這個圍繞著我的這個周長 56 米的大圓環(huán)，是一個同步加速器。沒錯，就是你腦子里想的那個用來研究宇宙起源的粒子加速器。但它在這里的作用并不是為了發(fā)現(xiàn)新的粒子，而是為了 ——治療癌癥。

通過這個巨大的加速器，我們能夠?qū)⒁皇茧x子加速光速的 70%，之后用它干碎癌細(xì)胞。大家好，我是差評君，今天我們就來聊一聊，粒子加速器，是如何治療癌癥的？

眼前的這一整幢大樓是浙江省腫瘤醫(yī)院的 “重離子治療中心”，但它同時(shí)也是一套治療裝置。

事實(shí)上，這幢大樓里的每一個房間、每一條管線、每一個裝置，都是為了能夠保證在不傷害正常組織的前提下，把腫瘤處理干凈。要理解這件事為什么這么難，我們得先從癌癥是怎么出現(xiàn)的說起。

一顆受精卵，經(jīng)過不斷地分裂和分化，最終會形成人體的各個部分。這本來是正常的生理現(xiàn)象，但組成人體所需要的細(xì)胞實(shí)在是太多了，據(jù)估計(jì)，一個成年男性體內(nèi)通常有 36 萬億個細(xì)胞。

這么多的細(xì)胞當(dāng)中，難免有一些會在分裂和分化時(shí)出錯，當(dāng)某些細(xì)胞異常增殖和失控生長，就形成了腫瘤。而腫瘤中惡性的部分，被稱作癌癥。

當(dāng)人們討論癌癥時(shí)，通常想到的便是實(shí)體腫瘤，也就是一塊過度生長且不會停止的肉。先不考慮任何技術(shù)和原理，面對人體中一塊不斷生長的肉，人們第一反應(yīng)應(yīng)該就是把它割掉吧。沒錯，直接動手術(shù)將惡性腫瘤切除，就是最古老、最基本的腫瘤治療方式。

手術(shù)治療見效快、治療徹底，但也有它特有的缺點(diǎn)。首先是手術(shù)治療必須開刀，作為一種侵入性操作，會帶來出血、感染、麻醉意外等風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，每個患者的身體狀況和病灶位置不同，很多情況下根本無法開刀，又或者即使開刀也無法準(zhǔn)確完整的切除全部腫瘤。

面對這種情況，我們需要更新、更好的治療方式。1895 年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了 X 射線，次年，法國科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性，之后，人們很快開始嘗試用放射線治療腫瘤。

早期的放射治療，使用的主要是光子。通過直線加速器產(chǎn)生的高能量 X 光束進(jìn)入人體后，會與組織內(nèi)的原子和分子發(fā)生相互作用，進(jìn)而殺死癌細(xì)胞。

相互作用有兩種形式，一種是直接作用，一部分高速電子能夠直接撞擊并打斷癌細(xì)胞的 DNA 鏈。但光子太小了，能夠直接撞到DNA 的畢竟是少數(shù)，所以更主要的是靠間接作用。間接作用指的是，沒有撞到 DNA 的那部分光子有更大的概率撞到水分子。

高速電子與細(xì)胞內(nèi)的水分子發(fā)生碰撞，會產(chǎn)生大量化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定的自由基。這些自由基會像散彈一樣散開，進(jìn)一步攻擊和破壞 DNA 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其單鏈或雙鏈斷裂。

欸，先慢著，間接作用的殺傷范圍大，那在這過程中它是如何知道哪些細(xì)胞是癌細(xì)胞可以殺，哪些細(xì)胞是正常細(xì)胞不能殺的呢？

問得好，答案就是它也不知道。

間接作用發(fā)生的過程中，自由基會平等的打斷每個細(xì)胞的 DNA，所以理論上所有細(xì)胞都會遭受同樣的傷害。但癌細(xì)胞由于快速分裂的特性以及基因組的不穩(wěn)定性，其 DNA 修復(fù)能力通常比正常細(xì)胞差。

這有點(diǎn)像是正常細(xì)胞的血條比較厚，癌細(xì)胞的血條比較薄，X 光一個 AOE，正好能夠殺死癌細(xì)胞，而正常細(xì)胞還能靠著一點(diǎn)血皮慢慢回上來。

但這還有一個問題，那就是 X 光造成的傷害是貫穿式的，也就是說，除了病灶發(fā)生的地方外，光路所及的所有正常組織也都會受到傷害。不僅如此，有些腫瘤塊兒很大，內(nèi)部的乏氧區(qū)會進(jìn)一步削減光子化療的效果。

你說把 X 光的功率調(diào)高一點(diǎn)吧，正常組織頂不住，調(diào)低一點(diǎn)吧，癌細(xì)胞反而能頂住了，這強(qiáng)弱之間微妙的 “度” 就很難把握。那么有沒有什么東西能夠切得像手術(shù)刀一樣干凈，又不會傷害淺層的組織呢？

