離子束的RBE與LET的相關(guān)性，雖然這對于臨床選擇最佳束流非常關(guān)鍵。

2.5 OER

腫瘤靶區(qū)內(nèi)部存在大量的乏氧細(xì)胞，這類細(xì)胞具有較強(qiáng)的輻射抗性，影響常規(guī)放療的療效。Hirayama等人報(bào)道，細(xì)胞存活水平為10%時(shí)，X射線的OER為2.8±0.2；而80 keV/μm碳離子束的OER為1.8±0.0［30］。離子越重，OER應(yīng)該越小，對乏氧細(xì)胞和有氧細(xì)胞產(chǎn)生的殺滅效應(yīng)也越接近［31］。到目前為止我們沒有檢索到氮、氧、氟、氖等重離子束的OER值。但是，氧離子束的OER非常值得關(guān)注。氧離子束停留在腫瘤靶區(qū)后，不僅像其它重離子束一樣，導(dǎo)致生物分子的電離、誘導(dǎo)自由基的產(chǎn)生，而且一方面它自身有可能參與含氧自由基的形成，另一方面也有可能直接導(dǎo)致堿基或脂質(zhì)等生物分子的氧化，從而在理論上提高對乏氧細(xì)胞的致死率。因此，在這五種重離子束中，氧離子束很可能具有最小的OER，對乏氧細(xì)胞的殺傷力最強(qiáng)。

2.6 對腫瘤干細(xì)胞的致死作用

輻射對腫瘤干細(xì)胞的致死效應(yīng)與輻射品質(zhì)（radiation quality，包括離子種類和LET等）是密切相關(guān)的，但是，不同輻射品質(zhì)對于腫瘤干細(xì)胞的影響研究還是空白。深入研究不同輻射品質(zhì)對腫瘤干細(xì)胞的致死效應(yīng)，選擇最佳的輻照品質(zhì)，尤其是離子種類，對于重離子束治癌臨床治療計(jì)劃系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要。腫瘤干細(xì)胞具有較強(qiáng)的抗氧化能力，是輻射抗性高的原因之一［31］，但氧離子束照射很可能提高自由基的產(chǎn)額，或者直接導(dǎo)致生物分子的氧化，因而使得氧離子束對這類細(xì)胞的致死作用很可能比碳離子束更強(qiáng)。

3 展望

重離子束由于其獨(dú)特的物理學(xué)特點(diǎn)和生物學(xué)優(yōu)勢，在腫瘤治療方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。目前重離子束治癌臨床上采用的束流是碳離子束和氖離子束，碳離子束是否是臨床用最佳束流還值得探討，尤其是開展氮、氧、氟三種離子的生物效應(yīng)研究，對于選擇下一代重離子束治癌最佳束流是非常重要的。根據(jù)腫瘤的大小和深度，可以選取不同的離子種類來進(jìn)行臨床治療。最初人們認(rèn)為，對于相對較淺的腫瘤，可以用氬粒子；腫瘤深度為25 cm左右時(shí)，硅離子束似乎最有利，氖離子束可用于更深部的腫瘤治療［32］；后來人們意識(shí)到對于深部腫瘤而言，重離子束治癌應(yīng)該嚴(yán)格控制為比氖輕的離子［28］。顯然，實(shí)驗(yàn)研究氮、氧、氟等離子束殺滅腫瘤細(xì)胞（尤其是腫瘤干細(xì)胞）的RBE、OER，對于重離子束治癌臨床治療計(jì)劃的優(yōu)化、提高重離子束治癌的臨床療效是非常必要的。氧離子束不僅跟碳離子束一樣是人體基本組成元素、可以用PET進(jìn)行反饋跟蹤，而且跟碳離子束相比，氧離子束的核碎片產(chǎn)額少、側(cè)向散射小；更重要的是，理論上推測，氧離子束很可能比碳離子束OER更小、對腫瘤干細(xì)胞的致死作用更強(qiáng)，臨床效果更好，很有可能是重離子束治癌的最佳束流。因此，我們需要加強(qiáng)氧離子束對腫瘤細(xì)胞（特別是腫瘤干細(xì)胞）的生物效應(yīng)研究。

（References）

［1］ Siegel R， Miller K D， Jemal A D. Cancer statistics［J］. CA Cancer J Clin， 2015， 65： 5-29.

