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粒子線治療は、がん治療のために高エネルギー中性子、陽子、またはその他のより重い陽イオンのビームを使用する外部照射放射線治療の一種です。2021年8月現在、最も一般的な粒子線治療は陽子線治療です。[ 1 ]
従来の放射線治療で使用されていたX線（光子ビーム）とは対照的に、粒子ビームは体内を通過する際にエネルギー損失にブラッグピークを示し、腫瘍またはその近傍で最大の放射線量を照射し、周囲の正常組織への損傷を最小限に抑えます。
粒子線治療は、より技術的にはハドロン治療とも呼ばれ、光子線治療と電子線治療は除外されます。二次核反応に依存する中性子捕獲治療もここでは考慮されません。上記のカテゴリーに含まれない稀なタイプの粒子線治療であるミューオン治療も理論的に研究されていますが[ 2 ]、ミューオンは治療よりも画像診断に最も一般的に使用されています[ 3 ] 。
粒子線治療は、高エネルギーの電離粒子を標的の腫瘍に照射することで効果を発揮します。[ 4 ] [ 5 ]これらの粒子は組織細胞のDNAを損傷し、最終的に細胞死を引き起こします。DNA修復能力が低下しているため、がん細胞はこのような損傷に対して特に脆弱です。
図は、異なるエネルギー（MeVで表される）の電子線、X線、または陽子線が人体組織をどのように透過するかを示しています。電子は飛程が短いため、皮膚に近い部分でのみ効果があります（電子線治療を参照）。制動放射X線はより深く透過しますが、組織が吸収する線量は厚さが増すにつれて典型的な指数関数的減衰を示します。一方、陽子やより重いイオンの場合、粒子が組織を透過してエネルギーを継続的に失うにつれて線量は増加します。したがって、線量は厚さが増すにつれて増加し、粒子の飛程の終端付近で発生するブラッグピークに達します。ブラッグピークを超えると、線量はゼロ（陽子の場合）またはほぼゼロ（より重いイオンの場合）に低下します。
このエネルギー沈着プロファイルの利点は、標的組織周辺の健康な組織へのエネルギー沈着が少ないことです。これにより、腫瘍への線量処方を高くすることが可能になり、理論的には局所制御率の向上と低毒性率の達成につながります。[ 6 ]
イオンはまずサイクロトロンまたはシンクロトロンによって加速されます。放出される粒子ビームの最終エネルギーによって透過深度、ひいては最大エネルギー沈着位置が決まります。電磁石を用いてビームを横方向に容易に偏向できるため、電子ビームが陰極線管を走査するように、ラスタースキャン方式、すなわち標的領域を高速に走査することが可能です。さらに、ビームエネルギー、ひいては透過深度を変化させることで、標的領域全体を三次元的に照射することができ、腫瘍の形状に正確に沿った照射が可能になります。これは、従来のX線治療と比較した場合の大きな利点の1つです。
2008年末までに、世界中で28の治療施設が稼働し、7万人以上の患者がパイ中間子[ 7 ] [ 8 ] 、陽子、およびより重いイオンによって治療を受けた。この治療のほとんどは陽子を使用して行われた。[ 9 ]
2013年末までに、10万5000人の患者が陽子線治療を受け、[ 10 ]約1万3000人の患者が炭素イオン治療を受けた。[ 11 ]
2015年4月1日現在、陽子線治療施設は世界に49ヶ所あり、そのうち14ヶ所は米国にあり、さらに29ヶ所が建設中です。炭素イオン治療施設は8ヶ所が稼働しており、4ヶ所が建設中です。[ 11 ]炭素イオン治療センターは日本、ドイツ、イタリア、中国に存在します。米国の2つの連邦機関は、少なくとも1ヶ所の米国重イオン治療センターの設立を促進したいと考えています。[ 11 ]
陽子線治療は、陽子線を用いて病変組織を照射する粒子線治療の一種で、多くの場合、がんの治療に用いられます。陽子線治療が他の外部照射放射線治療（放射線治療や光子線治療など）に比べて優れている点は、陽子の線量が狭い範囲の深さに沈着するため、周囲の健康な組織への入射、出射、散乱放射線量が最小限に抑えられることです。高線量率はがん治療の進歩において重要です。PSIは、運動量冷却を用いたサイクロトロンベースの陽子線治療施設では、70 MeVおよび230 MeVのビームで、それぞれブラッグピーク（水中）において952 Gy/sおよび2105 Gy/sという驚異的な線量率を達成できることを実証しました。フィールド固有のリッジフィルターと組み合わせることで、ブラッグピークベースのFLASH陽子線治療が実現可能になります。[ 12 ]
