第七章 中子及其它重离子

图11.10 小鼠小肠急性反应耐受的等效剂量 注：γ射线或d(50)+Be中子照时后相当于LD50的总剂量(N，dN）与分次数(N)或分 次量(dN)的关系，中于照射时等效剂量的变化很小。当分次量下降时RBE的增加是 由于对γ射线耐受的增加。
（四）快中子的临床应用及展望
临床应用主要放在两个因素上：
美国则将注意力集中在应用有较高深 度量的超热中子
用调制器(modulator)或滤过板使快中 子减慢到超热范围并将残余的热中子滤掉。 这些超热中子本身并不与硼作用，而是在 穿过组织过程中与氢原子碰撞而降解。虽 然如此，其最高剂量也仅达到2～3cm的深 度，然后剂量很快下降，这样虽然避免了 高的表面剂量，但深度量还是不理想。
第一，因为中子治疗并非对所有肿瘤都合适，
所以必须找出对某个特定肿瘤中能因中子
照射而受益的亚群； 第二，对中子的分次治疗方案进行试验。 。
展望：
• 一些分化好而生长速度慢的肿瘤，都非常适 合中子治疗，如软组织肉瘤，所以中子治疗 的重点应放在生长缓慢的肿瘤上 。
• 从细胞增殖周期方面考虑，生长缓慢的肿瘤
中子和其他重离子
第一节
基本概念和原理
一、快中子射线的物理特性
• 中子是原子质量为1.009的不带电的粒子，
• 能量10keV~10MeV的中子叫快中子，
• 能量在6～20Mev的快中子可进行临床治疗。
（一）组织吸收
快中子的生物学效应是通过继发的
核电粒子放射产生的间接作用。
1、弹性碰撞 对于快中子来说，弹性碰撞是主要的。 生物组织主要由C，H，O和N等元素组成， 特别是含有大量的H。因此，快中子在组织
有更多细胞处于Gl期，与χ、γ 射线相比，
放疗时中子对细胞周期中不同时相细胞的作
用没有明显的差异。
四、硼中子俘获治疗
(Boron neutron capture therapy，BNCT) 基本原理
• 给病人一种能被肿瘤吸收的含硼药物，然后 用低能量的热中子或超热中子照射肿瘤，射 线和硼作用后发射高密度电离的α粒子。α 粒子和锂反冲子的能量均是2.3MeV，射程是 几微米。这样已吸收了硼原子的肿瘤细胞就 选择性地受到强烈的高LET照射，而正常细胞 则能免于受照射 。
Low LET
High LET
图11.4 快中子和γ射线照射后能量沉积的比较 注：曲线表明在直径2um的模拟组织体积内的能量沉积分布。参数(线性能量)代表穿过 球体的单个带电粒子的能量沉积除以瘤索的平均长度。γ射线照射的最大值为 0.3keV/um。用d（14）+ Be中子照射为20keV/um，d（65）+Be 中子的谱象有4个峰， 第一个峰在8keV/um相当于高能量的质子，第二个峰在100keV/um相当于低能质子， 第三个峰在300 keV/um是α粒子峰，最后一个是700keV/um处的反冲核的峰。
护恶性细胞群放射敏感性的差 异； • (c) 因为有乏氧细胞，因此相对放射敏感 性可能是倒过来的，即肿瘤细胞群反而对 χ射线有较大的放射抗拒性，因此中子治
疗是有益的。
（二）分次与总治疗时间
• 中子照射后的修复远不如光子明显。
• 中子放射治疗时分次量的大小对临床结果 不会有任何明显的影响 • Hammersmith医院所有的病人都采用总剂量 17.6Gy，用12次/26天(每周3次，每次 1.47Gy)的治疗方案，并认为这正是该中心 得到非常好临床结果的重要因素。
BNCT的两大优点：
• 首先，可以选择给药（硼化合物）和中子
照射之间的时间间隔，以使肿瘤内达到最 合适的硼浓度； • 其次，中子仅作用于体内含有靶(硼化合物) 的体积，副作用较少，而硼化合物本身是 无毒的。
第三节
质子、负π介子和重离子
• 这种射线随着射入深度的增加，吸收剂量 缓慢的增加，而在接近粒子射程的末端达 到一个锐利的最大值，形成布喇格峰 (Bragg peak)。射线的边缘很锐，周边的 散射很少，且在布喇格峰后剂量下降至零。 这种能将高剂量区集中在肿瘤体积内而使 周围正常组织受量最低的特点对放射治疗 学家非常具有吸引力。质子和氦离子是最 有可能达到此要求而价格较低的两种射线。
0.00001
Preliminary
0.000001 0 5 10 15 20 25 30
Blazek, et al
Dose in Gray
Relative Biological Effectiveness - RBE is the reason for pursuing Neutron Therapy
Protons
二、细胞存活曲线的形状
高LET射线照射细胞时，细胞存活曲 线常常是指数性的，可以用下列式子表 达：
S e
aD
细胞死亡的原因主要是直接的致死性 损伤，与分次数和剂量率无关。
三、中子的相对生物效应
• 中子比光子具有更高的RBE
