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第378期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《碳离子的神奇妙用》

2022-07-20 15:32:01 来源: 点击量:
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讲座题目:透视新科技——碳离子的神奇妙用

主 持 人:胜  春

做客嘉宾:颜学庆,北京大学教授。

          叶  盛,北京航空航天大学教授。

          

讲座时间:2022年7月11日~7月17日

(备注:讲座视频可循环播放)

 

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=1451226578536849162&read_id=6bf9c3b2-e995-4000-8b5d-1a55c39b646b&ref_read_id=6dec779e-e48a-4a7d-967f-3928d73804ad&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default_id

透视新科技——碳离子的神奇妙用

 

讲座内容:

各位好,欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目,我是主持人胜春。今天我们跟大家聊聊碳离子,说到碳这个概念,大家可能不是很陌生,很多人知道我们生活当中取暖可以用炭。更有人知道,像生活当中的金刚石、石墨,它的主要成分都是由碳原子来构成的,那碳离子能做什么呢?我们国家的科学家正在研究用碳离子技术来治疗癌症,也就是肿瘤,并且取得了阶段性的成果,我们先去了解一下。碳是一种很常见的元素,它以各种形式广泛存在于大气、地壳和海洋之中。尽管人类很早就已经使用炭,但是对于它的认识却是从碳元素发现之后。科学家利用碳元素合成大量的化合物,也可以利用重离子加速器获取碳离子用于放射性治疗。2019年9月29日,由我国科学家自主研制的碳离子肿瘤治疗系统,获国家药品监督管理局批准注册上市,并于2020年3月26日在武威肿瘤医院开始临床应用。那么,什么是碳离子?它是如何杀死肿瘤细胞的呢?

好,短片过后,欢迎来到我们的演播室,首先,我给大家介绍一下我们请来的两位嘉宾。首先我左手边的这位是北京大学的颜学庆教授,欢迎您!您好!另外一位是来自北京航空航天大学的叶盛教授,欢迎两位!主持人好!观众朋友们好!刚才我在节目开场的时候,其实已经给大家说了,关于这个碳,碳原子和碳离子的概念,两位能给我们具体地解释一下,到底它们都是什么?区别又是什么?我们中学都学过,化学元素周期表上碳是第6号元素,但是第6号元素意味着它核外是带6个电子的一种原子核。当然我们这个原子,处于高能的状态下的时候,它这6个核外电子会丢掉,就会形成带6价的碳6+的碳离子。其实离子这个词,大家生活中也常听到,不光是在化学课上,在生活中也会听到,比如说我们说食盐里面有钠离子,有钾离子,对吧。然后我们比如说我们有时候会听到氢离子这种说法,为什么像这种离子比较经常能听到呢?

是因为这些离子,它存在得比较稳定,也就是说它单独能够存在,但是为什么碳离子这个词,我们很少听到呢?就像刚才颜老师介绍的似的,它必须需要一个很高的能量,才能够把它表面的这些电子剥离掉,然后才能获得只带正电的碳离子,这个不是在日常生活中很容易能做到的事情。所以它更多的只存在于一些比较复杂的仪器设备,存在于实验室中,这就是为什么我们平常很少听到它的原因。但其实它跟其他的那些钠离子也好,氢离子也好,本质上是没有区别的,就是一个丢掉了电子,带正电的这样的一种离子。嗯,我觉得两位,一个是从专业的概念上,另一个生活化地又给我们解释一下,碳离子到底是什么样的。那两位能跟我们介绍一下这个碳离子具体有什么特征吗?

碳,当碳原子去掉6个核外电子以后,成为碳离子。碳离子它有一种特性,就是在电场的作用下,它会被加速起来。我举一个例子,比如说汽车,我们一踩油门的时候,它的速度会起来,比如说一定的时间到100千米每小时。那碳6+在电场的作用下,它也会被加速起来,而且这个速度会达到非常高的速度,这个速度可能有的时候我们难以想象。我举个例子,还是以汽车为例,汽车是100千米每小时,那每秒钟大概在30米左右的速度。但碳离子在加速器里,被加速的时候,它可以达到光速的百分之七十。也就是说在20万千米每秒这么一个速度,非常非常快的一个速度。那我想知道,具有了这个速度之后,它对我们带来的价值是什么?我觉得这就是一个,我们可能生活中会说到的一个词,叫重拳出击。为什么要叫重拳出击呢?

