日本筑波大学学者发表在Journal of Personalized Medicine的一篇述评回顾，从日本质子、碳离子、硼中子俘获治疗(BNCT)等粒子治疗的基础和临床应用综合探讨日本粒子治疗在多学科治疗中的作用，并对粒子治疗未来的发展前景进行展望。
摘要
本文讨论了粒子治疗在多学科治疗中的作用。目前用于癌症治疗的三种粒子治疗：质子治疗(PT)、碳离子治疗(CIT)和硼中子俘获治疗(BNCT)。PT和CIT由于其布拉格峰的物理特性而具有出色的治疗效果。化疗、激素治疗、免疫治疗等多种治疗策略相结合，使治疗效果得到改善。BNCT因硼的核反应对癌症具有高剂量浓度，BNCT依靠硼制剂在癌细胞中积累10B，可以达到选择性治疗癌细胞效果。因此，目前非常需要包括纳米颗粒在内的药物递送研究。在这篇回顾中，我们从多学科治疗的角度介绍了粒子治疗的临床应用和基础方面，预计未来将进一步扩大粒子治疗。
背景：一种新型放射治疗——粒子治疗
粒子治疗设施的发展和扩大
粒子治疗是放射治疗(RT)的一种。粒子治疗向肿瘤提供高放射剂量，并且随着技术的改进产生抗肿瘤作用。PT和CIT是常见的粒子治疗。1946年，Wilson首次提出在RT中使用加速质子，他在美国加利福尼亚州伯克利实验室的回旋加速器中研究加速质子的深度剂量分布，并观察到粒子范围末端的能量沉积急剧增加，这被称为布拉格峰。1958年，伯克利的劳伦斯放射实验室报道了加速质子在26例晚期乳腺癌患者垂体中的首次临床应用。在接下来的几十年里，已经进行了几项临床研究。但是，这些试验都是在物理实验室进行的。因此，它们的束流时间很少，而且束流不一定是为医疗用途而设计的。最早使用PT的医疗设施是于1989年建造在英国克拉特布里奇肿瘤中心(配备回旋加速器)，以及1990年建造在美国加利福尼亚州洛马琳达大学(配备同步加速器)。CIT的第一个医疗设施于1994年在日本千叶的HIMAC启动。截至2019年，超过250,000例患者接受了粒子治疗(质子和碳离子)。近年来，治疗设施的数量迅速增加。目前，全球有100家机构能提供相关治疗，一共有95个PT设施和12个CIT设施。美国的设施数量最多，有40个设施，其次是日本，拥有24个设施，德国拥有7个设施，俄罗斯拥有5个设施。日本在其狭小的土地上拥有20多个粒子治疗设施，是粒子治疗日益普及的国家之一(图1)。
图1.日本粒子治疗设施
粒子治疗的物理学特性
质子和碳离子的剂量分布与光子的剂量分布有很大不同。最大区别在于深度剂量分布，即布拉格峰，粒子治疗通过这一个物理特性可以将最大的能量给予束流停止附近的周围环境(癌症部分)(图2a)。尽管质子和碳离子的剂量分布非常相似，但碳离子束比质子束具有更窄的半影和更长的尾影。
在粒子治疗中，会形成扩展布拉格峰(SOBP)以使该布拉格峰与肿瘤的大小相匹配(图2b)。近年来，束流形成技术发展迅速，除了传统的被动散射系统(PSS)之外，越来越多的设施正在引入主动扫描系统(ASS)。PSS使用旋转散射体从垂直和水平方向扩展束流，并使用准直器优化束流。相比之下，ASS使用细笔形束，由电磁铁进行垂直和水平偏转，并且可以通过改变加速器的能量来调节深度。主动扫描技术的优势在于其在形状复杂的靶区体积中的应用，并降低了制造患者特定设备(如补偿器)的成本，而缺点是较大的横向半影。
图2.临床X射线、质子和碳离子的(a)深度剂量分布和(b)扩散布拉格峰(SOBP)
粒子治疗的生物学特性
质量和数量的概念对于理解PT的生物学效应很重要。PT的质量定义为每条轨道传输的能量总量(线性能量传递;LET)。高LET照射会对细胞造成更严重的损伤，以难以修复的DNA损伤为代表。由于LET的差异而造成的生物效应差异的参数是相对生物有效性(RBE)，其定义参考光子照射与产生相同生物效应的粒子照射之间的剂量比。质子RBE的国际标准是1.1。然而，最近的研究表明，质子SOBP的远端显示出稍高的RBE值，这取决于LET。相比之下，具有高LET的碳离子束流显示出高RBE值，生物RBE约为1.5，临床RBE约为3.0。此外，重要的是需要认识到，尽管RBE是表达相对效应的有用参数，但其值可能因生物学终点和生物学效应水平而异。此外，众所周知，具有较高LET照射的碳离子对乏氧和普遍抗照射的肿瘤具有杀伤作用。在氧气存在的情况下，照射的生物效应会增强(氧效应)。氧增强率(OER)是表示生物效应在存在或不存在氧时差异的参数。OER表示为在有氧和乏氧的情况下诱导相同生物效应所需的吸收剂量之比。RBE和OER是LET依赖变量(图3)，LET越高RBE越高，在大约100~200 keV/µm时达到最大值，然后降低(过度杀伤效应)。OER在低LET时显示出大约2.5~3.0的值，在高LET时逐渐接近1。高RBE和低OER值是具有高LET的重离子束的特征生物学特性。
图3.RBE、OER和LET之间的关系
