質子治療相對于光子放療既有優勢也有缺陷。在質子治療的臨床實踐中，其主要的局限如下：射程不確定性、橫向半影、靶區外沉積高線性能量傳遞(LET)射線，入射前端表面劑量、射束路徑上的劑量、臨近靶區危及器官的劑量限值、器官運動以及治療費用等。
西班牙基隆薩洛德質子中心(Centro de Protonterapia Quironsalud)的研究人員回顧和提出了一些生物學和機械學方面的解決建議，以期能夠減輕質子治療的缺陷，用特定的方法來分配劑量的空間分布(微型束，minibeams)和時間分布(FLASH效應)，降低系統復雜性(旋轉治療)和成本(無旋轉機架方法)，使質子治療更可以造福更多的癌癥患者。原文發表在Frontiers in Oncology雜志。本期為大家帶來研究人員對質子治療的優勢與缺陷的分析。
質子治療的優勢及缺陷
質子治療作為一種適形放射治療已經發展了幾十年的時間，雖然當下質子治療中心正成指數型增長，但接受質子治療的放療患者比例仍不足1%，甚至在高收入國家也達不到這個比例。相較于傳統的光子放射治療，質子治療的主要優勢有以下幾點：
- 束流路徑上不存在最大劑量;
- 束流路徑上的橫向半影較小;
- 用一個照射野可以在深度處的靶區形成均勻的劑量分布(或者可控的非均勻性劑量分布);
- 射程后端的劑量跌落梯度很高;
- 通過改變質子能量，質子的射程能夠調節到任意深度;
- 在劑量跌落的后緣，沒有物理劑量存在，也即質子停在了一定位置;
- 質子放射生物效應管控在臨床上是低風險的。
同時，質子治療也存在以下缺陷：
- 基于靶區距離皮膚表面的距離，靶區厚度或者治療技術等的因素，質子在入射處的劑量相較于光子束來說較高(沒有皮膚保護);
- 質子在靶區區域或射程終點區域的橫向半影相較于中等能量(比如6 MV)應用于容積旋轉調強放療(VMAT)技術的光子來說更高;
- 質子治療中存在射程較大的不確定性，這種不確定性來源于復雜介質成分的不均勻性，為得到魯棒性計劃而設置的大的邊界或者靶區中更高的LET值;
- 在靶區附近的組織中存在中子劑量，甚至離靶區很遠的地方也存在中子。雖然現在已經由被動散射束升級為了筆形掃描束，但跟低于10 MV的光子放療比起來，質子治療的中子影響還是要更為嚴重;
- 在一些植入材料，比如金屬器物、假體等存在時劑量分布會更加復雜且不確定性更高;
- 質子治療對于運動靶區的照射更加復雜，當使用筆形掃描技術時更加困難，即便是使用重復掃描以及器官運動管理的特殊方法亦如是(分次間效應、造成靶區外不期望出現的劑量等等);
- 資本和運營成本巨大，運行時間有限，當系統故障時很難找到替代方案。
在圖1中顯示的是單個質子射束相對于單個光子束在最終臨床劑量分布方面的一些優勢和缺陷。
圖1. 治療顱底腫瘤的束流：A. 單個質子束;B. 單個光子束;C. 單個質子束(紅色區劑量更高)與單個光子束的劑量差異(藍色區劑量更高);D. 弧形光子束組合照射;E. 質子束組合照射。
在當今臨床實踐中，有一些臨床案例表明，用光子束可以更好地實現靶區和危及器官之間的劑量梯度。但是質子束的整體劑量分布總是更容易優化，因為它們的射程有限(沒有后端出口劑量)，可以減少對大量健康組織的照射。
質子治療所提供的優勢大于其缺陷，目前為止，已有超過200,000例腫瘤患者接受了質子治療，每年有超過20,000例新增患者接受質子治療。對于兒童、眼部、顱底腫瘤以及再程放療的患者來說，質子治療是放射治療手段中一種非常適用的治療方法。質子治療的其他臨床適應證正在探索中，通過對腫瘤控制、并發癥和生活質量的研究，來量化使用質子治療的真正臨床優勢和相關成本。像“基于模型的方法”這樣的概念已經被用于評估個別案例，基于人群研究的生活質量、成本效益等也已開始應用。詳情請見質子中國往期報道《2020最新全球患者數據出爐，近26萬患者接受離子治療》、《第58屆PTCOG年會臨床場辯論：基于模型的患者選擇是否適用于不同國家?》。
光子放療的應用也在不斷發展，越來越多的研究人員在光子放療領域積極開拓，創新的步伐也越來越快。放射治療中任何一種形式(光子、電子、中子、質子、重粒子……)的發展都可以是協同的，而不是對立的。諸如在線磁共振成像的使用、自適應治療以及與免疫學方法的結合等創新都是協同發展取得重大進步的實例。
研究人員結合現有研究，通過單一或聯合的方式將解決方法進行組合：(a)束流時間效應的生物學方法(100 Gy/s量級的超高劑量率“FLASH”照射);(b)空間劑量調制(毫米范圍內微型束的空間組合);(c)機械改進方法，比如質子弧形旋轉治療方式;以及減少費用的方法，比如(d)無旋轉機架的治療系統。在某些情況下，這些新方法之間的作用是協同的，如FLASH和微型束;而在其他情況下卻很難實現兼容，如微型束和弧形治療。 在先期發展的治療中心，固定束流線已經被應用于特定的治療方向(眼睛治療、放射外科手術等)，它們正逐漸升級為等中心旋轉機架治療。這里再提到應用固定束流線會有些爭議存在。旋轉治療技術、微型束和FLASH在質子治療領域正在逐步發展過程中，這些方法增加了治療上的復雜性，但仍在基礎科學領域以及臨床領域有著很高的關注度。所有上述技術方法必須在臨床應用中加以驗證。
接下來，我們還會為帶來解決質子治療缺陷的生物學和機械學方面的具體建議與方法，包括微型束、FLASH效應、弧形治療、無旋轉機架治療等，敬請期待。