你想,同样的我是去打一拳,如果这个拳头本身的重量,这是一份重量。那如果我再戴上一个拳套,而且这个拳套里再加一些分量,比如说加一些铁砂,那么这个时候再同样打出去一拳,你想想肯定是后面这个重拳,它的力量会更大,对吧?这是一个最简单的物理原理。就是你的效果是由动量决定的,那质量越大,动量就越大,碳离子就属于很重的东西。因为这个碳离子中间是一个碳的原子核,实际上是有6个中子,6个质子,差不多是十二道尔顿。那像我们一般所说的,比如你用质子,那就只有一个道尔顿,如果你用电子的话,那电子的质量就更小了,比中子、原子要小得多了。所以说,碳离子最本质的一个好处,我觉得就是它的质量大,是一个重拳出击,这样的话,它所能起到的破坏作用也就更大。它的杀伤力更大。

我们国家的科学家正在研究用碳离子这项技术来治疗癌症和肿瘤,那说到这我们必须先(说一下),我们传统治疗肿瘤的方式都有哪几种?传统肿瘤(治疗)通常有主要的,我们常见的有三种,一种是手术,容易理解,如果看到有肿瘤,我们可以用手术刀给它切掉。另外一种叫化疗,化学疗法,化学疗法就是往身体里(注射),这是一种化学药物,可以说是一种“毒药”,但它有一定的选择性,因为肿瘤细胞繁殖快,正常细胞繁殖慢。所以肿瘤细胞,变相被杀死更多一些,但这种它会对人体带来很大的副作用,客观表现上可以看到,经过化疗以后,这个人会很衰弱。头发会掉。对,非常虚弱。第三种叫放疗,利用一种射线,来做肿瘤治疗的方法。这种射线,医学上有很多的种类,常见的有X射线,伽马射线,有这个我们平常讲的碳离子和氢离子这几种。

刚才听您的介绍,按这个逻辑的话,如果碳离子这项技术治疗肿瘤,也是属于放射疗法的一种。没错,射线一般它属于核的范畴,一般来说我们都是“谈核色变”,大家都很害怕。但其实很多情况下,核也可以变废为宝,它可以用于民用,这里面比如说我们平常建的核电站,就是用核的办法。比如说咱们现在谈的肿瘤治疗,更适用射线的办法来杀伤肿瘤,这么一个办法。不管是X射线、伽马射线,还是其他放射物质,对生长增殖速度快的肿瘤细胞都有一定杀灭作用。但不幸的是在杀灭肿瘤细胞的同时,或多或少地会对正常细胞造成杀伤。那么如何才能让放射线在杀死肿瘤的同时,又尽可能的降低对正常细胞的伤害呢?碳离子治疗肿瘤,是属于放射治疗的一种,那之前我们也有很多放射治疗的方式,我们为什么还要来研究碳离子这项技术来治疗呢?

碳离子治疗,可以说是一种精准治疗方法,一般来说碳离子本身,它不能识别肿瘤在哪里,但是如果我们医学上,比如说用CT或者核磁,我们来提前诊断出来肿瘤在什么位置,这样的话我们就可以用碳离子去精准杀伤它。这个碳离子就类比无人机,CT就是北斗导航的位置,这样可以精准地去杀伤肿瘤。这里面当然我们知道,碳离子还有特别重要的特性,就是叫布拉格峰的特性。这是什么概念?布拉格峰本身就说它一个高速的射线,进到一个物质里面,它损失的能量,单位距离里面损失的能量可以是跟它的速度平方成反比,也就是说当在末端的时候,它的速度降下来的时候,它的能量一下就释放出来了。关于布拉格峰,我想给大家再详细地解释一下,其实这是一个物理学的概念,对吧。它其实描述的是一个材料,对于射进去的粒子束也好,或者其他的高能射线也好,它是怎么样去吸收它的描述的是这样一件事情。但是这里面有一个很有意思的现象,碳离子是重离子,因为它重,它有6个质子加上6个中子,比质子本身要重,比单个的电子就更要重。

