锋利的射击游戏

临床医生和许多类型的武器攻击癌细胞,从解剖刀物理删除全部或大部分肿瘤的药物,杀死肿瘤细胞。在大约一半的癌症患者,医生追求与电离辐射的恶性细胞。

经典放射治疗主要包括x射线。但是因为这些失去能量沿着他们的道路通过人体-破坏健康的细胞,他们越来越多的临床医生和研究人员关注使用带电粒子束如质子和碳离子¹。带电粒子可以存款大部分致命的能量主要在肿瘤站点,很大程度上保留健康的组织。质子比x射线更致命的癌症细胞,似乎和碳离子在致命的2 - 3倍。

在世界范围内,约有100000人接受质子治疗癌症。日本、中国、德国和意大利建立了离子束设施治疗约12000患者碳离子,大多数在日本和德国(见“碳数”)。

信贷:来源:粒子治疗合作小组,NIRS日本;海德堡大学医院

碳离子比质子更重,所以设施交付贵。德国和日本的带电粒子设施成本1.3亿美元和2亿美元之间。然而,有研究和临床活动激增将带电粒子更广泛地用于癌症治疗,希望随着科技的发展,价格会降下来。

临床试验和新类型的放射生物学试验正在开发研究的分子影响碳离子以及氦,锂离子和氧,在癌症研究中通常称为“重”离子,因为它们比质子重。推进这种方法治疗病人需要粒子加速器和beam-delivery技术进一步发展。国际社会的临床医生、研究人员和技术开发人员正在努力让它发生。

美国在1950年代开始与质子治疗病人,并资助的研究在这个领域²,但它已经落后于日本和德国在推进其他离子疗法。美国现在有14个质子治疗和设施没有carbon-ion治疗。

在日本,放射肿瘤学家Hirohiko辻井国家放射科学研究所(NIRS)在千叶职业生涯致力于推进carbon-ion疗法。日本千叶是第一个四carbon-ion设施,所有的技术监督,并在1994年首次治疗病人。在德国,海德堡离子束治疗中心(打击)自2009年以来一直治疗病人与质子和碳离子³。

在这两个国家,这些设施的开发建设在公共资金的帮助下,基于物理设施,以及投资从西门子医疗等大公司,总部设在德国埃朗根和日立,三菱、住友和东芝位于东京。

患者的临床结果发表在德国和日本是导致美国转变立场,辻井说。美国国家癌症研究所(NCI)现在想资助国内研究碳离子和其他离子物种,并帮助基金国际临床试验。

不停地射击

标准的放射治疗在肿瘤包括x射线发射一连串的阻碍经济增长的希望打破他们的细胞的DNA。但一些地区肿瘤似乎对x射线的伤害,和那些不是经常可以修复它。和许多x射线击中通过肿瘤细胞DNA,使细胞不受伤害。x射线也可以达到肿瘤组织相邻,从而引起分子事件导致肿瘤的形成。例如,儿童癌症放射治疗后生存面临着二次癌症风险的加大。

这种间接伤害已经减少了放射肿瘤学的发展,比如提供梁从不同角度和不同强度收敛的肿瘤。但仍然需要改进。例如,当头部和颈部癌症治疗与常规辐射,“我们做一个合理的工作”,斯蒂芬·哈恩说,佩雷尔曼医学院的放射肿瘤学家在费城宾夕法尼亚大学的附近,但x射线会损害健康组织,如心脏、食管或肺。

相比之下,带电粒子可以主要是避免健康组织。剥夺了他们的电子和加速到大约70%的光速,他们通过健康组织没有与原子相互作用强烈。一旦它们的速度降至一定水平,然而,他们突然存款几乎所有精力在“一个戏剧性的bam”,物理学家说,阿诺Pompoš在达拉斯的德克萨斯大学西南医学中心。

这种沉积的能量被称为布拉格峰,物理学家威廉·亨利·布拉格的名字命名,他在1903年发现了行为。带电粒子束的强度是可以调节的,这样粒子达到布拉格峰在肿瘤,造成最大的伤害。

