肿瘤的粒子放射治疗于1945年由Welson提出，其原理是荷能粒子属于致密电离辐射且在射程末端存在能量沉积峰，因而在肿瘤治疗方面，体现出独特的物理学和生物医学优势，特别是重离子^[1]，线性能量传递(linear energy transfer，LET)高，相对生物效应(relative biological effectiveness，RBE)强，对各类癌细胞均有较强的杀灭能力，即便是对肿瘤干细胞(cancer stem cell，CSC)也有很强的致死作用；处于不同周期时相的细胞辐射敏感性差异小，临床可以采用较少的分次治疗方案；氧增比(oxygen enhancement ratio，OER)小，对乏氧细胞有非常好的杀灭效果；射程歧离和横向散射小，有利于将能量更为精准地沉积于肿瘤靶区；带正电荷，可以主动扫描；与物质相互作用产生正电子，可以对重离子进行跟踪定位和反馈校准等。1975年美国伯克利劳伦斯国家实验室(Lawrence Berkley National Laboratory，LBNL)在世界上首次开展了临床试验，采用不同种类的重离子治疗肿瘤患者并长期跟踪调查，结果显示出远高于常规光子的肿瘤控制率和治愈率^[2]；随后，日本国立放射线医学综合研究所(National Institute of Radiological Sciences，NIRS)^[3]、德国重离子中心(GSI)^[4]和中国科学院近代物理研究所(Institute of Modern Physics，IMP)均开展临床试验，且都取得了良好的疗效。我国国产重离子治疗肿瘤技术研发也已取得重要进展，在武威市建成了一台医用重离子加速器。在重离子治疗技术发展初期，LBNL、GSI、NIRS和IMP等均分别开展了扎实的重离子生物效应基础研究，为实现重离子治疗肿瘤技术的临床应用起到了关键性作用。重离子生物基础研究的进一步深入，势必为重离子治疗技术的优化完善乃至新技术的研发奠定基础^[5]。本文从重离子治疗技术的有效性、安全性及新技术开发这3个方面，总结其生物学基础研究进展。

一、重离子治疗肿瘤的有效性

(1) 重离子束对肿瘤的致死效应：重离子种类繁多，其生物学效应研究至今尚不充分，虽然目前临床均采用碳离子开展肿瘤放疗，但碳离子以外是否有更合适的粒子尚属未知。1975年LBNL开展重离子治疗肿瘤临床试验时，生物学实验尚未充分开展，他们尝试了多种重离子束对肿瘤进行治疗，包括氦、氖、氩、碳等，每种束流的治疗病例数量不多，但临床治疗效果均高于光子治疗^[6]，这激励了重离子治疗肿瘤技术的研发，生物学基础研究也因而受到重视。1997年德国GSI开始临床试验之前，重点对碳离子束的生物效应进行了系统的研究^[7]，包括基于经典靶学说的生物效应机理研究^[8]。他们发现，沿粒子入射路径，LET不断增高，DNA双链断裂(DNA double strand break，DSB)水平增加，DSB修复能力下降，为碳离子治癌的有效性提供了非常确切的证据。日本NIRS也选择碳离子作为肿瘤治疗的束流，用体外培养的人腮腺癌细胞系HSG为实验模型，测定了多种品质的重离子束流的细胞存活曲线，获得了不同束流品质的RBE ^[9]，为临床治疗计划的制定奠定了基础。我国重离子治疗肿瘤基础研究起步较晚，1995年正式开始依托当时国内唯一的重离子加速器(Heavy Ion Research Facility at Lanzhou，HIRFL)开展实验，于1998年发表了第一篇生物效应实验研究的文章^[10]，并相继对碳离子对不同细胞的RBE、OER、不同贯穿深度的细胞存活、不同LET碳离子的效应^[11]等进行了研究。总体而言，重离子束的生物效应强于光子，细胞致死效应的RBE均大于1^[12]，对常规光子治疗抵抗的肿瘤重离子也有效；不同肿瘤的辐射敏感性存在差异，但不同细胞对重离子的辐射敏感性差异小于光子辐照，换言之，对常规光子抗性越强的肿瘤RBE越大；RBE与LET相关，在~200 keV/μm时RBE最大^{[9, 13]}。早期基础生物学研究集中于从体内外证实重离子束杀灭肿瘤细胞的有效性，验证重离子治疗肿瘤原理的可行性，初步确定碳离子为临床治疗束流，推动了重离子束治癌在临床上的应用。

