作者:叶满山 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/24 5:57:14
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“消灭癌细胞”的“国之重器”

 

“我怎么也没想到,我的癌细胞很快就消失了,我特别感谢重离子治疗技术。”来自兰州市的一名癌症患者张先生告诉记者,去年经专家介绍,他抱着试试看的心态参加了重离子治疗,经过几次治疗后去医院复查,发现癌细胞已经消失。这位患者康复的背后除了与死神抗争的医护人员外,还有一群来自大西北的科学家在默默付出。

在中国西北偏北,一个盛产黄土与黄河水的地方,人们怎么也不会想到,在国际最尖端的领域,竟然实现了“零”的突破。

2023年,在第三届全国创新争先奖表彰名单中,来自中国科学院近代物理研究所(以下简称近代物理所)的医用重离子加速器研发及产业化团队获此殊荣。

历经30年,该团队实现了从大科学装置到大型高端医疗设备的跨越,研发建成了我国首个具有自主知识产权的医用重离子加速器并投入临床,实现了一条从基础研究到技术研发再到产品示范,最终实现产业化推广的全链条的自主创新之路。

这群来自黄河之滨的科学家,是如何在这片土地中造出了这台我国最大、最先进的高端医疗器械呢?

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医用重离子加速器—同步加速器。近物所供图。

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医用重离子加速器研发及产业化团队合照。近物所供图。

从“零”开始,造国产“大飞机”

1993年,在天水市举行的一次学术会议上,科研人员提出开展重离子治癌技术基础方面的研究设想。

在这之前,重离子治癌最早由美国人提出并实施,于1975年在劳伦斯国家实验室用氖离子治疗了第一个病人。

1994年,日本国立放射线医学综合研究所基于美国的重离子治癌研究,开始将千叶医用重离子加速器产生的碳离子用于临床,这也是世界上第一个医疗专用的重离子加速器设备。

紧跟其后,德国也开始进行了重离子治癌的相关研究,并于1997年开始临床试验研究。

为何各国都如此重视重离子治癌的相关研究呢?因为重离子治疗设备被称为“癌症杀手”。

重离子经过加速器加速后会直抵病灶然后会集中释放能量,从而达到消灭癌细胞的目的。并且重离子辐射导致癌细胞DNA双链断裂的概率更高,更能防止癌细胞的残留和复发,且对正常组织的毒副作用小,可有效缓解患者放疗的痛楚,因此重离子放疗是目前国际上公认的先进放疗方法之一。

如何从“零”快速追赶日本和德国的研究进展实现国产化,这对于近代物理所的科研人员来说,是一个极大的挑战。

“我们那个时候已经知道重离子治癌是很有用的,但是在1993年作为科研单位去做大型医疗器械是从来没想过也没做过的,就等于我们要从“零”开始去造一架国产化的“大飞机”。近代物理所原所长、医用重离子加速器产业化项目负责人肖国青告诉《中国科学报》 ,但再难啃的“硬骨头”也要啃下去,因为所有的科研人员为了实现国产“零”的突破,都憋着一口气。

“1995年,重离子治癌项目拿到了国家基础性研究重大项目——攀登计划(B)项目,从国家级层面来做重离子治疗的一些基础研究,会给我们的工作研究带来极大的便利。”近代物理所生物医学中心、医学物理研究室主任李强告诉记者。

随即,近代物理所基于兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的中能重离子束,进行了放射物理、放射生物学以及重离子治疗技术的研究和探索。

从1993年启动重离子治疗的生物医学研究和临床治疗的前期技术研究后,历经13年,终于获得突破。

2006年,在攻克所有关键技术以及安全性的问题后,近代物理所原所长詹文龙院士率领团队决定申请前期临床试验研究。

“我们基于兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的中能碳离子束,治疗一些浅表的肿瘤,用以观察疗效到底如何。”李强表示,这对于接下来的研究意义重大。

同年,团队利用重离子治疗技术对4例癌症患者进行了国内首次前期临床试验研究,使中国成为世界上第四个成功进行重离子临床治疗的国家。

从2006年到2009年,团队和当地医院合作,总共做了103例浅表肿瘤患者的前期临床试验研究,获得了不错的疗效。

但重离子治癌,浅表肿瘤不是目的,将重离子按照既定尺寸,打进身体里治疗深部肿瘤才是最终目标。

2009年基于新建的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR),团队利用其提供的高能碳离子,决定进行深部肿瘤前期临床试验研究。

