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淺談高品質放射治療的微奈劑量研究

長庚大學校訊第103期-利用蒸餾固化法分離鏡像異構物

 

淺談高品質放射治療的微奈劑量研究

醫放系 董傳中 教授

  惡性腫瘤是國人健康的最大殺手,治療方法不外乎手術治療、化學治療及放射治療。這三種治療方法的原理是相同的,都在設法殺死壞的腫瘤組織,並儘量保留好的正常組織。治療時,如果腫瘤組織不去除乾淨,癌細胞會再滋生導致疾病復發,如果正常組織受到破壞,則會引起許多不良的副作用。因此,手術操刀時醫師分辨腫瘤的能力與割除腫瘤的技術或化學治療時主治醫師投藥的劑量與頻率,常是決定腫瘤治療成敗的關鍵因素。同樣地,放射治療也是如此,放射治療使用一把無形的刀,自體外隔空開刀殺死腫瘤組織,但又不能傷及正常組織。好的放射治療技術,會儘量提高腫瘤組織的輻射劑量,以便徹底摧毁癌細胞使腫瘤不再復發,但又要儘量降低正常組織的輻射劑量,以防止不良的副作用。

  放射治療可以使用的輻射種類很多,國內目前僅採用光子與電子;唯林口長庚醫院正在興建國內首部利用質子的治療設施,其他幾所大型醫院也正規劃興建利用質子,或碳離子的治療設施,又台北榮民總醫院也已與國立清華大學合作,利用 α 粒子與鋰離子進行硼中子捕獲治療。為什麼這麼多醫院都要追求質子和重離子 ( α 粒子、鋰離子、碳離子等 ) 的治療呢?原因很簡單,和光子、電子比較,質子、重離子的「治療品質」比較好、「副作用」比較小。「品質」係指達成任務的相對能力,譬如甲公司完成一件事情需要 1 人日,乙公司完成相同事情需要 3 人日,則甲公司的人員品質是乙公司的 3 倍,換言之:品質與數量呈反比關係。由於質子和重離子比較容易破壞腫瘤細胞內的 DNA 分子,造成雙股斷裂導致細胞死亡,以致比較小的劑量即可殺死腫瘤組織,因此質子和重離子的輻射品質比較高。又質子和重離子的劑量比較集中於腫瘤組織,而避開正常組織,使得腫瘤組織劑量得以提高,正常組織劑量得以降低,正常組織劑量降低的結果自然副作用就減少。除了質子與重離子治療之外,鄂惹電子的標靶治療,則是國際間積極開發的另一項高品質放射治療技術,新的生物技術已可把發射鄂惹電子的放射藥物標靶到癌細胞的 DNA 分子上,利用數量多且破壞力強的鄂惹電子,可輕易造成 DNA 雙股斷裂導致癌細胞死亡,因為鄂惹電子的射程很短,所以不會傷害沒有標靶藥物的正常組織細胞。

  高品質輻射容易造成 DNA 雙股斷裂,以及劑量集中於腫瘤組織的討論,可以用圖一及圖二加以佐證。圖一顯示,β 電子 ( 圖中的 b- ) 的游離 ( 圖中星號 ) 密度很小,不易造成 DNA 的雙股斷裂,而 α 粒子 ( a++ ) 與鄂惹電子 ( Auger e- ) 的游離密度較大,容易造成 DNA 的雙股斷裂,因此 α 粒子與鄂惹電子的輻射品質比較高。圖二顯示重離子 ( 紅色曲線 ) 與質子 ( 綠色曲線 ) 進入人體後,劑量 ( 縱座標 ) 與深度 ( 橫座標 ) 的分布為:先寬且低,後尖且高 ( 布瑞格尖峰 ),再快速地消失;而光子 ( 黑色曲線 )、中子 ( 藍色曲線 ) 與電子 ( 棕色曲線 ) 進入人體後,劑量分布則為:先略為增加,後逐漸衰退,由此可知,重離子與質子的劑量集中於腫瘤組織,而避開正常組織。

