如何用粒子加速器做[一把超高效的手术刀？

更新时间：2026-02-19 05:11 来源：牛马见闻

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步攻击和破坏 DNA 结构�高密度的电离作用破坏 DNA�瘤中RBE的影响因素及计算方法-颜家玮等 A mechanistic investigation of the oxygen fixation hypothesis and oxy

这个]围绕着]我的这个周长 56 米的大圆环，是一个同步加速器。没错，就是你脑子里想的那个用来研究宇宙起源的粒子加速器。但它在这里的作用并不是为了发现新的粒子，而是为了 ——治疗癌症。 通过这个巨大的加速器，我们能够将一束碳离子加速光速的 70%，之后用它干碎癌细胞。大家好，我是差评君，今天我们就来聊一聊，粒子加速器，是如何治疗癌症的？ 眼前的这一整幢大楼是浙江省肿瘤医院的 “重离子治疗中心”，但它同时也是一套治疗装置。 事实上，这幢大楼里的每一个房间、每一条管线、每一个装置，都是为了能够保证在不伤害正常组织的前提下，把肿瘤处理干净。要理解这件事为什么这么难，我们得先从癌症是怎么出现的说起。 一颗受精卵，经过不断地分裂和分化，最终会形成人体的各个部分。这本来是正常的生理现象，但组成人体所需要的细胞实在是太多了，据估计，一个成年男性体内通常有 36 万亿个细胞。 这么多的细胞当中，难免有一些会在分裂和分化时出错，当某些细胞异常增殖和失控生长，就形成了肿瘤。而肿瘤中恶性的部分，被称作癌症。 当人们讨论癌症时，通常想到的便是实体肿瘤，也就是一块过度生长且不会停止的肉。先不考虑任何技术和原理，面对人体中一块不断生长的肉，人们第一反应应该就是把它割掉吧。没错，直接动手术将恶性肿瘤切除，就是最古老、最基本的肿瘤治疗方式。 手术治疗见效快、治疗彻底，但也有它特有的缺点。首先是手术治疗必须开刀，作为一种侵入性操作，会带来出血、感染、麻醉意外等风险。更重要的是，每个患者的身体状况和病灶位置不同，很多情况下根本无法开刀，又或者即使开刀也无法准确完整的切除全部肿瘤。 面对这种情况，我们需要更新、更好的治疗方式。1895 年，德国物理学家伦琴发现了 X 射线，次年，法国科学家贝克勒尔发现了放射性，之后，人们很快开始尝试用放射线治疗肿瘤。 早期的放射治疗，使用的主要是光子。通过直线加速器产生的高能量 X 光束进入人体后，会与组织内的原子和分子发生相互作用，进而杀死癌细胞。 相互作用有两种形式，一种是直接作用，一部分高速电子能够直接撞击并打断癌细胞的 DNA 链。但光子太小了，能够直接撞到DNA 的毕竟是少数，所以更主要的是靠间接作用。间接作用指的是，没有撞到 DNA 的那部分光子有更大的概率撞到水分子。 高速电子与细胞内的水分子发生碰撞，会产生大量化学性质极不稳定的自由基。这些自由基会像散弹一样散开，进一步攻击和破坏 DNA 结构，导致其单链或双链断裂。 欸，先慢着，间接作用的杀伤范围大，那在这过程中它是如何知道哪些细胞是癌细胞可以杀，哪些细胞是正常细胞不能杀的呢？ 问得好，答案就是它也不知道。 间接作用发生的过程中，自由基会平等的打断每个细胞的 DNA，所以理论上所有细胞都会遭受同样的伤害。但癌细胞由于快速分裂的特性以及基因组的不稳定性，其 DNA 修复能力通常比正常细胞差。 