［2］ 陳萬青， 張思維， 鄭榮壽， 等. 中國2009年惡性腫瘤發(fā)病與死亡分析［J］. 中國腫瘤， 2013， 22（1）： 1-11.

［3］ Stewart B W ， Wild C P. World cancer report 2014［M］. IARC， 2014.

［4］ 趙平. 中國癌癥流行態(tài)勢與對策［J］. 醫(yī)學(xué)研究雜志，2013， 42（10）：3.

［5］ Vogelius I R， Bentzen S M. A literature-based metaanalysis of clinical risk factors for development of radiation induced pneumonitis［J］. Acta Oncol， 2012，51（8）： 975-983.

［6］ Fokas E， Kraft G， An H， et al. Ion beam radiobiology and c ancer： time to update ourselves［J］. Biochim Biophys Acta，2009， 1796（2）： 216-229 .

［7］ Schardt D. Tumor therapy with high-energy carbon ion beams［J］. Nuclear Phys A， 2007， 787： 633c-641c.

［8］ Schlaff C D， Krauze A， Belard A， et al. Bringing the heavy carbon ion therapy in the radiobiological and clinical context［J］. Radiat Oncol， 2014， 9： 88.

［9］ Ohno T. Particle radiotherapy with carbon ion beams［J］. EPMA J， 2013， 4（1）： 9.

［10］ Allen C， Borak T B， Tsujii H， et al. Heavy charged particle radiobiology using enhanced biological effectiveness andimproved beam focusing to advance cancer therapy［J］. Mutat Res， 2011， 711： 150-157.

［11］ Mizoe J， Tsujii H， Hasegawa A， et al. Phase I/II clinical trial of carbon ion radiotherapy for malignant gliomas：combined X-ray radiotherapy， chemotherapy and carbon ion radiotherapy［J］. In J Radiat Oncol Biol Phys， 2007，69（2）： 390-396.

［12］ Skinner H D， Hong T S， Krishnan S. Charged-particle therapy for hepatocellular carcinoma［J］. Semin Radiat Oncol， 2011， 21（4）： 278-286.

［13］ Fokas E， Kraft G， An H， Engenhart-Cabillic R. Ion beam radiobiology and cancer： time to update ourselves［J］. Biochim Biophys Acta， 2009， 1796： 216-229.

［14］ Kanemoto A， Hirayama R， Moritake T， et al. RBE and OER within the spread-out Bragg peak for proton beam therapy： in vitro study at the Proton Medical Research Center at the University of Tsukuba［J］. J Radiat Res，2014， 55： 1028-1032.

［15］ 葉飛， 李強(qiáng). 重離子治癌相關(guān)研究［J］. 原子核物理評論，2010， 27（3）： 309-316.

［16］ Woll P S， Kj?llquist U， Chowdhury O， et al. Myelodysplastic syndromes are propagated by rare and distinct human cancer stem cells in vivo［J］. Cancer Cell， 2014，25（6）： 794-808.

［17］ Miranda-Lorenzo I， Dorado J， Lonardo E， et al. Intracellular autofluorescence： a biomarker for epithelial cancer stem cells［J］. Nat Methods， 2014，11（11）： 1161-1169.

［18］ Driessens G， Beck B， Caauwe A， et al. Defining the mode of tumour growth by clonal analysis［J］. Nature， 2012，488： 527-31.

［19］ Chen J， Li Y， Yu T S， et al. A restricted cell population propagates glioblastoma growth after chemotherapy［J］. Nature， 2012， 488： 522-7.

［20］ Schepers A G， Snippert H J， Stange D E， et al. Lineage tracing reveals Lgr5+ stem cell activity in mouse intestinal adenomas［J］. Science， 2012， 337（6095）： 730-5.

［21］ Rasheed Z A， Kowalski J， Smith B D， et al. Concise review： emerging concepts in clinical targeting of cancer stem cell［J］. Stem Cells， 2011， 29： 883-887.

