疗效好、副作用小、适用范围广的新一代“癌症克星”。

撰文 | 高岳、许慎跃、刘芳（中国科学院近代物理研究所）

化疗脱发、放疗伤身……人们对于癌症治疗往往带有“杀敌一千，自损八百”的印象。其实随着医疗技术的发展，一种全新的癌症疗法——重离子治癌正在获得更多青睐。

作为目前最先进的放射治疗方法，重离子治癌疗效好、副作用小、适用范围广，被认为是新一代的“癌症克星”。从1946年美国物理学家罗伯特·威尔森提出用重离子治疗肿瘤的设想，到如今全球已有超过五万例患者接受重离子治疗，重离子治癌的研究与应用取得了长足的发展，但其微观机理长期以来并不明确。

近日，中国科学院近代物理研究所的科研团队与合作者在重离子治癌微观机理研究方面取得重要进展，首次在生物分子团簇中观测到重离子辐照导致的分子间能量及质子转移级联机制。该机制被认为是重离子治癌生物学效应优异的重要原因。相关成果近期在学术期刊《物理评论X》(Physical Review X) 发表。

重离子，通常指原子序数大于2（即除氢和氦之外）的离子。重离子治癌就是利用重离子束流（一般为碳离子）杀死癌细胞的一种放射治疗技术，需要用到重离子医用加速器这样的大型医疗器械。

医用重离子加速器布局图丨图片来源：中国科学院近代物理研究所

相比起其它癌症疗法，重离子治癌有两大“独门绝技”：

绝技一：布拉格峰，精准杀敌。重离子在穿透生物组织时，能量先是缓慢损失，在达到一个名为布拉格峰的深度时会释放几乎所有的能量。重离子治癌能够利用布拉格峰的特性，将重离子的能量集中释放在肿瘤区域，精准打击癌细胞，最大限度地减少对周围健康组织的损伤。

不同射线进入人体组织后的放射剂量分布丨图片来源：British Journal of Cancer

绝技二：生物学效应高，威力更大。研究表明，在相同剂量下，重离子对癌细胞的杀伤能力比X射线等传统放疗手段强2-3倍。同时，传统放疗往往只能造成癌细胞DNA的单链断裂。但DNA是双链结构，并且有自我修复功能，这就给了癌细胞喘息的机会。而重离子放疗能直接导致癌细胞DNA的双链断裂，实现“致命一击”。

X射线、质子束、碳离子束与DNA相互作用示意图丨图片来源：NIRS Japan

关于重离子治癌的两大优势，科学家已经清楚认识到，布拉格峰是由重离子束的基本物理特性决定的。然而，重离子辐射生物学效应优异的微观机理目前并不明确。针对这一难题，来自中国科学院近代物理研究所等机构的科学家决定从原子和分子的视角着手进行研究。

研究团队选取了DNA碱基中的基本结构单元——嘧啶分子作为模型开展研究，为此发展了先进的混合团簇源技术，将水分子和嘧啶分子合在一起，制备成尺寸可控的水合嘧啶团簇（C₄H₄N₂-nH₂O）。

我们知道人体内的水含量约占体重的50%-70%，机体组织中的DNA分子并不是孤立存在的，它的周围存在大量水分子。水合嘧啶团簇可以视作机体组织中DNA分子的实验室模型。这种相对简单的体系，也为分析其中的分子过程提供了一个清晰的视角。

这项实验在兰州重离子加速器冷却储存环和320kV高电荷态离子综合研究平台完成。接下来，研究团队用碳离子和铁离子作为“炮弹”，分别轰击水合嘧啶团簇，研究重离子束与DNA及水分子之间的相互作用。

团簇被“炮弹”轰击后，在重离子的强库仑场作用下会碎裂成多个电子、离子和中性碎片。研究团队利用反应显微成像谱仪探测到这些末态电子和离子碎片，由此测定团簇尺寸，重构电子和离子的能量。

通过实验和理论分析，研究团队有一个重要的发现——重离子辐照后，低能电子的产额显著增强。这是由一种叫做分子间库仑衰变的机制造成的：重离子辐照使水分子内壳层电离，水分子离子直接将能量传递给嘧啶分子，导致嘧啶分子电离并释放一个低能电子。这一过程还会进一步诱发水分子之间的质子转移，使水分子转变成具有杀伤力的羟基自由基（HO）和水合质子。

这项发现挑战了人们的传统认知。一般认为，内壳层电离的水分子主要通过自身解离的方式衰变，解离碎片间接作用于DNA等生物分子。但最新研究表明，在机体组织中，内壳层电离的水分子能够直接破坏DNA一端结构，并同时在DNA邻近区域倍增出具有杀伤力的次级粒子。这一级联衰变过程增大了DNA双链同时破坏的可能性，它对细胞产生的破坏性远大于传统认知。

并且，与电子、X射线和质子等其它射线相比，重离子辐照引起水分子内壳层电离的比例显著增强。因此，此次发现的新机制是重离子辐照的生物学效应显著优于其它放射疗法的重要原因之一。

值得注意的是，这次实验所用的重离子束分别是碳离子束和铁离子束。利用碳离子束，科学家可以更加深入地理解重离子辐射引发的分子过程，这将有助于在未来优化癌症治疗策略，促进放射治疗新技术的发展，进一步减少对健康组织的损伤。

铁离子则是一种重要的宇宙射线，在宇宙中会与星际物质中的分子发生相互作用。选用铁离子束开展研究，可以增加我们对太空中辐射效应的认识，为理解宇宙中的分子演化、探索生命起源等问题提供一些思路和见解。

在取得此次突破之后，科学家们还计划在实验室制备碱基对，进一步研究重离子辐照导致DNA双链直接断裂的关键机制，同时探索更多水分子围绕在组织分子周围时可能产生的新现象。随着研究逐渐深入，我们相信在未来人类与癌症抗争的征程中，重离子疗法将会更加出色地施展它的绝技，为造福人类健康带来更多希望。