这有点像是正常细胞的血条比较厚，癌细胞的血条比较薄，X 光一个 AOE，正好能够杀死癌细胞，而正常细胞还能靠着一点血皮慢慢回上来。 但这还有一个问题，那就是 X 光造成的伤害是贯穿式的，也就是说，除了病灶发生的地方外，光路所及的所有正常组织也都会受到伤害。不仅如此，有些肿瘤块儿很大，内部的乏氧区会进一步削减光子化疗的效果。 你说把 X 光的功率调高一点吧，正常组织顶不住，调低一点吧，癌细胞反而能顶住了，这强弱之间微妙的 “度” 就很难把握。那么有没有什么东西能够切得像手术刀一样干净，又不会伤害浅层的组织呢？ 欸，真的有，那就是重离子放疗。 所谓的重离子放疗，指的是使用以碳离子为主的高能离子束，来精准摧毁癌细胞的技术。为什么需要用到碳离子呢？这是因为碳离子是一种实实在在的物质，它独占空间。而光子更像是一段能量组成的波，它没有静止质量也没有体积，只是电磁力的传递者。 举个不太准确但便于理解的例子。 向人体发射光子，像是往前吹一阵风，它影响的范围很广，但是没办法集中所有能量到一个固定的点。发射碳离子则像是往水里射出了一粒高速子弹。子弹刚入水的时候，速度极快，水来不及对它产生强烈阻挡，破坏反而并不集中。但随着子弹不断减速，水对它的阻力会急剧增大，最终甚至会形成一块破坏力巨大的空腔。 当然，碳离子本身非常小，实际造成它减速的是库仑力而非摩擦力。 想要在微观世界中描述粒子速度和能量释放的关系，我们可以通过贝特-布洛赫公式来表示。可以看出来，粒子的速度和能量损失是成反比的，也就是说碳离子的速度越慢，它的能量释放就越大，所以当它最后停下来的时候，能量会瞬间全部释放。 由于能量只在很小的区域内集中爆发，导致相对放射剂量如山峰般拔地而起，所以这种现象又被叫做 “布拉格峰”。 布拉格峰现象是重离子放疗能够隔山打牛的主要原因。但想要穿透人体组织这么深的距离，一般的速度可不够。我们需要把重离子加速到非常快，快到没办法简单的用米或是千米来衡量它的速度，而是得用 —— 光。 具体地说，重离子放疗会在一个巨大的同步加速器中，将碳离子加速到约光速的70%，然后通过高能离子束治疗癌症。而这么大的装置，其实一共是由五个部分组成的。 这里，是离子发生室，它是所有治疗的起点。将甲烷（ CH₄ ）注入到橙色的离子发生室中，就能分离出带正电的碳离子。 之后碳离子会进入一个小型的直线加速器里被初步加速。离子束被加速到一定速度后，就会进入到这个大圆环中，它也是整套装置最核心的部分 —— 同步加速器。它和欧洲的大型强子对撞机的原理基本上相同，是用电磁场去不断的加速整个离子束。 离子束进入加速器之后，会被二级磁铁引导偏转，然后在这个圆环中不断运动。 在圆环的特定位置设置有 “ 射频谐振腔 ”，它的功能是形成非常高频的交变电场。电场内的电磁波会像海浪一样，不断推动碳离子加速。但只加速一次肯定是不够的，所以射频谐振腔会不断改变电场的大小和方向。 这带来的结果是，碳离子每进入一次谐振腔，就会被推一把，单次推的力可能不是很大，可是碳离子在同步加速器中的速度非常快，每秒钟能转几十上百万圈，也就是会被推几百万次，逐渐累积起来的速度就非常快了。 在医用的同步加速器中，碳离子的速度最快能能达到每秒 21 万公里左右，然后将它射入人体。 离子束进入人体后，首先经过一个低剂量阶段，平稳地穿过挡在肿瘤前面的健康组织。当到达预定的病灶深度时，能量瞬间引爆，形成布拉格峰，对肿瘤细胞进行毁灭性打击。 