准备,瞄准,扫描

达到研究人员使用,正在继续发展——一个名为光栅扫描的方法,在决心一个或多个类型的离子源,然后加速。接下来,梁提取慢慢成捆,每一个都有数百个人Bragg-peak职位根据存款辐射整个肿瘤。

位置,这些集合的大小和强度的光束测量约100000次,确保安全性和精度。梁填补肿瘤的轮廓像一只手填补了手套,托马斯·华说,首席技术官,谁开发技术工作时GSI亥姆霍兹重离子研究中心在达姆施塔特,德国。(打一个消磨的中心。)

“临床,我们使用质子和carbon-ion辐射需要从一个病人到另一个,”哈贝雷尔表示。他和他的团队正在努力增加氧、氦和其他离子混合。研究人员还想增加他们所使用的离子物种的数量,因为重的集中注意力,即使身体深处旅行,在前列腺癌的治疗,他说。离子越重,越有可能破坏固体肿瘤。

肿瘤含有混合的健康和病变细胞,达到团队选择避免伤害健康的质子。

粒子治疗期间,病人躺在沙发上戴着硬塑料服装职位millimetre-scale精确地在肿瘤的ct图像,华说。肿瘤可以转变为病人呼吸,所以系统必须适应这种变化。

与几个研究小组合作,华和他的同事们正在研究如何使用光栅扫描的方法提炼如何追踪肿瘤治疗期间。“在实验室中,原型是工作得很好,”他说。“这将需要一段时间才能达到临床应用,至少几年。”

打击,临床医生carbon-ion疗法应用于肿瘤在大脑和底部的头骨,和头部和颈部癌症。他们已经开始治疗癌症的肝脏和胰腺,复发性直肠癌和前列腺癌,儿科骨癌。孩子们定期接受质子束流,团队希望发射碳离子儿科癌症的临床试验,华说。

治疗癌症时躯干的器官,临床医生使用间隔器,可以由各种各样的材料制成,以身体健康组织邻近转移到布拉格的肿瘤的高峰。辻井说,例如在carbon-ion治疗结肠癌,“我们把肿瘤之间的间隔和肠”。

辻井指出扩大治疗范围的肿瘤类型在日本与碳离子。直肠癌患者接受手术时,他指出,大约15%的发展在3 - 5年内复发。另一个手术是只有10 - 40%的选择。当这些病人接受碳离子,只有10%的人开发一个复发,而30 - 70%的人接受x射线。患者最终屈服于转移,但辻井却发现结果到目前为止有前途。

另一项研究在日本正在考虑联合化疗和carbon-ion疗法治疗的人不实用的胰腺肿瘤,在术前carbon-ion治疗胰腺癌手术切除。Carbon-ion治疗对病人可能需要更少的人数,减少治疗时间,肝癌和早期肺癌,碳离子在一个或两个会议在三天内,相比之下,10 - 30会话对x射线治疗数天或数周时间。

种植技术

质子阻碍某些肿瘤的增长比x射线,赫尔曼说西装,在波士顿马萨诸塞州综合医院质子治疗的先驱⁴。一些carbon-ion治疗中心的结果发表在日本和德国是“令人印象深刻”,他补充说,比如在颅底肿瘤,肾癌和黏膜黑色素瘤的头部和颈部。他希望看到临床试验比较质子和碳离子。

Carbon-ion疗法迄今为止主要用于肿瘤很难移除手术,风险与经典辐射治疗。肿瘤底部的头骨,例如,接近神经、大脑组织和内耳的耳蜗,x射线照射可以导致使人衰弱的损伤。

相对于x射线,带电粒子向肿瘤提供“更有力的一击”。

哈恩说,利用一些带电粒子提供“一个更强大的拳”肿瘤,现在他和他的大部分同事接受carbon-ion治疗执行最具挑战性的肿瘤。下一步是带电粒子是否适合更常见的疾病,如肺癌。

