“消滅癌細胞”的“國之重器”_風聞

來源：中國科學報

文 ｜ 《中國科學報》見習記者 葉滿山

醫用重離子加速器—同步加速器。近代物理所供圖

“我怎麼也沒想到癌細胞很快就消失了，特別感謝重離子治療技術。”來自甘肅省蘭州市的一名癌症患者張先生告訴《中國科學報》，去年經專家介紹，他抱着試試看的心態參加了重離子治療，經過幾次治療後到醫院複查，發現癌細胞已經消失。這名患者康復的背後除了與死神抗爭的醫護人員外，還有一羣來自大西北的科學家。他們在國際最尖端的領域，實現了“零”的突破。

2023年，在第三屆全國創新爭先獎表彰名單中，就有來自中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）的醫用重離子加速器研發及產業化團隊。

歷經30年，該團隊實現了從大科學裝置到大型高端醫療設備的跨越，研發並建成了我國首個具有自主知識產權的醫用重離子加速器並投入臨牀應用，走出了一條從基礎研究到技術研發再到產品示範，最終實現產業化推廣的全鏈條自主創新之路。

從“零”開始，造國產“大飛機”

1993年，在甘肅省天水市舉行的一次學術會議上，科研人員提出開展重離子治癌技術基礎研究方面的設想。

重離子治癌最早由美國人提出並實施，並於1975年在勞倫斯伯克利國家實驗室用氖離子治療了第一個病人。

1994年，日本國立放射線醫學綜合研究所基於美國的重離子治癌研究，開始將千葉醫用重離子加速器產生的碳離子用於臨牀。這是世界上第一個醫療專用的重離子加速器設備。德國也緊隨其後開始重離子治癌的相關研究，並於1997年開始臨牀試驗研究。

為何各國都如此重視重離子治癌的相關研究？因為重離子治療設備被稱為“癌症殺手”。

重離子經過加速器加速後會直抵病灶，然後集中釋放能量，從而達到消滅癌細胞的目的。此外，重離子輻射導致癌細胞DNA雙鏈斷裂的概率更高，更能防止癌細胞殘留和復發，且對正常組織的毒副作用小，可有效緩解患者放療的痛苦。因此，重離子放療是目前國際上公認的先進放療方法之一。

如何從“零”快速追趕國外研究進展並實現國產化，這對近代物理所的科研人員來説是極大的挑戰。

“我們那時已經知道重離子治癌是很有用的，但是在1993年，作為科研單位研發大型醫療器械是從來沒想過也沒做過的事，相當於我們要從‘零’開始造一架國產化的‘大飛機’。”近代物理所原所長、醫用重離子加速器產業化項目負責人肖國青告訴《中國科學報》 ，再難啃的“硬骨頭”也要啃下去，因為所有科研人員為了實現國產“零”的突破，都憋着一口氣。

“1995年，重離子治癌項目被納入了國家基礎性研究重大項目——攀登計劃（B）項目，從國家層面做重離子治療的一些基礎研究，給我們的研究工作帶來了極大的便利。”近代物理所生物醫學中心醫學物理研究室主任李強告訴記者。

隨即，近代物理所基於蘭州重離子研究裝置（HIRFL）提供的中能重離子束，開展了放射物理、放射生物學以及重離子治療技術的研究和探索。

從1993年啓動重離子治療生物醫學研究和臨牀治療的前期技術研究後，歷經13年，他們終於獲得突破。

2006年，在攻克所有關鍵技術以及安全性問題後，中國科學院院士、近代物理所原所長詹文龍決定率領團隊申請前期臨牀試驗研究。

“我們基於HIRFL提供的中能碳離子束治療了一些淺表腫瘤，以觀察療效如何。”李強表示，這對於接下來的研究意義重大。

同年，團隊利用重離子治療技術對4例癌症患者進行了國內首次前期臨牀試驗研究，使中國成為世界上第四個成功進行重離子臨牀治療的國家。

從2006年到2009年，團隊和當地醫院合作，共做了103例淺表腫瘤患者的前期臨牀試驗研究，發現療效不錯。但重離子治癌的最終目標是將重離子按照既定尺寸打進身體裏，治療深部腫瘤。

2009年基於新建的蘭州重離子加速器冷卻儲存環（HIRFL-CSR），利用其提供的高能碳離子，團隊決定進行深部腫瘤前期臨牀試驗研究。

“從2009年至2013年，共有110例深部腫瘤患者接受了前期臨牀試驗研究。與此同時，我們已經在做產業化工作了，打算做一台真正意義上的醫用重離子加速器大型醫療器械。”肖國青説。

科研裝置和臨牀應用的大型醫療器械完全是兩回事，而首台設備的建設驗證需要在一個資金、人才都充裕的地區開展。為此，團隊在北上廣尋找有意向建設醫用重離子加速器的單位，但最後都因種種原因沒能落地。

艱難探索，終破繭成蝶

“大型醫療設備需要國家衞生健康委給醫院配置許可，需要考量醫院的資質等，而且大型醫療設備需要獲得國家藥監局的醫療器械註冊證，才能應用於臨牀治療。這就要求科研人員轉變思想，從原來的科研設備研發轉為醫療器械的研發與製造。”李強説。