  進行光子或電子放射治療前,醫師需開立腫瘤組織與正常組織的處方劑量,因為腫瘤組織與正常組織的體積都很大 ( 數公分以上 ),因此所開處方劑量被稱為巨觀劑量 ( macro-dose )。針對高品質的放射治療而言,除了處方劑量之外,還需提供質子或重離子的細胞劑量與 DNA 劑量,才能評估治療效果,因為細胞與 DNA 的大小約在微米與奈米的尺寸,所以此二劑量分別被稱為微米劑量 ( micro-dose ) 與奈米劑量 ( nano-dose )。研究高品質放射治療的微奈劑量,可從理論與實驗兩方面著手,理論方面多採用蒙地卡羅 ( Monte Carlo ) 模擬計算,實驗方面則多利用組織等效比例計數器 ( TEPC ) 度量。蒙地卡羅的方法,是根據輻射在人體組織內的作用機率,利用電腦程式觀察輻射每次作用後的行經位置、能量改變、方向變化及產生的二次粒子等,除了紀錄這些資料之外,並且繼續追蹤所有原始輻射與二次輻射,直到他們在人體內不再發生作用或者離開人體為止。換言之,蒙地卡羅的模擬可以觀察肉眼看不見的輻射,用電腦把輻射在人體內的作用情形呈現出來,以幫助醫學物理師瞭解腫瘤組織與正常組織的劑量分布,圖三所呈現的是蒙地卡羅程式模擬電子在人體細胞內的結果,圖中的大黑點代表原始輻射與組織之作用,小黑點代表二次輻射與組織之作用,這些作用所導致的 DNA 傷害包括:紅色符號的螺旋斷裂,以及綠色符號的鹼基破壞,這些傷害可能經由輻射與人體的作用直接造成,也可能先由輻射與人體作用產生 H OH 自由基 ( 參見圖中標示 ),然後再透過自由基的運動間接造成。蒙地卡羅的微奈劑量模擬程式,可以詳細紀錄各種不同程度的 DNA 傷害,包括 ( 參見圖四 ):不同型態的單股斷裂 SSBSSB+2 SSB,以及不同型態的雙股斷裂 DSBDSB+DSB++等,其中 SSB DSB 屬於簡單型的單股與雙股斷裂,比較容易修復,不易造成永久性的細胞傷害, SSB+2 SSBDSB+DSB++屬於複雜型的單股與雙股斷裂,比較不易修復,容易造成細胞死亡或基因突變。至於實驗度量所用的組織等效比例計數器,則係利用低壓氣體模擬一個細胞,直接度量輻射在細胞中的微奈劑量。本校放射治療實驗室為了開發我國質子治療的微奈劑量計,設計了迷你型組織等效比例計數器 ( 參見圖五 ),其氣腔直徑只有 1 毫米,在國際間屬於相當先進的精密儀器,藉由抽取不同程度的真空來模擬不同大小的細胞,以做為林口長庚醫院未來質子治療的臨床應用。

  本校放射治療實驗室近年來主持了國科會計畫「新興放射治療的微劑量研究」及長庚醫院醫學研究計畫「整合型質子治療的研究」,成功地發展出質子與重離子治療的微米劑量蒙地卡羅程式 Fluka MCDS,以及鄂惹電子標靶治療的奈米劑量蒙地卡羅程式 Penelope NMC,並且研製出組織等效比例計數器與迷你型組織等效比例計數器,應用於計算與度量各種高品質放射治療輻射 ( 包括質子治療射束、硼中子捕獲治療射束、標靶治療鄂惹電子射束 ) 的微奈劑量參數,研究成果發表在十餘篇 SCI 期刊論文之中。基於這些研究成果,2010 年在瑞典舉行的 International Workshop in Monte Carlo Computational Methods in Radiation Track Simulation and Applications in Physical, Biological, and Medical Sciences,以及在澳洲舉行的 16th International Conference on Solid State Dosimetry,主辦單位均邀請筆者擔任分組主席,並且發表最新的研究成果。值此我國即將邁入臨床高品質放射治療之際,本校放射治療實驗室的微劑量學研究,已經在國際上佔有一席之地。

圖一.比較各種輻射(α 粒子a++、β 粒子b-、鄂惹電子Auger e-)的游離(星號)密度及其造成的DNA雙股斷裂。圖例取材自:Radiobiologic principles in radionuclide therapy, AI Kassis and SJ Adelstein, Journal of Nuclear Medicine 46 (Suppl.), 2005.

▲圖二.比較各種輻射(紅色、綠色、藍色、棕色、黑色分別代表重離子、質子、中子、電子、光子)在人體內的劑量(縱座標)與深度(横座標)關係。圖例取材自: What are heavy ions, Gunma University Heavy Ion Medical Center,http://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp /en/therapy02.html

圖三.300 eV電子在細胞核內的蒙地卡羅模擬結果。圖例取材自:Stars, radiation, DNA, and cancer, G McCabe, http://mccabism.blogspot.com/2008/07 /stars-radiation-dna-and-cancer.html

▲圖四.不同程度的DNA傷害分類。圖例取材自:H Nikjoo, et al.,Computational modeling of low-energy electron-induced DNA damage by early physical and chemical events, International Journal of Radiation Biology 71 (5), 467-483, 1997.

圖五.長庚大學放射治療實驗室設計製作之迷你組織等效比例計數器(Minitissue equivalent proportional counter)

 

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