(2) 重离子束对乏氧细胞的致死作用：X射线的OER约为3，乏氧细胞对常规光子抗性教强，这是常规放疗失败的主要原因之一。重离子束对乏氧细胞的杀灭能力跟LET和粒子种类等束流品质密切相关；就碳离子而言，OER在50 keV/μm左右开始下降，超过100 keV/μm后OER下降到2以下，在300 keV/μm时下降到最低，但仍然略高于1^[9]。因此，采用重离子能量沉积峰区进行肿瘤治疗，对有氧肿瘤细胞和乏氧肿瘤细胞均可产生很好的杀灭效果。

(3) 重离子束对肿瘤干细胞的致死作用：肿瘤干细胞假说认为，CSC具有干细胞的特性，可以自我更新并分化成为肿瘤细胞，对常规放化疗抵抗，是肿瘤增殖、转移、复发的根源^[14]。2012年多个独立的研究小组^[15-16]分别采用荧光示踪技术在小鼠体内证实了CSC的存在。一般认为，CSC对常规射线有很强的抗性^[17]。但是，碳离子束对结肠癌干细胞^[18]、三阴性乳腺癌^[19]、胰腺癌^[20]等干细胞均具有较强的杀灭作用。孙放等采用人神经胶质瘤细胞中分选的肿瘤干细胞和小鼠原发神经胶质瘤细胞模型，也证实了碳离子束杀灭能力强于常规X射线，为重离子治疗肿瘤的低复发率提供了理论依据，进一步明确了重离子在肿瘤治疗方面的优势。

二、重离子治疗技术的安全性

(1) 坪区正常组织的健康风险：重离子射程末端的能量沉积峰(Bragg峰)可以将能量集中沉积于肿瘤靶区，而在正常组织内沉积的能量少，这是重离子束与常规光子的最大区别，也是重离子治疗肿瘤的优势所在。不必像常规光子治疗那样，为了降低正常组织的健康风险采用多照射野治疗，重离子治疗肿瘤往往采用一两个照射野即可获得非常理想的三维剂量分布。Aoki等^[13]采用中国仓鼠卵巢V79细胞测定了不同品质重离子的存活，考虑到正常组织所处重离子坪区的LET相对较小和遭受的物理剂量也相应地低于肿瘤靶区，重离子治疗肿瘤时对正常组织的生物效应比较低。另外，人体组织绝大多数细胞已末端分化，处于静止期，细胞对辐射相对抗拒^[21-22]；肿瘤细胞增殖快，采用体外培养的指数生长期肿瘤细胞来评价重离子对肿瘤细胞的效应可以接受，但采用体外培养的指数生长期正常细胞来评价重离子对正常细胞的效应有可能高估重离子的健康风险。也就是说，重离子治疗肿瘤的健康风险有可能比我们根据采用指数生长期细胞得到的实验结果所估计的风险更小。为了更可靠地评价重离子治疗肿瘤对正常细胞的影响，有必要采用3D培养细胞或类器官等更为接近体内环境的人正常细胞模型来开展重离子的生物学研究。