那你想想,如果轻的东西,当你冲进一个人群中去,一个质量很轻的,一个体重轻的男生可能很容易就被人拽住了,但如果是像我一样体重比较大的一个男生,然后你冲进一个人群里,可能你就不太容易被拽住。更重要的是,如果你的速度也很快的时候,你就更加不容易被人拽住,对吧?但是周围的人还是会拽你,你的速度会减慢,当你速度减到一定程度的时候,周围的人会一下子把你给抱住了,那碳离子进入到人体组织中,它所经历的这个过程就有点像这样一个过程。它一开始的时候速度很快,周围这些物质对他的作用有,但是减速的作用很小。但是,随着它往里走,随着它深入进去,随着它速度变得越来越慢的时候,终于到某个阈值之后,周围的物质会一下把它抓住,它这时候一下有一个急停,有一个刹车,那我们知道能量是不灭的,这个刹车的过程中,巨大的速度所带着的动量,这些动能去哪了呢?就以一种杀伤周围组织的方式释放出来了,那这个其实就是碳离子杀伤的“妙处”。不过这个“妙处”是要打引号的,是跟谁比,跟谁比呢?就是跟我们一般用的X射线,跟伽马射线,或者是跟轻一点的质子相比,这是它的一个好处。

这里面我们可以再举一个类比,我们很多人玩过台球,我们有一个目标球,有一个母球,当目标球在桌面滑动,经过桌面打到目标球的时候,在滑动的过程里面,它损失的能量是比较小的,但是当它打到目标球的时候,能量一下就爆发出来了,就丢失了。这个过程我们可以类比为在这个目标球就是肿瘤,母球就是离子刀,去杀伤肿瘤,所有的过程里面,在进入的时候它能量损失很少,仅仅是在肿瘤位置把能量释放出来。所以这里面我们可以把它,有时候把它叫做离子刀或者碳离子刀。我们知道除了碳离子之外,我们还有X射线、伽马射线、氢离子这几种,X射线和伽马射线,它是一种电磁波的形式,它打到人体以后,它是能量递减的这么一个层级过程,不像碳离子和氢离子,它是以布拉格峰的形式出现。所以它可以更精准地杀伤肿瘤,这里面可以举一个例子,在一个城市里面有一个很破旧的房子,我们需要把它(拆)除掉,建新的房子,那这样我们可以用定向爆破这么一个形式,但是不能影响到周围的房子,这个时候我们的质子刀,就类比定向爆破的形式,直接穿过人体表面,不太损伤表面的组织,当然有一点点损伤,不太损伤,大部分能量是打到肿瘤部位,可以更加精准地杀伤肿瘤。可以说类比X射线、伽马射线,它们相当于拿火烧,烧完以后,里面肿瘤组织,可能受的辐射是比较少的,类比正常组织里杀伤了一千,但肿瘤组织杀伤了八百这么一个过程。用重离子,它可以更多的能量,直接打到肿瘤部位更加精准。

