新型加速器：有望將癌症放療時間縮短至一秒之內！
背景
癌症，已成為現代社會人類生命健康的最大威脅之一。在中國，癌症已成為疾病死因之首，且發病率與死亡率仍在不斷攀升。癌症是目前世界上最難治癒的病之一，目前的治療手段大致有：外科手術、放射治療（簡稱放療）、化學藥物治療（簡稱化療）、免疫及生物治療、中醫中藥治療、冷凍治療、激光治療、超聲波治療、電化學治療等。
我們今天要重點關注的是放射治療。放射治療，是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。放射線包括放射性同位素產生的α、β、γ射線和各類X射線治療機或加速器產生的X射線、電子線、質子束及其他粒子束等。放射治療在腫瘤治療中的作用和地位日益突出，已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。
用於精確放療的 Varian TruBeam 線性加速器（圖片來源：維基百科）
放射治療雖然能殺滅腫瘤細胞，但同時也會殺傷人體內的正常細胞，進而導致一系列副作用，例如：免疫力降低、骨髓抑制癥狀、食欲不振、皮膚與口腔粘膜以及身體其他部位產生的不良反應等。在日常生活與影視劇中，我們常會見到癌症患者在接收放療之後，出現嘔吐、食欲不振、疲累，大量脫髮、骨瘦如柴的情況。
創新
今天，筆者要介紹的新技術有利於減輕放療的副作用。近日，美國能源部SLAC國家加速器實驗室與斯坦福大學共同開發出基於加速器的新技術，旨在將癌症放療的時間從幾分鐘縮短至一秒之內，從而減輕放療產生的副作用。這項為高能物理而開發的技術，未來可以植入到小巧的醫療設備中，也將幫助放射療法在全球範圍內變得更加普及。
（圖片來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室）
近期，SLAC與斯坦福大學的團隊已經收到了非常關鍵的資助，用於開展開發腫瘤潛在治療方案的兩個項目：一個採用X射線，另一個採用質子。
粒子物理學與天體物理學教授、SLAC 技術創新理事會射頻加速器研究部首席科學家 Sami Tantawi、斯坦福大學醫學院射線腫瘤學副教授 Billy Loo、SLAC 研究員 Emilio Nanni 一起領導了這兩個項目的開發。斯坦福大學的 Peter Maxim（現在是印第安納大學腫瘤放射物理學系主任）也對兩個項目作出了貢獻。質子團隊的其他成員包括：美國羅馬琳達大學的 Reinhard Schulte 與瓦里安醫療系統公司的 Matthew Murphy。
技術
兩種方法背後的想法都是：迅速摧毀癌細胞，讓器官及其他組織在射線照射時沒有時間來移動，這很像視頻中的定格畫面。這樣減少了射線擊中並損害腫瘤周圍健康組織的機會，使放療變得更加精準。
Loo 表示：「在持續時間不足一秒的『閃光』中投送整個療程的射線劑量，將是管理器官與組織的持續運動的終極途徑。相比於我們現今採用的方法，這是一個很大的進展。」
Tantawi 表示：「為了足夠有效地投送高強度的射線，我們所需的加速器結構比目前技術要強大幾百倍。我們接收到的資助將幫助我們構建這些結構。」
一個稱為「PHASER」的項目將開發「X射線瞬間投送系統」。
在現今的醫療設備中，電子飛行通過一個像管子一樣、約一米長的加速器結構，並同時從以相同方向通過管子的射頻場中獲取能量。然後，電子獲取的能量會轉化為X射線。過去幾年中，PHASER 團隊開發並測試了形狀獨特的加速器原型，以及將射頻場送進管子的新方法。這些元件表現得如同模擬預測一樣，也為設計在小尺寸中支持更多能量的加速器鋪平了道路。
Tantawi 表示：「下一步，在三到五年時間內，我們將構建加速器結構並測試技術風險。這將帶來首個實際的設備，最終可用於臨床。」
明年，斯坦福大學射線腫瘤學部將提供約一百萬美元資助這些工作，並發起募集更多研究資金的活動。射線腫瘤學部與醫學院一起合作建立了放射科學中心，專門研究精準放療。它的 PHASER 部門由 Loo 與 Tantawi 共同領導，致力於將 PHASER 從概念轉化為功能設備。
如下圖所示：PHASER 項目所用的加速器原型組件，該項目將採用比現有X射線醫療設備所採用的加速器強大幾百倍新型加速器設計。
（圖片來源：SLAC 國家加速器實驗室）
基本上，質子比X射線對健康組織的損害更小，因為它們將殺死腫瘤的能量存放到體內更狹小的地方。然而，質子療法需要大型裝置來加速質子並調整其能量，也需要採用重達幾百噸的磁體，慢慢地在患者身體附近移動來引導光束進入目標。
Emilio Nanni 表示：「我們想要提出創新方法來操控質子束，讓未來的設備變得更簡單、更小巧、更快速。」
近日，來自美國能源部科學加速器管理項目的170萬美元的資助，很快將用於未來三年開發這項技術。由於這項資助，這個目標將很快實現。
Nanni 表示：「我們現在能夠設計、製造和測試與 PHASER 項目相似的加速器結構。這種加速器結構將能夠操控質子束，調諧其能量，並且幾乎瞬間釋放很高的射線劑量。」
價值
除了讓癌症療法變得更加精準，瞬間釋放的射線也有其他優點。
Loo 表示：「我們已經在老鼠中看到，當我們非常迅速地施加射線劑量時，健康細胞遭受的損害更小，而且殺死腫瘤的效果等同甚至稍微優於傳統的長時間照射。如果這些結果適用於人類，那麼它將成為放射治療領域的一個全新範例。」
這兩個項目還有一個關鍵目標，就是使放療更容易為全球範圍內的病人所獲取。
Loo 表示，如今全球數以百萬計的病人只是在接收「姑息療法」，因為他們無法接收癌症治療。「我們希望，我們的研究將作出貢獻，使得更多地方的病人獲得最佳的治療。」
這就是為什麼團隊專註於設計小巧、節能、經濟、高效的系統來應用於臨床，並與全球現有的設備兼容。Tantawi 表示：「在 SLAC 建立的幾年前，斯坦福大學發明並構建了首個廣泛使用的醫療線性加速器設計。下一代的加速器設計將成為醫學及其他領域真正的規則改變者，例如用於X射線激光器、粒子碰撞器以及國家安全的加速器。」
提議的 PHASER 設計足夠小巧，能放到標準的貨物集裝箱中。它的可運輸性能幫助癌症放療在全世界範圍內變得更加普及。(圖片來源：Philipp Borchard/TibaRay)
關鍵字
X射線、醫療、癌症
參考資料
【1】https://www6.slac.stanford.edu/news/2018-11-28-future-fighting-cancer-zapping-tumors-less-second.aspx
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