随后，能量戛然而止，实现了对肿瘤后方健康组织最大程度的保护。因为肿瘤是立体的，所以我们可以想象成一个 3d 打印。我们 3d 打印是一层一层打印的，重离子治疗就是好比逆 3d 打印的过程，就是把肿瘤从体内 3d 打印没掉。 但还有一个小问题，人总是会动的，在 CT 室以这种姿势测出来的肿瘤位置，怎么能保证在治疗室还能准确还原呢。 我现在就在治疗室里面，如果我是一个癌症患者，我会经历怎么样的重离子治疗呢。 首先我进来之后，会被带到这里做一次现场的 CT，这就是为了保证我的身体情况 和我当时做治疗计划的时候是完全一致的。 做完 CT 后会被机械臂带到这边来，这里有张床。这个床是六维的，可以上下左右俯仰调整我的位置。除此之外，还有这样一个模具，就是为了保证我的位置固定不动，以及能够对准这些辅助线，跟我当时做治疗计划的时候一致。 除此之外，还有很多东西，比如上面的这些 DR 啊，能够实时监控我的身体状况，因为我可能因为心跳、呼吸、肠道蠕动改变我的位置。 为了能够完全消解呼吸这样不可避免的运动带来的位置变化，重离子治疗过程中还会加入 “ 呼吸门控 ”。也就是说，设备会根据患者的呼吸节奏，实时调整碳离子束的释放，只有当患者呼吸到特定的阶段、肿瘤刚好移动到准星之内时，才会发射。 通过这些方式，我们就能够保证碳离子被打出来的时候能够直达病灶，只对准癌细胞。通过多重验证确认患者姿势和位置，再加上粒子特有的布拉格峰现象，能让重离子放疗以极高的精度来消灭肿瘤。 举个具体的例子，比如说前列腺癌。 前列腺所在的位置非常刁钻，它藏在盆腔深处，前面是膀胱后面是直肠。如果用传统的光子放疗其实也能治，只不过就像咱们前面提到的，光子放疗的伤害是贯穿式的。因此，一些患者虽然治好了癌症，但会留下许多后遗症，像是放射性肠炎或是放射性骨髓抑制等。 这两种后遗症一个会影响消化和排便，另一个会影响造血功能，尽管不致命，可还是会对患者的生活水平造成很大影响。 兰州大学的一篇研究报告就指出，通过光子放疗产生放射性肠炎的概率大概在8%-10% 左右。但通过重离子放疗的话，导致放射性肠炎的概率就只有2%。 日本几家医院的治疗结果也表明，通过重离子放疗，前列腺癌患者的 5 年和 10 年生存率能够达到 95.8% 和 85%，副作用也显著降低了。 对于位置刁钻的癌症，重离子放疗杀得很准，但这还不是它的全部优点，它还有另一个独到的优势 ——「杀得干净」。 在很多肿瘤治疗的实践中，人们发现光子放疗的效果好坏很容易受到氧气的影响。光子治疗它是这样的，它对富氧状态的肿瘤效果就比较好，对于乏氧的肿瘤效果就不好。对于大一点的肿瘤外层是比较富氧的，效果就比较好，内部乏氧效果就不好。 前面讲了，光子放疗生效的主要方式是高速电子与细胞内的水分子碰撞产生活性氧自由基，进而杀死癌细胞。在这一过程中还需要一个十分重要的元素：氧气。 为什么氧气能够帮助自由基杀死细胞，目前业内还没有绝对的定论，这篇论文中提到的「氧固定假说」，算是比较公认的原因。 简单来说，氧气的作用并不是直接杀死细胞，而是在自由基造成伤害后将伤害固定下来。如果没有氧气的话，自由基产生的损伤可以很快被修复，而当氧气含量充足时，伤害就会加倍。 这等于是给所有细胞上了一个减少回血的 debuff，让 X 光的 AOE 伤害更高了。正常情况下，细胞中都是含有大量氧气的，但肿瘤这家伙就是喜欢搞特殊。 肿瘤说到底也是组织细胞，当它生长时，也会生成新的血管为癌细胞提供氧气和养料。