［22］ Bao S D， Wu Q L， McLendon R E， et al. Glioma stem cells promote radioresistance by preferential activation of the DNA damage response［J］. Nature， 2006， 444： 756-7601.

［23］ Brunner T B， Kunz-Schughart L A， Grosse-Gehling P， et al. Cancer stem cells as a predictive factor in radiotherapy［J］. Semin Radiat Oncol， 2012， 22：151-174.

［24］ de Jong MC， Pramana J， van der Wal JE， et al. CD44 expression predicts local recurrence after radiotherapy in larynx cancer［J］. Clin Cancer Res， 2010， 16： 5329-5338.

［25］ Cui X， Oonishi K， Tsujii H， et al. Effects of carbon ion beam on putative colon cancer stem cells and its comparison with X-rays［J］. Cancer Res， 2011， 71（10）：3676-87.

［26］ Bertrand G， Maalouf M， Boivin A， et al. Targeting head and neck cancer stem cells to overcome resistance to photon and carbon ion radiation［J］. Stem Cell Rev Rep，2014， 10： 114-126.

［27］ Oonishi K， Cui X， Hirakawa H， et al. Different effects of carbon ion beams and X-rays on clonogenic survival and DNA repair in human pancreatic cancer stem-like cells［J］. Radiother Oncol， 2012， 105（2）： 258-65.

［28］ Stelzer H. Tumor therapy with heavy ions at GSI［J］. Nuclear Phys B （Proc Suppl）， 1998， 61B： 650-657.

［29］ 馬林， 周桂霞， 馮林春. 惡性腫瘤高LET（重離子、快中子） 放射治療學(xué)［M］. 北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2006： 1-5.

［30］ Hiraya R， Furusawa Y， Fukawa T， Ando K. Repair kinetics of DNA-DSB induced by X-rays or carbon ions under oxic and hypoxic conditions［J］. J Radiat Res， 2005， 46：325-332.

［31］ Diehn M， Cho RW， Lobo NA， et al. Association of reactive oxygen species and radioresistance in cancer stem cells［J］. Nature， 2009， 458（7239）： 780-783.

［32］ Tobias C A， Lakely E A， Alpen E L， et al. Molecular and cellular radiobiology of heavy ions［J］. Int J Radiat Oncol Biol Phys， 1982， 8： 2109-2120.

Optimal beam for the next generation of heavy ion tumor therapy

NIE Jing1， LI He2，3， LI Bingyan1， PEI Hailong1， ZHOU Guangming1
1. School of Radiation Medicine and Protection， Soochow University， Collaborative Innovation Center of Radiation Medicine，Jiangsu Higher Education Institutions， Suzhou 215123
2. Department of Space Radiobiology， Institute of Modern Physics， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000
3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049

Heavy ions have been successfully used for tumor therapy and achieved outstanding clinical outcome due to its unique physical and biological characteristics. This paper compared the characteristics of carbon， nitrogen， oxygen， fluorine and neon beams both physically and biologically basing on published literatures and theoretical simulation. When we locate the Bragg peaks at 30 cm far from their entrance into water， oxygen ions induce less fragments and smaller lateral straggling. We take from granted that oxygen ions have lower oxygen enhancement ratio （OER） and stronger ability in killing cancer stem cells. Therefore， it is possible to apply for oxygen ions as next generation of heavy ion tumor radiotherapy.

heavy ion beam； tumor； radiotherapy； RBE； OER

Q691.5

A

10.11966/j.issn.2095-994X.2015.01.03.02

2015-07-01；

2015-07-24

國家自然科學(xué)基金（11335011，81372979，31370846）

聶晶，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橹仉x子輻射生物學(xué)，電子信箱：jingnie@suda.edu.cn；周光明（通信作者），教授，研究方向?yàn)橹仉x子輻射生物學(xué)，電子信箱：gmzhou@suda.edu.cn

引用格式：聶晶，李賀，李冰燕，等.新一代重離子束治癌的最佳束流選擇［J］.世界復(fù)合醫(yī)學(xué)，2015，1（3）：198-202