碳离子治疗的适应证(一)：物理学及生物学优势
与质子治疗相比，碳离子治疗(CIRT)具有更高的生物学效应，剂量分布特征使得CIRT在进行剂量递增治疗的同时，能够保护邻近肿瘤的正常组织。
1994年，日本国立放射线医学综合研究所(NIRS)应用千叶重离子医学加速器的碳离子束治疗了第一例患者。1997年及2009年, 德国达姆施塔特GSI研究所与海德堡离子治疗中心先后开展了CIRT项目。目前，全球有超过11家正在运营的CIRT中心(日本5家、德国2家、意大利1家、中国2家、奥地利1家)，另有数家中心正在建设中。详情请见质子中国往期报道《最新全球已运营质子重离子治疗中心汇总》、《2018年我国质子重离子治疗项目汇总表》。
日前，来自美国得克萨斯大学西南医学中心、日本NIRS研究所、意大利Trento基础物理与应用研究所(TIFPA)以及那不勒斯Federico二世大学的研究人员总结了CIRT的生物物理学特性，并综合评价了目前CIRT治疗不同类型肿瘤的临床证据。作者认为，由于CIRT可激活特定的信号转导通路，因此需要更多的转化医学研究成果协助CIRT的患者选择。原文发表于《Clinical Oncology》杂志上。本期首先为大家介绍CIRT的物理学及生物学优势。
由于物理电荷、质量以及高初始能量等特征，碳离子等重离子的能量传递值是入射深度的函数。因此，与光子束的最大剂量(Dmax)位于皮肤表面不同，CIRT在皮肤表面或接近表面处几乎没有电离能量沉积，大多数能量均在相对明确的射程内沉积于特定的组织深度，剂量分布的峰值称为“布拉格峰”。通过控制束流和/或改变束流能量，CIRT可用于照射任何深度的肿瘤，束流具有高峰坪比(peak-to-plateau ratio)并且无出射剂量，这个扩展的峰值区称为“扩展布拉格峰”。
碳离子束、质子束及光子束的深度—剂量曲线
与质子束相比，碳离子束的库仑相互作用更小，因而具有更清晰的侧向半影。这些物理特性使CIRT具有不同于其他放疗方式的剂量分布优势。与被动散射束相比，扫描束具有更加理想的剂量分布。
胰腺癌碳离子治疗中被动散射束(A)及扫描束(B)的剂量分布，扫描束可显著降低脊髓及左侧肾脏的照射剂量
值得注意的是，剂量分布优势受布拉格峰远端射程不确定性的影响，并且对摆位误差、分次内解剖结构变化以及肿瘤运动非常敏感。尽管如此，CIRT能够在向深部肿瘤输送更高剂量的同时，更好地保护肿瘤周围对射线敏感的组织结构。
为了更好地理解CIRT的放射生物学特性，首先需要提及线性能量传递(LET)，即束流在每单位长度上向介质传递的能量。CIRT相较于光子束和质子束具有更高的LET，这种高LET在DNA水平上导致了明显不同的生物学效应，并通过“相对生物学效应”(RBE)衡量。RBE是指参考射线(通常为250kVp X线)剂量与达到同样肿瘤杀伤效果的某种射线所需照射剂量的比值，光子的RBE为1。RBE通常取决于射线的LET、物理剂量、肿瘤类型以及肿瘤深度等因素，质子的RBE通常被认定为1.1，碳离子的RBE在2~3之间或更高。
与光子或质子相比，碳离子更高的RBE可直接诱导更复杂的DNA损伤，这些损伤超过了细胞的修复能力，从而产生更强的肿瘤杀伤效果。与光子放疗依赖于细胞周期杀伤肿瘤不同，CIRT的肿瘤杀伤能力与细胞周期无关。
另一个需要提及的概念是氧增强比(oxygen enhancement ratio, OER)，是指某种射线在有氧和无氧条件下，达到同样细胞杀伤效应所需要的照射剂量之比。光子放疗的OER接近于3，带电粒子要低得多；LET越高，OER越低。与光子放疗不同，CIRT的肿瘤杀伤作用相对独立于氧张力或氧自由基的产生，并且无需氧自由基来损伤DNA。因此，CIRT对于缺氧且放射抵抗的肿瘤更有效果。
文章接下来总结了近期CIRT的临床数据以及目前的适应证。质子中国将分两期与大家分享，敬请期待。（质子中国 编译报道）
参考文献：Mohamad O, Yamada S, Durante M, et al. Clinical Indications for Carbon Ion Radiotherapy. Clin Oncol. 2018;30(5):317-329.
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