欸，真的有，那就是重離子放療。

所謂的重離子放療，指的是使用以碳離子為主的高能離子束，來精準(zhǔn)摧毀癌細(xì)胞的技術(shù)。為什么需要用到碳離子呢？這是因?yàn)樘茧x子是一種實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)，它獨(dú)占空間。而光子更像是一段能量組成的波，它沒有靜止質(zhì)量也沒有體積，只是電磁力的傳遞者。

舉個不太準(zhǔn)確但便于理解的例子。

向人體發(fā)射光子，像是往前吹一陣風(fēng)，它影響的范圍很廣，但是沒辦法集中所有能量到一個固定的點(diǎn)。發(fā)射碳離子則像是往水里射出了一粒高速子彈。子彈剛?cè)胨臅r(shí)候，速度極快，水來不及對它產(chǎn)生強(qiáng)烈阻擋，破壞反而并不集中。但隨著子彈不斷減速，水對它的阻力會急劇增大，最終甚至?xí)纬梢粔K破壞力巨大的空腔。

當(dāng)然，碳離子本身非常小，實(shí)際造成它減速的是庫侖力而非摩擦力。

想要在微觀世界中描述粒子速度和能量釋放的關(guān)系，我們可以通過貝特-布洛赫公式來表示。可以看出來，粒子的速度和能量損失是成反比的，也就是說碳離子的速度越慢，它的能量釋放就越大，所以當(dāng)它最后停下來的時(shí)候，能量會瞬間全部釋放。

由于能量只在很小的區(qū)域內(nèi)集中爆發(fā)，導(dǎo)致相對放射劑量如山峰般拔地而起，所以這種現(xiàn)象又被叫做 “布拉格峰”。

布拉格峰現(xiàn)象是重離子放療能夠隔山打牛的主要原因。但想要穿透人體組織這么深的距離，一般的速度可不夠。我們需要把重離子加速到非?？?，快到?jīng)]辦法簡單的用米或是千米來衡量它的速度，而是得用 —— 光。

具體地說，重離子放療會在一個巨大的同步加速器中，將碳離子加速到約光速的70%，然后通過高能離子束治療癌癥。而這么大的裝置，其實(shí)一共是由五個部分組成的。

這里，是離子發(fā)生室，它是所有治療的起點(diǎn)。將甲烷（ CH? ）注入到橙色的離子發(fā)生室中，就能分離出帶正電的碳離子。

之后碳離子會進(jìn)入一個小型的直線加速器里被初步加速。離子束被加速到一定速度后，就會進(jìn)入到這個大圓環(huán)中，它也是整套裝置最核心的部分 —— 同步加速器。它和歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)的原理基本上相同，是用電磁場去不斷的加速整個離子束。

離子束進(jìn)入加速器之后，會被二級磁鐵引導(dǎo)偏轉(zhuǎn)，然后在這個圓環(huán)中不斷運(yùn)動。

在圓環(huán)的特定位置設(shè)置有 “ 射頻諧振腔 ”，它的功能是形成非常高頻的交變電場。電場內(nèi)的電磁波會像海浪一樣，不斷推動碳離子加速。但只加速一次肯定是不夠的，所以射頻諧振腔會不斷改變電場的大小和方向。

這帶來的結(jié)果是，碳離子每進(jìn)入一次諧振腔，就會被推一把，單次推的力可能不是很大，可是碳離子在同步加速器中的速度非常快，每秒鐘能轉(zhuǎn)幾十上百萬圈，也就是會被推幾百萬次，逐漸累積起來的速度就非?？炝?。

在醫(yī)用的同步加速器中，碳離子的速度最快能能達(dá)到每秒 21 萬公里左右，然后將它射入人體。

離子束進(jìn)入人體后，首先經(jīng)過一個低劑量階段，平穩(wěn)地穿過擋在腫瘤前面的健康組織。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的病灶深度時(shí)，能量瞬間引爆，形成布拉格峰，對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行毀滅性打擊。

隨后，能量戛然而止，實(shí)現(xiàn)了對腫瘤后方健康組織最大程度的保護(hù)。因?yàn)槟[瘤是立體的，所以我們可以想象成一個 3d 打印。我們 3d 打印是一層一層打印的，重離子治療就是好比逆 3d 打印的過程，就是把腫瘤從體內(nèi) 3d 打印沒掉。