更精准,相对副作用也会小一些,是这个道理。医学上还有一种,比如说有些肿瘤,它不太适合用X射线来辐照,是抗X射线的这种(肿瘤),比如说我们尾椎的脊索瘤,它对X射线和伽马射线不太敏感,所以有时候也需要重离子来辐照。关于我们传统的像X射线、伽马射线这些方法,它在治疗的时候,其实刚才颜老师有提到,杀敌一千,自损八百,为什么呢?因为我们可以想象一下,就是我们在有些科幻电影中见过“光剑”,这种不存在的技术。激光一穿就把人体穿孔了,对吧。X射线其实也是类似这种原理,它穿过去的时候,在它光行进的路径上,对所有这些组织,无论是癌症组织还是健康组织都会有杀伤。我们今天已经是一个常识了,就是说你没有必要不要去接受X射线的辐照,对吧。我们都知道它对人体是有伤害的,所以这些方法它必然对健康组织也是有伤害的。那么与它相类比的话,像碳离子或者说质子这些重离子,它有点像什么呢?有点像一个隐形的剑,它在进入你的身体的过程中,不伤害前面的健康组织,它只打击最后的肿瘤组织。有的人可能会觉得奇怪,说为什么会这样呢?这个我们在前面也解释了就是这个布拉格峰,这是一个很重要的一点。另外很重要的一点,就是我们很多人可能对原子没有一个尺度上的概念,假如说原子如果有这么大,我拿手随便比画一下,如果说原子有这么大,那原子核有多大呢?

其实连看都看不见,它是一个连一毫米都不到,只是在微米尺度上,如果来类比的话,原子核是非常非常小的,那么结果就是什么呢?我们看似一个实体的东西,包括身体也好或者物体也好,其实从物理学上来讲,它是很空旷的,里面原子核都彼此相距很远,而且非常微小。那么碳离子也是这么一个很小的原子核,当它穿入到我们的人体中,其实它不会受到什么阻碍,它基本上是径直的飞到目的地的,这个结果就使得它在前面,其实不会对我们的身体造成很大的伤害。刚才我们说到了叶教授也给我们解释,碳离子的加速性,重拳出击,这些特点我们都记住了。那比起传统的一些放射治疗方式,它的优势是什么呢?因为我们知道,如果用X射线,那么这条射线射进去的时候,在它整个行进路径上,对于所有这些组织的伤害是差不多的,而且实际上对X射线来说,可能越靠外的组织受的伤害反而越大一些。而碳离子恰恰相反,它在速度快的时候,对这些组织的伤害很,只有到达它的目标的时候,到达终点的时候,对癌症组织,肿瘤组织,它的这种杀伤力才全部释放出来,所以说它最大优势就是不伤害健康组织,那这就是它在实际应用中,为什么我们要去研究它,研究它的种种特性,然后去发展这种技术的原因,就是因为它可以做到对于健康组织最小杀伤的效果。

您二位给我们解释得已经非常清楚了,但是我们还想知道,像碳离子技术来治疗肿瘤的话,它是所有的肿瘤都能治,还是针对某种肿瘤有效果呢?不是,任何一种,刚才主持人提到治疗的方法呢,肿瘤是很复杂的一个病种,可以说最危险的一种,没有任何办法可以包打天下,重离子也有它的局限性。首先,我们知道它是一种精准治疗方法,所以重离子一定它只是对这种有精准位置,有局域位置的肿瘤比较好,这是其一,对于扩散的肿瘤,它是没有办法或者很难去治疗的。另外一种,就是说对于空腔型的,比如说胃癌、肠癌,这种薄壁的肿瘤组织,因为它也是一种刀,虽然不是手术刀。人肉眼看不到的刀。对,把腔壁击穿,这样会带来一些麻烦,所以医学上对于这几种,一般重离子治疗是不太好的。刚才我们也说到了,它不是对所有肿瘤治疗都是起效果的,而是对部分肿瘤病症是有一定的效果的,那能给我们具体介绍一下,比如说对哪些肿瘤是非常有效的?有明确的位置,比如说这种实体瘤集中在某一个位置,它不是分布到全身的,可以利用医学的办法确定肿瘤的位置,再利用离子刀去精准地杀伤它。比如说血癌就没办法治疗,因为它癌症分布在浑身各处,对于这种扩散的就没有办法。