“从2009年至2013年期间,共有110例深部肿瘤患者,接受了前期临床试验研究。与此同时,我们已经开始做产业化工作了,打算做一台真正意义上的医用重离子加速器大型医疗器械。”肖国青说。

从科研装置到临床应用的大型医疗器械,完全是两回事情,而首台设备的建设验证,急需一个从资金到人才都充沛的地区。为此,团队从北上广开始寻找有意向建设医用重离子加速器的单位,但最后都因为种种原因没能落地。

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肖国青参加武威装置第一次临床试验。近物所供图。

进退维谷,终破茧成蝶

“在上海复旦大学附属肿瘤医院需要建设医用重离子加速器装置时,团队将国产首台设备的希望放在了上海,不过最终很遗憾由于执行标准和评价体系等原因对方最终还是选择了德国西门子公司,没有选择我们的设备。”肖国青说道。

“像大型医疗设备,需要国家卫健委去给医院配置许可,需要考量医院的资质等一系列方面,比如,配置医院必须是三甲医院,并且要求医院要有从事10年以上的放射治疗历史,每年治疗的肿瘤患者要超过1万例,对高级职称的医师和物理师也有数量上的要求。而且大型医疗设备还需要申请获得国家药监局的医疗器械注册证,才能应用于临床治疗。这就要求我们的科研人员从思想上进行转变,由原来的科研设备转换为医疗器械的研发与制造。”李强告诉记者。

重离子治疗设备的要求非常严格,再加上此前并无同等体量的国产医疗器械报批。因此从样机调试、设备检测到临床试验和审批注册,几乎每项工作都像在挑战无人区,只能是在探索中艰难前进。

与上海失之交臂,作为发源地的甘肃,向团队伸过来了橄榄枝。

为了让国产首台医用重离子加速器成功落地,研究团队决定将重心移向武威市,为此,研究团队的许多人付出了心血。

时间回到2012年,在一片不毛之地上,孤零零矗立一座大楼,这就是武威重离子中心的前身。放眼望去,周围除了荒漠就是荒漠,这是留给近代物理所加速器技术中心主任、杨建成研究员的第一印象。

“刚开始工作的地方很艰苦,大家睡觉的时候只能睡在泡沫板上。”

做为主加速器同步环总负责人,杨建成更多的关注点是如何将基于兰州重离子加速器的小型化装置——医用重离子加速器装置在甘肃武威肿瘤医院投入临床应用。

“电源是否稳定”“如何纠正指标错误”在安装调试阶段,这样的问题层出不穷。

以磁场精度为例,磁铁的参数要达到万分之二均匀度,而当时只能达到万分之三。离子在一秒内大约会跑300万圈,如果精度不合适,每走一圈都偏离一点,300万圈之后早已不知所终,差之毫厘失之千里。

在武威重离子加速器项目开工之前,日本、德国、美国在医用重离子加速器方面已经进行了相关知识产权的布局,所以我国首先要做的就是突破知识产权的限制,创造属于我们国产化的治疗装置。

在团队成员夜以继日的安装与调试下,武威医用重离子加速器于2015年调试完成,这也标志着我国第一台拥有自主知识产权的医用重离子加速器装置正式落地。

“我们避开了国外设备的技术垄断,设计了一套回旋加速器与同步加速器组合的结构,其独特的结构,恰好可以缩短整个加速器周长达到56米,而同一级别的欧洲医用加速器周长是75米,日本的周长是62米。”杨建成告诉记者,细节决定成败,尤其是大型医疗器械更是如此。

在武威建成的首台医用重离子加速器装置,95%以上的零部件设备都是国产制造,无论从任何方面都不逊色于同类进口设备。

据记者了解,由于国产医用重离子加速器装置95%以上的零部件都是国产制造,装置的报价大约只有国外同类设备的三分之一,也不用每年支付高昂的维护费用,病人的治疗成本将大大降低。