另一方面，重离子坪区的LET仍然高于光子，特别是临床治疗往往采用展宽的Bragg峰，坪区LET叠加，峰坪比降低，位于坪区的正常组织仍然会遭受辐射剂量，这部分细胞的安全性仍然需受到关注。坪区正常组织的生物效应除了细胞死亡^[13]之外，还有DNA损伤^[23]、染色体畸变，最终导致基因组不稳定性，增加肿瘤发生风险。不可修复的DNA损伤往往导致细胞死亡^[24]。重离子诱导DNA团簇损伤难以修复、修复的正确率低，是重离子致死、致畸变乃至致癌变的主要原因。动物实验结果显示，低剂量重离子诱发肺癌^[25]、肝癌^[26]等实体瘤的风险远高于光子，存在二次癌等健康风险；广岛长崎原子弹爆炸幸存者的60年跟踪调查结果显示，辐射诱导肿瘤发生的风险与剂量相关，且不存在剂量阈值^[27]；与地面对照人群相比，执行过空间探索任务的航天员肿瘤发病率高^[28]，这些发现都提示重离子致癌风险的存在。因此，儿童肿瘤不建议采用重离子治疗是比较负责任的做法。

流行病学调查结果显示，运用大剂量光子治疗乳腺癌、儿童肿瘤等增加心血管疾病健康风险^[29]；盆腔肿瘤放疗患者的骨质疏松发生率高^[30]；5 cGy氧离子、钛离子辐照即可导致神经棘刺减少，且不可恢复^[31]。这些发现提示重离子治疗肿瘤存在一些远期健康风险。这方面的问题需要受到重视，建立合理的实验模型、开展深入的生物学研究对于提高重离子治疗肿瘤的安全性、保障患者康复后的生活质量具有重要意义。

(2) 非靶效应：经典的靶学说认为，DNA是电离辐射的关键靶，电离辐射通过直接作用和间接作用两种方式导致DNA损伤，进而表现出各种生物学效应。但是，1992年Nagasawa和Little^[32]发现1%的细胞受到α粒子照射后30%细胞发生了姊妹染色体交换，证实了旁效应的存在；2001年Wu等^[33]发现了细胞质效应，细胞质定点照射后细胞核发生变化，细胞转化率提高；照射小鼠腹部，小鼠脑部出现了胶质瘤，这些发现不仅对经典的靶学说提出了挑战，更要从整体、系统的角度去理解辐射生物学效应，包括重离子的辐射生物效应。

非靶效应的信号传导途径是非常丰富的，TGFβ、IL1α和TNFα等分泌性蛋白，活性氧(ROS)、活性氮(NOS)等自由基，NO和乙烯等气体分子，游离的DNA分子^[34]，以及包含在外泌体中的蛋白、microRNA、lncRNA等^[35]都参与信号传递；miR-663反馈调节避免旁效应信号的无限传递^[36]，旁效应触发Rescue效应为直接受照细胞提供反馈救援信号^[37]，反映出细胞内和细胞间存在完善而缜密的自调节网络。肿瘤在机体内也非独立存在，肿瘤细胞与正常细胞之间、肿瘤细胞与肿瘤干细胞之间也都存在旁效应^[38]。重离子等放射治疗不仅引起直接受到照射的肿瘤细胞和正常组织的变化，而且可以改变肿瘤微环境^[39]，从而引起肿瘤细胞——肿瘤微环境——正常细胞三者之间一系列相互关联的反应。这些生物效应和信号传递貌似错综复杂，千头万绪，实则是正常组织维持有序稳态的自适应网络和肿瘤组织维持失控增殖的必要手段。系统辐射生物学的发展将为辐射生物学基础研究提供强大的工具。