但還有一個小問題，人總是會動的，在 CT 室以這種姿勢測出來的腫瘤位置，怎么能保證在治療室還能準(zhǔn)確還原呢。

我現(xiàn)在就在治療室里面，如果我是一個癌癥患者，我會經(jīng)歷怎么樣的重離子治療呢。

首先我進(jìn)來之后，會被帶到這里做一次現(xiàn)場的 CT，這就是為了保證我的身體情況

和我當(dāng)時(shí)做治療計(jì)劃的時(shí)候是完全一致的。

做完 CT 后會被機(jī)械臂帶到這邊來，這里有張床。這個床是六維的，可以上下左右俯仰調(diào)整我的位置。除此之外，還有這樣一個模具，就是為了保證我的位置固定不動，以及能夠?qū)?zhǔn)這些輔助線，跟我當(dāng)時(shí)做治療計(jì)劃的時(shí)候一致。

除此之外，還有很多東西，比如上面的這些 DR 啊，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控我的身體狀況，因?yàn)槲铱赡芤驗(yàn)樾奶?、呼吸、腸道蠕動改變我的位置。

為了能夠完全消解呼吸這樣不可避免的運(yùn)動帶來的位置變化，重離子治療過程中還會加入 “ 呼吸門控 ”。也就是說，設(shè)備會根據(jù)患者的呼吸節(jié)奏，實(shí)時(shí)調(diào)整碳離子束的釋放，只有當(dāng)患者呼吸到特定的階段、腫瘤剛好移動到準(zhǔn)星之內(nèi)時(shí)，才會發(fā)射。

通過這些方式，我們就能夠保證碳離子被打出來的時(shí)候能夠直達(dá)病灶，只對準(zhǔn)癌細(xì)胞。通過多重驗(yàn)證確認(rèn)患者姿勢和位置，再加上粒子特有的布拉格峰現(xiàn)象，能讓重離子放療以極高的精度來消滅腫瘤。

舉個具體的例子，比如說前列腺癌。

前列腺所在的位置非常刁鉆，它藏在盆腔深處，前面是膀胱后面是直腸。如果用傳統(tǒng)的光子放療其實(shí)也能治，只不過就像咱們前面提到的，光子放療的傷害是貫穿式的。因此，一些患者雖然治好了癌癥，但會留下許多后遺癥，像是放射性腸炎或是放射性骨髓抑制等。

這兩種后遺癥一個會影響消化和排便，另一個會影響造血功能，盡管不致命，可還是會對患者的生活水平造成很大影響。

蘭州大學(xué)的一篇研究報(bào)告就指出，通過光子放療產(chǎn)生放射性腸炎的概率大概在8%-10% 左右。但通過重離子放療的話，導(dǎo)致放射性腸炎的概率就只有2%。

日本幾家醫(yī)院的治療結(jié)果也表明，通過重離子放療，前列腺癌患者的 5 年和 10 年生存率能夠達(dá)到 95.8% 和 85%，副作用也顯著降低了。

對于位置刁鉆的癌癥，重離子放療殺得很準(zhǔn)，但這還不是它的全部優(yōu)點(diǎn)，它還有另一個獨(dú)到的優(yōu)勢 ——「殺得干凈」。

在很多腫瘤治療的實(shí)踐中，人們發(fā)現(xiàn)光子放療的效果好壞很容易受到氧氣的影響。光子治療它是這樣的，它對富氧狀態(tài)的腫瘤效果就比較好，對于乏氧的腫瘤效果就不好。對于大一點(diǎn)的腫瘤外層是比較富氧的，效果就比較好，內(nèi)部乏氧效果就不好。

前面講了，光子放療生效的主要方式是高速電子與細(xì)胞內(nèi)的水分子碰撞產(chǎn)生活性氧自由基，進(jìn)而殺死癌細(xì)胞。在這一過程中還需要一個十分重要的元素：氧氣。

為什么氧氣能夠幫助自由基殺死細(xì)胞，目前業(yè)內(nèi)還沒有絕對的定論，這篇論文中提到的「 氧固定假說 」，算是比較公認(rèn)的原因。

簡單來說，氧氣的作用并不是直接殺死細(xì)胞，而是在自由基造成傷害后將傷害固定下來。如果沒有氧氣的話，自由基產(chǎn)生的損傷可以很快被修復(fù)，而當(dāng)氧氣含量充足時(shí)，傷害就會加倍。

這等于是給所有細(xì)胞上了一個減少回血的 debuff，讓 X 光的 AOE 傷害更高了。正常情況下，細(xì)胞中都是含有大量氧氣的，但腫瘤這家伙就是喜歡搞特殊。

腫瘤說到底也是組織細(xì)胞，當(dāng)它生長時(shí)，也會生成新的血管為癌細(xì)胞提供氧氣和養(yǎng)料。但惡性腫瘤的生長速度實(shí)在是太快了，新血管的生成趕不上腫瘤的生長速度，于是腫瘤中心經(jīng)常會出現(xiàn)低氧區(qū)域。