那说到碳离子技术,可以治疗部分肿瘤这项技术,可能会引起很多人的关注,这里面人们自然会想到一个问题,它有多安全?它的安全性是什么样的呢?两位能给我们介绍一下吗?好的,碳离子从世界范围看,大概治疗了,用碳离子大概治疗有3万个病人。这种病例从5年的生存期来看,大概有百分之八十的病人,或者说实体瘤的病人,他接受(碳)离子治疗以后,他的5年生存期是比较好的。所以从这个角度数据上看是安全的,从物理的角度上看,因为碳离子和氢离子,它打到人体以后,其实人体的碳有很高的比例,可能大概在百分之十八左右的碳元素的比例,所以打进去很少比例的碳离子,对人体没有特别大的副作用。叶教授有补充吗?碳应该说,它是一个组成我们身体的一个非常重要的这样一种物质,像蛋白质分子,像核酸分子,就是我们常说的DNA(脱氧核糖核酸),这些都是核酸分子,还有包括构成我们细胞膜的磷脂,那这些几大类分子里面全都是以碳为主要的一个骨架的。所以说碳就是构成生物分子基本的那个骨架,所以说碳这种元素在我们身体中是相当丰富的,那么作为碳离子的这样一个治疗,可能会把少量的碳注射到我们的身体里,但那个量是非常非常微小的,那个碳对于我们来说是毫无影响的。那用碳离子来治疗肿瘤的这种方式,它也像不像其他药物一样,或者治疗方法,也具有一定的副作用?

是的,碳离子经过几十年的发展,事实证明它是一种比较好的癌症治疗方法,但是在临床上我们前面提的布拉格峰,它是一种精准的肿瘤杀伤方法。但在之外在布拉格峰之后,我们用一个重拳去打的时候,后面一定会产生些什么,后面从物理的角度,它会产生一些刺激的辐射。这些辐射就会对布拉格峰之后的一些组织器官会产生一些副作用,所以在临床上,很多国家对于重离子是不允许用于青少年的肿瘤治疗的。在世界范围内,碳离子治疗最早在美国开始使用,后逐步推广到德国,日本等地。我国在2014年由上海复旦大学附属肿瘤医院完成第一例重离子癌症治疗,目前已经治疗近千例病人。那接下来可能很多人就会问费用怎么样?一般老百姓或患者能承受得了吗?

这个费用还是比较可观的,目前在上海复旦大学附属肿瘤医院,它的治疗费用大概在27.8万(元人民币)每一个部位,在兰州,他们相对便宜一点,大概在25(万)到26万左右每一个部位。关于费用问题,我想再补充解释一点,大家可能不知道为什么费用会这么高?主要是可能普通人对仪器设备没有概念,就是重离子这台设备,我们可能管它叫一台设备,但它其实不是一个能够放到普通房间里的这么一台设备,它有多大呢?如果说最初的设备可能大小要到小型的体育场馆那么大,那现在的大小,可能至少也是在工厂、车间这样的大小范围之内的一台设备,它是一个非常复杂的,我们叫做同步加速装置。而且为了使得它在加速过程中不会出任何问题,我们需要用很强的磁场去约束它,而且这个环境中要抽真空,还要包括低温制冷,那么所有这些条件都是消耗大量能量的,包括本身这台设备的建造,它也是需要花很多的资金的,实际上都是在几十亿这样的一个规模上,所以说整个设备建造起来到它开机运行,这里面都是有巨大的成本投入。所以说到设备,我们就有必要解释一下这是一个什么样的设备?它的原理是什么?