三、重离子治疗新技术开发

(1) 束流品质的最优化：重离子治疗虽然已经在临床上取得了令人鼓舞的疗效，但是目前重离子治疗肿瘤的发展相对缓慢，除了资本、保险等市场因素，也应看到自身技术发展的制约，一方面是加速器系统的复杂程度，另一方面是生物学基础研究的不充分，目前重离子治疗肿瘤基础生物学研究还必须进一步加强。就束流种类的选择而言，目前重离子治疗肿瘤临床广泛使用的是碳离子束，简单概括有以下3个理由：①采用C等机体的基本组成元素来治疗肿瘤，对机体不会产生未知的化学毒性。②在C、N、O、H、S、P机体基本元素中，H虽然轻，对加速器要求低，但RBE≈1.1，无法显著提高疗效，也无法改善对光子抵抗性肿瘤的辐射敏感性, 在RBE>1的元素之中，C是最轻的，对加速器要求相对较低。③碳离子的生物学基础研究相对较为系统。但是，对于不同的治疗目标，束流种类有可能有更好的选择。

乏氧细胞是肿瘤放射治疗关注的重点^[40]。对乏氧细胞的杀灭效果，氧离子束可能是最理想的^[1]。根据肿瘤治疗的4R原则(Repair、Reoxygenation、Redistribution、Repopulation)，氧离子的生物效应比碳离子更强，对细胞周期的依赖性更弱，而且可以提高肿瘤内氧元素含量，增加ROS，OER比碳离子更小^[41]；此外，O和C的质量数相差不大，碳离子加速器同样可以加速氧离子，且最大能量差别小；最后，氧元素也是机体基本元素之一，含量高，治疗输入的氧离子对机体不会产生化学毒性。目前，氧离子辐射生物学效应研究日益受到重视，未来有可能用于肿瘤放疗。

从技术推广角度来讲，氦离子束治癌可能更有前途。Furusawa等^[9]的细胞实验结果显示，氦离子的RBE高于相同LET的碳离子和氖离子，OER却小于碳离子和氖离子。LBNL开展了大量氦离子治癌临床试验，取得了不错的疗效^[42]。从加速器技术要求和投资回报率来讲，氦离子比碳、氧质量小，在体内达到相同深度所需要的束流能量小，因而对加速器的要求低，投资成本小。氦离子加速器容易实现小型化，目前国外已有研究机构和公司开始关注氦离子治癌技术。

理论上RBE最高、OER最小的LET窗口是临床束流的最佳选择，因此，临床上应该采用100~200 keV/μm的束流。但实际上，由于临床治疗的需要临床上一般将重离子的Bragg峰展宽，展宽Bragg峰的平均LET达不到100~200 keV/μm。物理或者工程上努力实现100~200 keV/μm的同时，鉴于不同种类粒子的RBE、OER与LET的相关性不同，完善不同粒子的RBE、OER测定，以期获得物理上可实现、生物效应最理想的LET是生物学基础研究应该关注的内容。

(2) 多线束复合治疗技术：采用常规光子治疗或者质子治疗先将辐射敏感性肿瘤细胞杀灭，然后采用碳离子等杀灭乏氧细胞等辐射抗拒细胞，有可能取得更为理想的临床治疗效果。上海质子重离子医院(SPHIC)在这方面做出了有益尝试。然而，Zhou等^[43]的实验研究发现混合辐射存在协同效应，有可能增加健康风险。质子与铁离子辐照的时间间隔 < 1 h时细胞转化存在协同效应，正常细胞的转化率高于预期，但是时间间隔超过1 h时则不存在协同效应；另外，协同效应与两种粒子的辐照顺序有关，先照射质子再照射铁离子存在协同作用，反之则无。该发现提示，临床采用多束流复合治疗时需要考虑不同束流辐照处理之间的时间间隔和辐照顺序。由于加速器条件限制，目前多线束符合治疗方面的生物医学实验研究非常有限。