結(jié)合前面的兩個知識點(diǎn)，同學(xué)們應(yīng)該很容易想到，X 光殺腫瘤靠的是癌細(xì)胞血薄，但是它低氧狀態(tài)不吃 debuff 又緩解了一部分。于是正反一抵消，就造成光子放療時(shí)，癌細(xì)胞殺不干凈，容易復(fù)發(fā)。

就拿有著癌中之王之稱的胰腺癌的治療來說，這類腫瘤通常伴隨嚴(yán)重的乏氧情況，普通光子治療的效果很差。那么總體像這胰腺的患者，那我如果用常規(guī)光子來做的話，他的兩年生存可能統(tǒng)計(jì)只有 38%，而使用重離子能達(dá)到 56% 以上。

相比之下，重離子放療主要是通過直接、高密度的電離作用破壞 DNA，其殺傷過程不依賴或極少依賴氧氣的參與。這使得重離子能夠無視腫瘤的乏氧狀態(tài)，對乏氧和有氧細(xì)胞均表現(xiàn)出強(qiáng)大的殺傷力。

雖然癌細(xì)胞有減傷，但不好意思，重離子打的都是真實(shí)傷害。這種真實(shí)傷害并不只是停留在紙面上的理論，而是經(jīng)過了大規(guī)模臨床驗(yàn)證的現(xiàn)實(shí)。

截至目前，就在大家看到的這棟樓里，浙江省腫瘤醫(yī)院已經(jīng)使用重離子放療治療了超過 500 名患者。

這其中有癌中之王胰腺癌，也有對生活質(zhì)量影響很大的前列腺癌，更多的是發(fā)病率最高的非小細(xì)胞肺癌。數(shù)字的背后，不是冰冷的統(tǒng)計(jì)，而是有 500 多個家庭被更先進(jìn)的治療方式拯救。

從手術(shù)治療到光子放療再到重離子放療，不難發(fā)現(xiàn)，針對腫瘤的清除目標(biāo)一直只有兩個：準(zhǔn)確識別和殺得干凈。對比其他方案，重離子放療確實(shí)是目前能夠同時(shí)兼顧這兩者的最好選擇。

當(dāng)然，它也并非完美無缺。

首先，最無法回避的問題，就是貴。

因?yàn)橥度氲倪@個設(shè)備非常昂貴，像浙江省這么一個重離子中心投了 12 個億，包括設(shè)備，包括基建。動輒十?dāng)?shù)億的建造費(fèi)用，還有每年上千萬的運(yùn)維成本，使它成為了一種稀缺的頂級醫(yī)療資源，高昂的治療費(fèi)用將很多患者擋在門外。

此外，重離子放療只適用于有明確邊界的實(shí)體腫瘤，對于像白血病這樣已經(jīng)擴(kuò)散至全身的血液癌癥，或是發(fā)生了廣泛轉(zhuǎn)移的晚期癌癥，它也同樣束手無策。既然如此，我們?yōu)槭裁催€要傾盡全力去發(fā)展它呢？只是為了服務(wù)少數(shù)有錢人嗎？

當(dāng)然不是。

我們?nèi)パ芯亢桶l(fā)展重離子放療技術(shù)，并不是因?yàn)樗F(xiàn)在已經(jīng)足夠完美。恰恰相反，正是因?yàn)樗馨嘿F，還無法幫助所有人。在這座龐大的裝置背后，并不只是一項(xiàng)醫(yī)療技術(shù)，而是一整套人類與癌癥對抗的能力體系。

從粒子物理，到精密制造；從控制系統(tǒng)，到臨床醫(yī)學(xué)；每一次優(yōu)化、每一次降本，都在拉近先進(jìn)治療與普通患者之間的距離。也許有一天，加速器不再需要占據(jù)一整幢大樓，昂貴的設(shè)備會變得更緊湊、更普及。

到那時(shí)，重離子治療將不再只是少數(shù)人的希望，而是更多生命能夠被穩(wěn)穩(wěn)接住的多一個選擇。

而這，才是我們不斷探索的真正目的。

撰文：馮飛房

編審：楊子 & 蛋布利多&小鑫鑫

視頻制作：小楊&錘子&十一&上進(jìn)&迎風(fēng)&老秦

美編：素描& 煥妍

圖片、資料來源：

腫瘤放射治療的發(fā)展-楊根等

重離子束在醫(yī)學(xué)治療中的應(yīng)用-衛(wèi)增泉 魏寶文

用于碳離子束流布拉格峰展寬的新型多孔結(jié)構(gòu)體的模擬-董思學(xué)等

重離子治療腫瘤中RBE的影響因素及計(jì)算方法-顏家瑋等

A mechanistic investigation of the oxygen fixation hypothesis and oxygen enhancement ratio-David Robert Grimes & Mike Partridge