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李强在医学物理实验室进行研究工作。近物所供图。


继往开来,做引领国际的产品

“2006年的11月6号,我按下了第一例前期临床试验研究患者治疗的按钮,2018年11月6日首台国产医用重离子加速器装置开始了第一例患者的临床治疗试验,这对我来说是人生中记忆最深刻的一件事。”李强激动地告诉记者,按下按钮的感觉像火箭启动发射一样。

2019年9月29日,我国首台具有完全自主知识产权的国产医用重离子加速器装置——“碳离子治疗系统”获批第三类医疗器械产品注册,并于2020年3月26日正式投入运营。

截至2023年6月底,武威重离子中心已完成超750例患者的治疗,疗效显著。跟踪统计数据显示,46例临床试验受试者的三年局部控制率达到84%。

对比进口设备,国产重离子治疗设备不但具备技术保障好、运行维护费用低、性价比高等优势,还可以提供持续的技术升级服务,完全可以实现国产化替代。

“我曾经在日本国立放射线医学综合研究所工作过3年,跟我非常要好的日本同事以前无话不说,但是现在他明确告诉我,日本政府已经向他们要求,减少与中国的合作。”李强告诉记者,国际交流的减少使他更加明白了高水平科技自立自强的重要性,不仅要把医用重离子加速器做出来,还要做得更好,领先国际。

“目前,医用重离子加速器已在莆田、杭州、武汉、南京、长春等地进行建设。其中,莆田项目装置整机调试满足设计指标,正在开展设备注册检测。武汉项目装置主设备已安装完毕,准备调试。杭州项目装置主设备设备入场安装。”肖国青告诉记者,打破国外的核心技术封锁,将医用重离子加速器价格打下去,离不开科研团队每一个人的共同努力。

“我们整个团队目前正在开发第二代医用重离子加速器,从占地面积到耗电量都会是一个全新的升级,并且价格会更低,实现产业化。”杨建成表示,第二代产品不仅在技术要做到引领国际,在绿色节能环保上还要同样的出彩,其占地面积将是第一代产品的三分之一,而耗电量也是第一代的四分之一,国产关键专利技术达到23项。这些数据的背后,是科研人员沉甸甸地付出。

据记者了解,目前重离子治疗对大部分实体肿瘤有较好的疗效,适合不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分实体肿瘤的治疗。比如,中枢神经系统肿瘤、头颈部和颅底肿瘤、胸腹部肿瘤、盆腔肿瘤、四肢脊柱肿瘤等,随着技术的不断成熟和研究的不断深入,相关适应证范围也随之扩大,已经让很多的患者受益。

但是,为了能让更多的患者受益,现有的设备还是无法满足我国庞大的癌症患者群体。所以由大变小,这是未来医用重离子加速器发展方向,只有将价格降下来,才能真正实现普惠性医疗。

“未来会考虑采用超导的方案,将国产医用重离子加速器放置到一个几百平方的房间内,让每一个医院都能安置下重离子加速器,将设备造价和患者治疗费用都降下来,这是我们追求的目标。”肖国青表示,从相关专业人士的培训到实现人工智能,再到将国产重离子加速器推向国际市场,未来还有很长的路走,这是团队未来的目标。

“像日本国立放射线医学综合研究所,德国的重离子研究中心,这是国际上两个很著名做重离子治疗研究的机构,那么我希望以后我们也能成为国际上第三个重离子治疗技术的研发中心。”李强说道,希望未来我们能在重离子治疗技术上提出更多的国际标准。

“打破专利限制,实现全部国产化,这不是我们的目标,我们的目标就是要我们国产大装置走出国门,实现国际盈利,将所有的技术核心掌握在自己手里,这样走在路上才踏实。”杨建成告诉记者。

从无到有,不光是他们没有想到,很多人都没有想到,我国能够自主研发出医用重离子加速器,并成功应用于临床。这一切的背后,都离不开医用重离子加速器产业化团队每一个成员的默默付出。

对于未来,团队里的每一个科研人员对医用重离子加速器都有着各自的憧憬,并将继续在这条国产自主化的道路上走下去,抒写未来的奇迹。

 

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杨建成在重离子加速器前。近物所供图。

 
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