(3) FLASH和GRID治疗技术：具有超高剂量率(>40 Gy/s)的电离辐射被称为FLASH照射，与常规剂量率照射相比，它在有效抑制肿瘤生长的同时显著降低了对正常组织的辐射损伤。在多个体内模型中，FLASH治疗不仅可保护正常组织不受或少受电离辐射的损伤，还获得了等效(某些情况下更好)的肿瘤杀灭效果^[44]。但是，尽管很多动物实验证明了FLASH杀灭肿瘤的效果，仍然有很多学者对该技术能否应用于临床持怀疑态度。主要有以下原因：现有的辐照系统是否能够产生足以覆盖肿瘤组织的高剂量率射线；超高剂量率辐射的生物学基础研究不足；超高剂量率下肿瘤和正常组织的免疫反应尚不清楚；超高剂量率对于病人摆位和靶区勾画要求更高。尽管目前仍面临许多困难，但是FLASH的优势也是十分明显。重离子具有独特的物理学和生物学优势，可以利用Bragg峰对肿瘤进行定点“爆破”而不对周围正常组织造成损伤，倘若能够采用重离子FLASH治疗肿瘤，是否会产生更好的疗效和更小的正常组织损伤，是非常值得研究的内容。

GRID治疗(又称high-dose spatially-fractionated radiation therapy)即高剂量空间分次辐射治疗，是一种利用单次大剂量兆伏X射线通过布满网格小孔的铅板进行治疗的技术，已被用于晚期大体积肿瘤患者的姑息放疗。网格是一个包含圆柱孔的铅块，这些孔的中心轴彼此是发散的。栅格场内屏蔽区辐射剂量的重要来源是散射辐射和主辐射的孔内发散，散射辐射的贡献降低了射线的有效能量，从而增加了其在组织中的衰减，这导致了栅格场与开放场辐射剂量的显著差异。因此，使用该装置进行临床治疗时，必须仔细考虑这一差异。早在1999年，Mohiuddin等^[45]便使用该技术治疗了71例肿瘤患者，其中有78%的患者肿瘤组织观察到有效反应，证实了GRID治疗的有效性。另外，他们还发现GRID治疗的阳性结果部分归因于辐射诱导的旁观者效应，GRID疗法导致多种细胞因子的增加，考虑到与临床结果的关联可以将其作为潜在的预后标志物。2016年，Gholami等^[46]发现GRID治疗对具有放射抗性的肿瘤比放射敏感性肿瘤更有效。重离子治疗肿瘤能否采用GRID方式还鲜有文献报道，其有效性和安全性尚属未知，鉴于光子GRID治疗的经验，有必要在开展相关生物学基础研究的同时，探究网格的几何形状和厚度、网格孔的直径和间距对辐射剂量分布的影响。

四、展望

随着全球人口老龄化加剧、工业化和城镇化进程的加快，恶性肿瘤已经成为严重威胁人类健康的主要问题之一。目前，临床上治疗恶性肿瘤的主要手段有外科手术、放射治疗和化学药物治疗，放射治疗因其适应性宽、疗效较好越来越被重视。与普通的光子放疗相比，重离子治疗使用的重离子束LET更大，极大地改善了剂量分布，故可以提高肿瘤组织的剂量而同时减少周围正常组织的影响，治疗精确度更高；并且由于其更强的相对生物效应，对肿瘤有更强的杀灭作用，重离子治疗肿瘤的疗效更佳。

重离子治疗癌症在临床上已获得了成功，为肿瘤患者带来希望。但是，进一步推广这新兴的放疗技术还面临着许多问题。首先，其生物学基础研究有待深入，如重离子辐射对机体的远后效应、对肿瘤干细胞的辐射作用。其次，目前临床上采用的重离子束流主要是碳离子，碳离子是否是临床用最佳束流还值得探讨，开展不同束流的生物学效应研究对临床选择最佳的重离子束极其重要。另外，随着重离子治疗中心的建设和发展，接受重离子的病人也日益增多，因此，专业人才的需求尤为紧张。最后，重离子治疗加速器装置的小型化、治疗成本的降低以及如重离子的FLASH和GRID治疗等新技术的应用等还需要投入大量的研究。

利益冲突  全体作者声明没有任何利益冲突，未接受任何不当的职务或财务利益

作者贡献声明  戴迎初和周光明负责选题、起草及修改论文；陆嘉德指导论文写作及修改