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台灣「粒子治療」的現況與未來:重粒子治療的應用與未來

台北榮總腫瘤醫學部 放射腫瘤科 康鈺玫醫師

癌症,在21世紀,已成為人類健康最大的威脅。從西元1982年以來,癌症躍升為台灣死亡原因的第一位榜首。許多人聞癌色變,而癌症更是現代醫療人員期望克服最重要的難題之一。隨著時代演進,有許多新的癌症治療方式陸續出現,而重粒子則是其中最具有潛力的治療之一。

倫琴(Wilhelm Röntgen)於西元1985年發現X光,X光、電子射線以及γ射線,漸漸廣泛地運用於傳統放射線治療。近五十年來,由於電腦科技的快速躍進,帶動了更新更準確的放射線治療。以直線加速器(linear accelerator)為主的光子治療(photon therapy),成為現今台灣醫療中心治療癌症病人的主力。

除了光子治療之外,粒子治療是近年來最熱烈被討論的新型抗癌武器之一,粒子治療分為輕粒子治療(如電子射線治療)以及重粒子治療(如中子、氦粒子、碳粒子治療)。西元1946年,威爾森博士(Robert Wilson)於哈佛物理實驗室發表使用質子治療的構想。西元1954年,第一位病人在美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)接受質子治療。西元1977至1992年期間,LBNL開始發展評估重粒子治療,當時以中子和氦粒子為主。西元1993年,日本國立放射線醫學綜合研究所(National Institute of Radiological Sciences,NIRS)成功開發出第一台醫療用碳粒子加速裝置HIMAC (Heavy-Ion Medical Accelerator in Chiba),並在隔年,開始了一連串的碳粒子治療研究計劃。本篇文章接下來所討論的重粒子治療,將以碳粒子治療為主要討論對象。

直至現今,在日本、德國、義大利、中國共有八處運作中的重粒子中心,超過萬人受惠於重粒子治療,而澳洲和台灣也正積極籌備發展重粒子中心,以期造福更多癌症病人。而重粒子在治療癌症上究竟有什麼優勢呢?

就放射物理方面來說,一般的光子射線在穿過體表後,會先經過一段增建區(build-up region),劑量在0.5-3mm會逐漸累積達100%後隨著組織深度而漸衰減。和光子治療不同的是,質子射線和重粒子射線有著獨特的物理特性,它們維持著低劑量穿透體表,直到射程末端才出現大幅的能量釋出,我們稱之為布拉格峰(Bragg Peak),而放射線劑量會在布拉格峰之後急速衰減趨近於零。我們利用不同的方法可以加寬布拉格峰(spread out bragg peak,SOBP),使之包含整個需要治療的腫瘤範圍,而布拉格峰前後較低的放射線劑量特性可以降低腫瘤附近重要的組織器官的傷害。

相較於質子,重粒子射線入射體表的相對劑量比質子要低,形成布拉格峰時其能量寬度比質子窄,最高能量也比質子高,而布拉格峰急遽衰減的程度也比質子要陡峭。重粒子因為核反應分裂成更小的粒子,會造成在布拉格峰之後,帶著一段很低的劑量尾巴(fragmentation tail)。而以輻射生物學的觀點來說,重粒子較質子和光子,有更高的線性能量轉移(linear energy transfer,LET),也就是說在穿透組織時,重粒子在單位距離內釋放到組織的能量更大,因而可以造成更強的相對生物效應 (relative biological effectiveness,RBE)。以光子射線的RBE為1來看,質子治療的RBE約為1.1,而重粒子治療的RBE則為3左右。高的相對生物效應使治療過後的細胞多呈現直接性的致死性破壞(lethal death),癌細胞較沒有自我修復的機會,因此重粒子治療也較不受缺氧細胞或是癌症幹細胞的影響。除此之外,重粒子的治療療程也可因為以上特性,縮短為傳統放射線治療療程的1/2到1/3。如果以打仗的方式來形容放射線治療對付癌細胞,如果光子像射箭攻擊敵人,那麼質子則像子彈,而重粒子則像用大砲攻擊敵人了。

這些珍貴的物理和生物特性,使得重粒子在現今一些較難治療的癌症上占有重要的治療角色,特別是腺癌(adenocarcinoma)、腺樣囊狀癌(adenoid cystic carcinoma)、惡性黑色素瘤(malignant melanoma)、以及惡性肉瘤(sarcoma)的治療上,帶給罹患這些難治癌症的病人治療上的新突破。而頭頸癌、肺癌、肝癌、顱底部位的癌症,甚至於胰臟癌、婦女癌症、直腸癌、腎臟方面的癌症等等,重粒子目前都有值得重視的治療成效。