重離子治療設備要求非常嚴格，再加上此前並無同等體量的國產醫療器械報批，因此，從樣機調試、設備檢測到臨牀試驗和審批註冊，幾乎每項工作都在探索中艱難前進。

與多家醫院失之交臂後，作為團隊發源地的甘肅遞來了橄欖枝。為了讓首台國產醫用重離子加速器成功落地，研究團隊決定將重心移向武威市。

時間回到2012年，一座大樓孤零零地矗立在一片不毛之地上，這就是武威重離子中心的前身。放眼望去，周圍除了荒漠再無其他，這是近代物理所加速器技術中心主任楊建成對這裏的第一印象。

“最初工作的地方很艱苦，大家只能睡在泡沫板上。”作為主加速器同步環總負責人，楊建成更多關注的是如何將基於蘭州重離子加速器的小型化裝置——醫用重離子加速器裝置在甘肅武威腫瘤醫院投入臨牀應用。

電源是否穩定、如何糾正指標錯誤……在安裝調試階段，問題層出不窮。

以磁場精度為例，磁鐵的參數要達到萬分之二均勻度，而當時只能達到萬分之三。離子在一秒內大約會跑300萬圈，如果精度不合適，每走一圈都偏離一點，300萬圈之後離子早已不知所終。

在武威醫用重離子加速器項目開工前，日本、德國、美國在醫用重離子加速器方面已經進行了相關知識產權的佈局，所以我國首先要做的就是突破知識產權的限制，創造屬於自己的國產化治療裝置。

在團隊成員夜以繼日的努力下，武威醫用重離子加速器於2015年調試完成，這標誌着我國第一台擁有自主知識產權的醫用重離子加速器裝置正式落地。

“我們避開了國外設備的技術壟斷，設計了一套迴旋加速器與同步加速器組合的結構，其獨特的結構恰好可以縮短整個加速器周長，達到56米，而同一級別的歐洲醫用加速器周長是75米，日本的周長是62米。”楊建成告訴記者，細節決定成敗，大型醫療器械建造更是如此。

在武威建成的首台醫用重離子加速器裝置，95%以上的零部件設備都是國產的，任何方面都不遜色於同類進口設備，而且裝置的報價大約只有國外同類設備的1/3，也不用每年支付高昂的維護費用，因此病人的治療成本將大大降低。

繼往開來，做引領國際的產品

“2006年11月6日，我按下了第一例前期臨牀試驗研究患者治療的按鈕。2018年11月6日，首台國產醫用重離子加速器裝置開始了第一例患者的臨牀治療試驗。”李強告訴記者，按下按鈕的感覺就像按下火箭發射鈕一樣。

2019年9月29日，我國首台具有完全自主知識產權的國產醫用重離子加速器裝置——“碳離子治療系統”獲批第三類醫療器械產品註冊，並於2020年3月26日正式投入運營。

截至2023年6月底，武威重離子中心已完成超750例患者的治療，療效顯著。跟蹤統計數據顯示，46例臨牀試驗受試者的3年局部控制率達到84%。

與進口設備相比，國產重離子治療設備不但具備技術保障好、運行維護費用低、性價比高等優勢，而且可以提供持續的技術升級服務。

李強告訴記者，當下複雜的國際形勢讓他更加明白了實現高水平科技自立自強的重要性。他們不僅要把醫用重離子加速器做出來，還要做得更好，領先國際。

“目前，醫用重離子加速器已在莆田、杭州、武漢、南京、長春等地進行建設。其中，莆田項目裝置整機調試滿足設計指標，正在開展設備註冊檢測。武漢項目裝置主設備已安裝完畢，準備調試。杭州項目裝置主設備已入場安裝。”肖國青告訴記者，打破國外的壟斷，將醫用重離子加速器價格降下來，離不開科研團隊中每一個人的努力。

“我們團隊目前正在開發第二代醫用重離子加速器，從佔地面積到耗電量都會全新升級，而且價格會更低。”楊建成表示，第二代產品的技術在努力引領國際的同時，在綠色節能環保上也要出彩，其佔地面積將是第一代產品的1/3、耗電量是第一代的1/4、國產關鍵專利技術達到23項。這些數據的背後是科研人員的付出。

據悉，目前重離子治療對大部分實體腫瘤都有較好的療效，適合不宜手術、對常規射線不敏感、常規射線治療後復發的部分實體腫瘤的治療，如中樞神經系統腫瘤、頭頸部和顱底腫瘤、胸腹部腫瘤等。隨着技術不斷成熟和研究不斷深入，相關適應症範圍也會隨之擴大。

但是，現有設備還無法滿足我國龐大的癌症患者羣體的需求。因此，由大變小將是未來醫用重離子加速器發展方向。只有將價格降下來，才能真正實現普惠性醫療。

“未來會考慮採用超導的方案，將國產醫用重離子加速器放置到一個幾百平方米的房間內，讓每一所醫院都能安置重離子加速器，實現設備造價和患者治療費用‘雙低’。這是我們追求的目標。”肖國青表示，從相關專業人員的培訓，再到將國產重離子加速器推向國際市場，未來還有很長的路要走。

“我希望我國能成為國際上除日本、德國外的第3個重離子治療技術研發中心，在重離子治療技術上提出更多的國際標準。”李強説。

“我們的目標是讓國產大裝置走出國門，實現國際盈利。將所有的核心技術都掌握在自己手裏，這樣走在路上才踏實。”楊建成告訴記者。