• 不同剂量水平的快中子与γ射线相比,RBE 有以下不同： 1、非常大的剂量时，随剂量或存活分 数的变化，中子的RBE值只有相对很小的变 化。RBE值约与存活曲线的最终斜线的比率 相等。
Neutron therapy is less affected by cell cycle or oxygen content
一、 快中子与氧效应
1、中子放射治疗的理论基础
氧效应
中子比光子的氧增强比小 (氧增强比：在乏氧与充氧条件下照 射时获得特定的生物效应所需剂量之比,用 符号OER表示)
实验资料：
第二节 中子在放射治疗中的作用
• 1938年Stone在Berkeley首先应用快中子进
行肿瘤的放射治疗，后因严重的晚期并发 症而放弃使用。 • 现在，中子治疗的设备有极大的改进，在 深度量、皮肤保护及等中心装置和可变准 直器等方面与现在的电子直线加速器类似。
Why are Neutrons Needed?
DNA Damage
2 nm
10 nm
30 nm
~200 nm
Optimum LET 100 eV/nm ~3 ip
2 μm
LET Comparison
(Linear Energy Transfer)
Neutrons
Photons & Protons
Belli, et. al., Molecular Targets in Cellular Response to Ionizing Radiation and Implications in Space Radiation Protection, J. Radiat. Res.,43:Suppl.,S13-S19 (2002)
①恶性肿瘤中有乏氧细胞；
②乏氧细胞在低LET照射时有较大的放
射抗拒性（OER＝3）；
③用高LET照射，OER减小。
How Do Neutrons Overcome Resistance?
The Type of Damage Produced
• Cell killing mechanisms are complicated
（一）硼化合物
1966年发现的B12H11SH（boron
sulphyldite）二聚体Na2B12H11SH，至今 仍被认为是较可用于临床的药物
（二）中子源 热中子或室温的中子（0.025MeV）能和 硼起反应而产生高密度电离的α粒子。热 中子很快地被组织所减弱，其半价层只有 1.5cm，因而当治疗处于体内的深度大于几 厘米的肿瘤时，就无法避免对肿瘤表面的 正常组织造成高剂量的照射。 在日本，绝大部分的临床试验是用这一 能量的中子。
How can we turn LET, radiation quality, and all the other complexities of cell killing into something we can understand?
Relative Biological Effectiveness
内的能量耗失主要是通过与H原子核等的弹
性碰撞而产生的反冲质子使组织中的原子
激发和电离，引起生物分子中化学键的断
裂。250keV~14MeV的快中子对组织吸收
剂量的贡献有85%来自H的弹性碰撞。
2、非弹性碰撞 非弹性碰撞在较高能量的中子（大于 1MeV时）入射时才显示其重要性。 在组织内，非弹性碰撞是中子冲击核， 作用于碳、氧、氮，核在粉碎后释放数种 粒子及碎片。非弹性碰撞是中子剂量中比 较典型的部分，对中子放射生物学特性影 响较大。
Survival of Clonogenic DU 145 Prostate Cancer Cells
1
Photons in 2.00 Gy fractions Ne utrons in 1.75 Gy Fractions
0.1
0.01
Factor of 3
0.001
Photons
0.0001
Neutrons
2、中等剂量时，在γ射线存活曲线的肩区，
由于其肩区较大，RBE值就随剂量的下降而
升高。
3、非常低的剂量时，相当于存活曲线与其初
始的切线部分几乎不能区分的区域，RBE值
趋于达到极限，相当于中子和γ射线存活
曲线初始斜率的比，即α系数的比或1／Do
值的比(因不同参数的不同而异)。
图11.2所示小肠隐窝干细胞的RBE与吸收剂量关系
射治疗中的真正价值尚不能最后定论。
（一）适合于快中子治疗的病人
(a)肿瘤和正常组织之间放射敏感性的差异 在用光子治疗时对正常组织有利，典型的 例子有精原细胞瘤、淋巴瘤、霍奇金病。
从光子照射改为用中子照射，包括放
射敏感性程度改变，在(a)情况下是不利的。
• （b）情况时中子照射带来的好处是减少保
Large radioresistant tumors are not well controlled by photon (or proton) therapy