以國人最常見的肺癌為例,日本NIRS治療經驗指出,周邊型第一期但不能開刀的非小型肺癌(non-small cell lung cancer)病人,傳統的放射線治療,可能需要約18-30次不等的分次治療,平均五年的局部控制率約為50-64%,而若以重粒子治療,可將療程縮短為4-9次治療,且腫瘤控制率可高達90-95%,目前129位病人的治療成果中,沒有嚴重(超過grade 3以上)的治療副作用。另外,頭頸癌中最難控制的惡性黑色素瘤(malignant melanoma)來說,這類病人接受傳統癌症治療的局部控制率極低,而五年的平均存活率僅30%;日本的研究證實,重粒子搭配化學治療可將這類病人的整體存活率拉高至50%,局部控制率甚至可以高達81%。

在肝炎疫苗尚未普及之前,台灣人民B型肝炎感染率甚高,因而導致肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)成為目前台灣人民的國病。對於肝腫瘤太大,不能接受手術和栓塞的肝癌病患來說,由於肝臟有正常組織對放射線耐受程度的限制,傳統放射線治療的成效十分有限;平均來說,這些病人接受傳統放射線治療約50Gy後,五年存活率僅9-25%;而日本研究成果指出,類似病人接受重粒子治療後,其五年局部控制率可達到93%,而五年存活率可以拉高至36%,且目前沒有嚴重的治療副作用。

位於軀幹且無法開刀的骨肉瘤(osteosarcoma),一直是病人和癌症醫師的夢魘,國外研究報告指出此類病人平均五年存率僅為0-10%。而日本研究指出重粒子搭配化學治療,在類似病人族群上,可將平均五年局部控制率提升62%,五年存活率提升為33%,而且治療後的病人沒有嚴重的副作用發生。

由此可知,對於以上不易治療的癌症種類來說,重粒子是安全而且十分具有潛力的癌症治療方式,對於傳統治療無效的癌症病患來說,可說是一大福音。

重粒子雖然有種種好處,但設備和治療成本太過於昂貴仍為人所詬病。日本群馬大學醫院和NIRS合作,他們統計25位局部復發的直腸癌的患者,其中14位於NIRS接受單純的重粒子治療,而11位於群馬大學醫院接受一般多樣的傳統治療(包含傳統放射線治療和化學治療)。單純接受重粒子這組含治療以及住院等種種花費平均每個人約需要4,803,946日元(約140萬台幣)的治療費用;而傳統多樣性治療組,平均每位病人需要花費4,611,100日元(約135萬台幣)。而平均兩年內的存活率,重粒子治療組為85%,而傳統放射線治療加化學治療組為55%。平均下來,每多花6,428日元(約1888元台幣),就可以增加此類癌症病患1%的存活率。這和現在許多昂貴的藥物或標靶治療比起來,治療和花費的效應比上是值得期待的。而且單純接受重粒子這組平均住院天數僅37天,而傳統治療組平均住院天數為66天。大幅降低的住院天數,除節省醫療成本外,更減少家屬照顧的心力,值得我們重視。

和質子治療類似的是,目前世界上許多重粒子治療中心已積極研發可旋轉式的治療機頭(rotating gantry)並持續改良中;另外各國也嘗試採用新穎的筆型射束掃描技術(pencil beam scanning),捨棄原本的補償器(compensator),運用掃描磁鐵形成很窄的筆型射束來掃描整個腫瘤靶區。這些新穎的技術都正在如火如荼的發展中,未來將協助醫療人員製作和執行更順形和精準的治療計劃,給予每一位癌症病人,如同繡花般,最適合、專屬的放射線治療。未來,科學家也追求設計出體積更小、耗電量更低及花費更少的重粒子治療;綜合搭配著高精準度的呼吸調控設備,6D治療床和即時影像捕捉技術,種種高科技的輔助皆可讓重粒子放射治療達到更精確和更優越的治療效果。

而就國內來說,在2015年11月,台北榮總獲得衛生福利部同意,並在企業家尹衍樑捐15億、宏國關係企業捐3億、宏泰企業捐3億的款項下,於2015年12月宣布興建總預算高達四十二億元的重粒子癌症治療中心,預計硬體兩年後完成,最快西元2019年正式營運。我們誠心期待這潛力十足的新型抗癌治療技術持續發展,期望可以造福更多罹癌病患和帶給病患和其家庭更多治癒的希望!

 


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