但恶性肿瘤的生长速度实在是太快了，新血管的生成赶不上肿瘤的生长速度，于是肿瘤中心经常会出现低氧区域。 结合前面的两个知识点，同学们应该很容易想到，X 光杀肿瘤靠的是癌细胞血薄，但是它低氧状态不吃 debuff 又缓解了一部分。于是正反一抵消，就造成光子放疗时，癌细胞杀不干净，容易复发。 就拿有着癌中之王之称的胰腺癌的治疗来说，这类肿瘤通常伴随严重的乏氧情况，普通光子治疗的效果很差。那么总体像这胰腺的患者，那我如果用常规光子来做的话，他的两年生存可能统计只有 38%，而使用重离子能达到 56% 以上。 相比之下，重离子放疗主要是通过直接、高密度的电离作用破坏 DNA，其杀伤过程不依赖或极少依赖氧气的参与。这使得重离子能够无视肿瘤的乏氧状态，对乏氧和有氧细胞均表现出强大的杀伤力。 虽然癌细胞有减伤，但不好意思，重离子打的都是真实伤害。这种真实伤害并不只是停留在纸面上的理论，而是经过了大规模临床验证的现实。 截至目前，就在大家看到的这栋楼里，浙江省肿瘤医院已经使用重离子放疗治疗了超过 500 名患者。 这其中有癌中之王胰腺癌，也有对生活质量影响很大的前列腺癌，更多的是发病率最高的非小细胞肺癌。数字的背后，不是冰冷的统计，而是有 500 多个家庭被更先进的治疗方式拯救。 从手术治疗到光子放疗再到重离子放疗，不难发现，针对肿瘤的清除目标一直只有两个：准确识别和杀得干净。对比其他方案，重离子放疗确实是目前能够同时兼顾这两者的最好选择。 当然，它也并非完美无缺。 首先，最无法回避的问题，就是贵。 因为投入的这个设备非常昂贵，像浙江省这么一个重离子中心投了 12 个亿，包括设备，包括基建。动辄十数亿的建造费用，还有每年上千万的运维成本，使它成为了一种稀缺的顶级医疗资源，高昂的治疗费用将很多患者挡在门外。 此外，重离子放疗只适用于有明确边界的实体肿瘤，对于像白血病这样已经扩散至全身的血液癌症，或是发生了广泛转移的晚期癌症，它也同样束手无策。既然如此，我们为什么还要倾尽全力去发展它呢？只是为了服务少数有钱人吗？ 当然不是。 我们去研究和发展重离子放疗技术，并不是因为它现在已经足够完美。恰恰相反，正是因为它很昂贵，还无法帮助所有人。在这座庞大的装置背后，并不只是一项医疗技术，而是一整套人类与癌症对抗的能力体系。 从粒子物理，到精密制造；从控制系统，到临床医学；每一次优化、每一次降本，都在拉近先进治疗与普通患者之间的距离。也许有一天，加速器不再需要占据一整幢大楼，昂贵的设备会变得更紧凑、更普及。 到那时，重离子治疗将不再只是少数人的希望，而是更多生命能够被稳稳接住的多一个选择。 而这，才是我们不断探索的真正目的。 撰文：冯飞房 编审：杨子 & 蛋布利多&小鑫鑫 视频制作：小杨&锤子&十一&上进&迎风&老秦 美编：素描& 焕妍 图片、资料来源： 肿瘤放射治疗的发展-杨根等 重离子束在医学治疗中的应用-卫增泉魏宝文 用于碳离子束流布拉格峰展宽的新型多孔结构体的模拟-董思学等 重离子治疗肿瘤中RBE的影响因素及计算方法-颜家玮等 A mechanistic investigation of the oxygen fixation hypothesis and oxygen enhancement ratio-David Robert Grimes & Mike Partridge

编辑：Peter Cosgrove