这个设备是一个很大的设备,它通常外形看起来像一个圆形的跑道,但这里面在圆形的跑道上,我们放置了很多的仪器和设备,包括磁铁、电源、探头系统等等。这里面有把碳原子电离成碳离子的离子源,有把离子束引到环里面的输运段,然后这是一个子系统,这个子系统平常医生和病人是看不到的,那这个束流会引到一个叫治疗子系统的一个房间里,这个房间里通常病人可能会躺到一个像床一样的设备上,接受离子的辐照。2019年,也就是去年的9月份,关于碳离子治疗肿瘤的这项技术的专业设备已经成功上市,并用于医疗当中,这件事对于碳离子这项技术来治疗肿瘤意味着什么?这个意义非常重大,那兰州近物所(近代物理研究所)经过这么几十年的努力,把它成功地从一种核物理装置,建成商业的治疗装置,变成一个真正的产品,这意义非常重大。可以说从基础研究走向应用研究,再到走向商品,这每一步都是以十倍放大,所以走到今天这一步也非常非常不容易,在此也是特别为我们国家核心技术的提升感到自豪。同时,对于广大肿瘤病人来说,也提供了一种多的一种选择,以后也可以用(碳)离子治疗,除了我们说的手术刀、化疗,也多了一种,重离子放疗这么一个手段。关于这项治疗技术的设备上市,您怎么看?

我们知道它(碳离子治疗)是安全的,而且它是有效的,所以说就使得更多的病人可以去期待,也许我们能够用到这种技术,而不是在之前,在临床试验阶段,可能不是所有人都有机会用到这个技术。就像颜老师说的似的,它是一个福音,就是能够使得更多病人有这个希望了。但是,就像我们前面也反复强调过的,不是说每一种技术都是对所有的肿瘤都是能够去治疗,最重要的还是要遵医嘱,要看医生对你的这个具体的病情的判断,它究竟用什么样的技术去治疗是更合适的。好,那最后可能我们大家非常关心的一个问题,就是这一项关于碳离子治疗肿瘤的技术,临床应用未来的发展,我们怎么去期待?客观讲它的设备现在太大,可以说是目前有史以来最大的一种医疗设备,所以未来发展趋势可能主要有这么几种。

第一种,利用超导的技术。它的电阻是趋近于零的,所以我们从中学的知识里面知道,它在电阻很小的时候,它的能耗就很低。这样在同样的尺寸下,它可以将离子能量加速到更高,那碳离子治疗,以后也应该可以值得期待,可以做得更小。另外一种技术,我觉得应该提一下,就是这种激光的技术。激光,它本身的电场,场强非常高,所以它可以在很短的距离里面,将离子加速到接近光速的一个水平,所以未来激光加速器,它可以把这个设备做得更小。这样的话,将这个设备做小以后,就能放到普通的三甲医院里面。我们知道中国一年的癌症病人,新发的癌症病人大概在四百万左右,需要我们一台设备,通常也就治疗大概一年在一千个病人左右。所以客观讲,需要很多这样的装置,但是目前的技术呢,它太大,所以未来我们期待超导技术和激光加速技术的发展,能够将这些设备做得更小。叶教授对于这项技术来治疗肿瘤未来的前景怎么看?

我觉得这个前景肯定是非常好的,因为咱们前面谈到了它的很多优势,其实这里面还有一个我觉得很重要的一点,就是虽然说手术的切除往往是传统上最有效果的一种方式,但是手术切除它有很多限制,不是我们身体哪个部位都可以去开刀去切的,这个其实很多时候就限制了手术这种方法的使用。那么反过来,像碳离子也好,或者其他一些放射性疗法也好,它最大的优势是,它可以深入到身体内,无论肿瘤在哪个部位,只要它是一个实体瘤的形态,那么基本上都可以用这种方法,那么就像刚颜老师说的,随着这个设备不断的小型化,同时也带来了它成本的下降。那么,我想这种技术,就能够更多的去辅助到我们传统的手术治疗,还有化疗里面来。然后,就能够对我们整个肿瘤治疗能够带来一个更光明的未来,我觉得这绝对是一个可以期待的未来。好,今天非常感谢两位嘉宾来给我们解释这样一个新兴的技术。在今天节目当中,我们跟大家谈了关于碳离子来治疗癌症和肿瘤的这项技术,我们也希望这项技术通过科研人员的不断努力,技术不断完善,给更多人带来福音。好,感谢您收看,我们今天的《透视新科技》,我是胜春,咱们下期节目再见。

(通讯员  邓辉)

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