高速中性子線治療は、通常50～70MeVの高エネルギー中性子を用いてがんを治療する治療法です。高速中性子線治療に用いられるビームは、原子炉、サイクロトロン（重水素＋ベリリウム）、線形加速器などによって生成されます。現在、中性子線治療はドイツ、ロシア、南アフリカ、米国で実施されています。米国では、現在も稼働している唯一の治療センターはワシントン州シアトルにあります。シアトルセンターでは、ベリリウム標的に陽子ビームを照射するサイクロトロンを使用しています。
炭素イオン療法（CイオンRT）は、千葉県にある放射線医学総合研究所（NIRS）で先駆的に開発され、1994年に炭素イオンビームによる患者の治療を開始しました。この施設は、炭素イオンを臨床的に使用した最初の施設であり、がん治療における粒子線治療の大きな進歩を示しました。炭素イオンの治療上の利点は以前から認識されていましたが、NIRSは臨床応用の確立に重要な役割を果たしました。[ 13 ] [ 14 ]
ヨーロッパでは、ドイツのダルムシュタットにあるGSIヘルムホルツ重イオン研究所が独自に炭素イオン療法を開発・実証し、1997年から2008年の間に施設内で約440人の患者を治療し、その技術をヨーロッパ初のイオンビーム治療センターであるハイデルベルクのハイデルベルクイオンビーム治療センター（HIT）に移転した。[ 15 ] [ 16 ]
Cイオン放射線療法は、陽子や中性子よりも質量の大きい粒子を使用します。[ 17 ]炭素イオン放射線療法は、技術的な照射方法が改善され、臨床研究で前立腺がん、頭頸部がん、肺がん、肝臓がん、骨肉腫、軟部組織肉腫、局所再発直腸がん、局所進行がんを含む膵臓がんなど、多くの癌に対する治療上の利点が実証されたため、科学界の注目をますます集めています。また、治療が困難な低酸素性および放射線抵抗性の癌を治療する明確な利点があり、正常および放射線感受性疾患の大幅な低分割治療への道を開きます。
2017年半ばまでに、世界中で8つ以上の稼働センターで15,000人以上の患者が治療を受けています。日本はこの分野で際立ったリーダーとなっています。5つの重イオン放射線治療施設が稼働しており、近い将来さらにいくつかの施設を建設する計画があります。ドイツでは、ハイデルベルクイオンビーム治療センター（HIT）とマールブルクイオンビーム治療センター（MIT）でこの種の治療を受けることができます。イタリアでは、国立腫瘍ハドロン治療センター（CNAO）がこの治療を提供しています。中国では、上海陽子・重イオンセンター（SPHIC）が2015年に治療を開始し、オーストリアは2017年にCIRTセンターを開設し、韓国と台湾にもまもなくセンターが開設される予定です。現在、米国ではCIRT施設は稼働していませんが、いくつかの施設がさまざまな開発段階にあります。フロリダ州ジャクソンビルのメイヨークリニックでは、北米初の炭素イオン放射線治療が2028年に開始される予定です。[ 17 ] [ 18 ]
放射線生物学の観点から、がん患者の治療に重イオンビームを使用することを支持する十分な根拠があります。すべての陽子線およびその他の重イオンビーム療法は、体内で明確なブラッグピークを示し、腫瘍またはその近傍で最大の致死線量を照射します。これにより、周囲の正常組織への有害な放射線が最小限に抑えられます。しかし、炭素イオンは陽子よりも重いため、相対生物学的効果 (RBE) が高く、深さとともに増加し、ビームの到達範囲の終端で最大になります。したがって、炭素イオンビームの RBE は、イオンが腫瘍のある領域のより深いところに進むにつれて増加します。[ 19 ] CIRT は、現在利用可能な臨床放射線の形態の中で最も高い線エネルギー付与 (LET) を提供します。[ 20 ]この高エネルギーが腫瘍に照射されると、腫瘍が修復するのが非常に難しい多くの二本鎖 DNA 切断が生じます。従来の放射線は主に一本鎖 DNA 切断を生じさせるため、多くの腫瘍細胞が生き残ることができます。 CIRTによって生じるより高い細胞死滅は、患者の免疫系を刺激するより明確な抗原シグネチャーを提供する可能性もある。[ 21 ] [ 22 ]
胸部および腹部に位置する腫瘍に対する粒子線治療の精度は、標的の動きによって大きく左右される。その悪影響を軽減するには、腫瘍位置モニタリング（例えば、埋め込まれた放射線不透過性基準マーカーの透視画像化、または挿入されたトランスポンダの電磁検出）および照射（ゲーティング、再スキャン、ゲーティング再スキャン、腫瘍追跡）の高度な技術が必要となる。[ 23 ]