对比梁

据NCI),第一个国际临床试验带电粒子正在计划。将持续3 - 5年,随机III期试验,将检查有效性和剂量,将比较x射线,质子和碳离子治疗癌症的胰腺、肝脏、头部和颈部,以及骨骼和软组织肿瘤,复发性直肠癌。NCI贡献资金审判并征求建议我们从carbon-ion机构和设施在日本,德国,意大利和中国。

试验了许多后勤挑战除了,获得必要的科学的审查和批准。设备带电粒子治疗不太常见的比x射线治疗,患者需要进一步达到他们旅行,尤其是carbon-ion中心。

化验,专门测量类型的集群DNA损害可能会非常有用。

NCI还希望基金国内研究带电粒子治疗。詹姆斯•Deye NCI市外的辐射研究项目主任,和他的同事们正在研究项目申请机构竞相设立第一个美国研究粒子放射治疗中心。NCI基金的研究,而不是建设,Deye说,申请者必须找到钱来建造,在接下来的5 - 10年,一个研究机构,可以处理与质子治疗,碳离子和其他离子物种。赠款接受者将于今年晚些时候公布。

申请人之一是德克萨斯大学西南医学中心,辐射肿瘤学家在野阵营白菜想把经典辐射,质子和重离子同一屋檐下。一个新的x射线设备将在2016年投入使用;一个质子治疗套件定于2017;和白菜希望到2021年carbon-ion设施。项目与德州政府正在审查,和白菜希望得到支持,以便施工开始。

加速和交付

加速器和beam-delivery系统是至关重要的组件在肿瘤病人指导带电粒子,但它们的大小和操作成本是阻碍其广泛使用的一些因素。帮助使这项技术的使用更可行的,一些科学家正试图使这些系统更紧凑。

一个检修人员的目标是龙门,一个巨大的旋转平台,提供离子光束病人在任何角度。为了实现不同角度,龙门指导巨大的离子,强大的磁铁,权衡下来,提高用电。龙门的冲击和商业客机一样高,重约600吨。因为碳离子动量和电荷比质子,一束他们大约是2.5倍的努力比质子束弯曲,斯蒂芬•Peggs说加速器物理学家布鲁克海文国家实验室在厄普顿,纽约。

门直接带电粒子束重达600吨。信贷:海德堡大学医院

使用更强大的磁铁在龙门是有益的,他说。超导磁体可能是一个选项,他补充道,因为他们是不限于1特斯拉的磁场强度,为传统磁铁,可以有长处接近4或5特斯拉。增加可以减少龙门的大小,因为更大的梁上的磁铁施加的力,越容易梁可以在较小的弯曲半径,减少系统的大小。

Peggs和他的团队也正在努力提高加速器本身。带电粒子加速器治疗可以更紧凑,他说,如果他们骑得更快。

斯蒂芬Peggs正在建设一个快骑车加速器。信贷:布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室的科学家们正在构建一个原型的快速循环加速器中提取梁通常slow-cycling加速器现在用于carbon-ion处理设施⁵。在新系统中,减少离子环游加速器跟踪在任何给定的时间,这些剂量提取周期性并交付给病人。

使用更少的离子和更频繁的提取减少梁的大小管和其他系统组件,包括常规磁体直接光束的加速器。这样的设计变更也减少电力使用相对slow-cycling系统。

布鲁克海文国家实验室的研究人员正在测试这个概念通过构建一个快骑车加速器提供多个离子物种,包括锂、氖、氦和碳。它将能够提供一个离子物种的齐射,然后快速切换能级和交付,Peggs说。

科学家正在建造系统组件,但想要将其组装在一个位置-不确定他们可以应用于生物医学的地方。原型可以作为放射生物学研究机构继续成熟技术带电粒子治疗,Peggs说。

为了帮助与技术转让,布鲁克海文国家实验室的科学家们与最好的医疗,一个公司在斯普林菲尔德,维吉尼亚,构建辐射设施。Krishnan Suthanthiran,公司的首席执行官,看到市场快速循环系统。

他的公司已经花费了大约500万美元的合作到目前为止,预计还需要另一个1000万美元到1500万美元到2016年建立一个工作系统。今年,他正在申请美国食品和药物管理局批准建立一个设施。他估计治疗中心将成本在3000万美元和1亿美元之间,这取决于有多少治疗房间。它可能会或可能不会需要一个龙门,可能会需要更少的辐射屏蔽比目前carbon-ion设施,减少成本和足迹。

离子束治疗区域的设施(左)。病人仔细定位(右),以确保粒子束支安打肿瘤准确。信贷:海德堡大学医院

哈贝雷尔表示,他喜欢Peggs”的概念,因为它健壮、稳定的循环方式,这可能是比slow-cycling系统更加稳定。但直到一个快速循环系统构建和用于治疗,它不会很容易比较系统,他说。超导磁体将允许减少工厂的规模,但他们还没有足够迅速地工作。“目前,这些磁铁缓慢——这意味着更少的病人可以治疗,侵犯设施的可持续性,”哈贝雷尔表示。,他指出,一个快速循环加速器能够更好地提取准确的剂量在正确的时间,但它可能很难监控光束提取,以确保他们的剂量和方向性。

进一步探索潜在用途和带电粒子的理想剂量治疗,科学家想扩大基础放射生物学研究。科学家在带电粒子治疗中心和执行这项工作在NASA空间辐射生物学实验室等设施布鲁克海文,例如。

凯瑟琳,一个波士顿马萨诸塞州总医院radiobiologist致力于得到分子的信息不同离子物种对肿瘤细胞的影响,可以帮助研究人员开发的剂量方案的信息。

新方法研究细胞存活、细胞周期和细胞死亡的变化将有助于研究人员探索为什么带电粒子的tumour-killing能力比x射线。

等措施标准单独分析,科学家照射细胞然后看到他们是否继续生长,形成殖民地,表明,质子是更有效的比x射线杀死细胞,而碳离子的2 - 3倍更有效。科学家们有很多的猜测为什么会这样。

一个有关x射线往往分散,这意味着很多人击中通过细胞DNA,说。离子如碳比质子更重和更大的,更有正电荷和移动更慢通过组织或细胞,创建一个更厚的电离。这种跟踪似乎产生集群的损坏,如在一个或两个股DNA,并损害相邻核苷酸(见“精选”)。

信贷:t . Nomiya NIRS日本

当一个DNA链断裂,修复酶的序列,完整的链作为一个模板来解决螺旋的rails和梯级。但双链断裂更难修复准确,因为没有完整的重组DNA的模板。一个集群的伤害增加了挑战。这一切有助于解释为什么碳离子更致命的,说。

化验,专门测量类型的集群DNA损害可能会非常有用。

间接证据——计算机模拟或使用的抗体来检测dna修复酶,有助于解释带电粒子造成的损伤类型的肿瘤细胞。“然而,我们没有很好的分析量化,或确定的组成,这些集群病变,”说。“DNA分析,更具体地说测量各种类型的集群DNA损害可能会很有用。”

带电粒子的另一个原因可能是癌细胞更有效果与肿瘤生理有关。随着肿瘤的增长,缺氧地区开发和这些区域似乎对经典的放射治疗。这是因为x射线杀死细胞通过产生自由基-活性分子形成的水在细胞和组织,然后与DNA反应生产其它破坏性的激进分子。更多的氧气会加剧这些激进分子可能导致的损失,和更少的氧气削弱它们的效果。研究人员认为,带电粒子如碳离子在低氧地区可能不会失去他们的破坏力。

基本的放射生物学研究带电粒子可以融入到临床实践在当前和未来的设施。放射肿瘤学家Anders Brahme在斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院,他花了他的职业生涯在带电粒子治疗,说他看到了这种疗法的癌症治疗潜力巨大,很兴奋,他们吸引了全球利益。在他看来,带电粒子提供放射肿瘤学的机会从一个癌症治疗癌症治疗。