1. 重粒子的概念
所谓重粒子就是比电子重的粒子，它是一种基本粒子。实际上，用以治疗癌症的重粒子中，除了不带电的中子射线之外，还有带电的质子射线、氦、碳及氖离子。所谓利用重粒子射线治疗癌症就是加速重离子，使其处于高能状态，从而对恶性肿瘤产生治疗作用。由于重离子、例如碳离子重量大约是电子的2万倍，所以加速重离子需要大型加速器。放射医学综合研究所（放医研）的同步加速器周长约130 m，以6 MeV能量入射的重离子通过高频电场旋转数十万转，加速到约光速的80%。所以，身体很深部位的病灶都能用重离子得到治疗。本文把重离子称做重粒子，放医研最近主要使用碳离子。
2. 重粒子射线的特点
重粒子射线的最大特点是可对传统的辐射疗法难以取得疗效的癌症产生了良好的治疗效果。究其原因，一是重粒子射线对癌细胞的*伤杀**力比X射线强；二是能使人体组织保持正常，比X射线安全。
射线*伤杀**细胞依靠的是对DNA的损害作用。即，当射线进入人体时，就会给人体带来能量，产生电离（使原子或分子释放出若干电子）或激发（不释放电子，而是转换至高能状态）作用。而且，作为靶子的DNA 原子直接被电离或激发，DNA受到损害从而产生生物性变化。根据射线的种类，电离的分布各不相同，射线授与人体的能量以传能线密度（LET）表示。可以分为30～50 keV/(m以下的低LET射线，以及大于此值的高LET射线。LET在100 keV以下时，LET越大生物学效应就越强；而当LET超过100 keV/(m 时，生物学效应就会减弱。据说这种现象的产生是由于DNA具有螺旋结构，在100 keV/(m发生电离作用时，电离与电离之间的距离与DNA 的双链的直径基本一致。
但是，如果DNA双链中的一条受到损害，另一条链就会修复所受到的损害，使细胞恢复到原来的状态。以X射线为代表的低LET射线在多数情况下只对DNA双链中的一条产生损害，DNA可自然进行修补，因此不能完全杀死癌细胞。所以，必须采用高剂量照射。而碳离子射线等高LET射线使DNA的双链同时受到损害的比率很高，因此癌细胞的恢复现象很少。
另外，传统的射线不能完全杀死癌细胞的一个原因是癌中存在含有少量氧的细胞。如果这些低氧细胞比率过高，射线的敏感性就会降低。
其原因是，在低LET射线对DNA产生作用时，并不是直接对靶产生损害作用，而是与细胞内的水等发生反应，反应产生的游离原子或分子对DNA产生间接的损害作用，但在氧不充分的环境下，不能大量产生这种原子或分子。然而，对于重粒子射线来说此种问题不存在，由于它是直接对DNA产生作用，几乎不受氧的影响，因此比传统的射线产生的效果更好。
而且，处于不同生命周期的细胞对低LET射线照射的辐射敏感性差别很大。但高LET射线受细胞周期的影响较小，所以可望对癌产生有效作用，即使癌曾对传统的射线产生抵抗性。从这一生物学的特征来看，传统的X射线疗法可通过增加分次照射的次数来减小副作用和增强疗效，而重粒子射线疗法中这样的变化较小。重粒子射线照射时，随着分次照射次数的减少，对正常组织的损伤虽然没有产生大的变化，但对癌细胞的*伤杀**作用却提高了。
下面，再介绍一下与传统的X射线相比，重粒子射线具有可避开正常组织进行安全治疗的特点。这是因为重粒子射线的电离在人体内呈空间分布。传统的X射线是在物质内部逐渐丧失能量，在人体内以指数函数减弱，并穿过人体。带电粒子射线则是丧失了能量后，在停留的地方产生最大限度的电离。停滞深度可以自由调节。该电离的峰值（高剂量区域）称作布喇格峰值，峰值前面的低剂量区域称作平坦部（平稳区域）。
这样，用重粒子疗法可以结合调节高剂量区域的大小与肿瘤的深度，使射线直射肿瘤病灶，而使其他正常组织免受辐射，或只受到低剂量照射。传统的X射线在正常组织旁边有靶的情况下，必须把靶剂量控制到正常组织的耐容剂量以下。而重粒子射线就不同，既可保持正常组织只受低剂量照射，又可使靶——肿瘤受到充分的高剂量照射。而且，在布喇格峰值附近重粒子速度减弱，LET升高。所以，可以说用重粒子射线治疗癌症可将肿瘤置于高剂量、生物学效果好的高LET照射之下，而正常组织在低剂量和低LET射线之下，比较安全。
3. 重粒子射线治疗癌症的现状
为了发展有望提高疗效的重粒子射线疗法、验证其临床效果、使其成为现今较理想的照射疗法，1993年世界第一台医疗用重粒子加速装置HIMAC在放医研建成。1994年，开始了使用碳离子治疗癌症的临床试验，截至目前，登记就诊的患者人数在逐年增加。
到2003年4月，利用该设施所做的重粒子射线治疗都是临床试验治疗，而且这些治疗都是针对每名患者的具体情况，预先制定详细的“治疗方案”，并按照方案进行治疗。“治疗方案”是由所内外的专家及经验丰富者组成的委员会根据每个患者的具体情况编制的，并且经其他监督委员会的批准后实施。另外，设立独立的委员会，在道德方面对“治疗方案”的妥善性进行审议。此外，根据每例患者的自由意志参加调研，接受对“治疗方案”适应性的审查。
重粒子射线疗法主要用于治疗局部恶性肿瘤，尤其是用传统方法难于治愈的疾患。目前，对部分疾患已经取得了能够与手术相当的成果（表1略），可以说给患者的治疗提供了更广泛的选择。下面，对“治疗方案”的概要及各种治疗结果作以介绍。
到现在为止，已经开始对37个“治疗方案”进行临床试验，其中20个已经结束。试验是从第I/II期试验（结合针对每个疾患部位进行测试安全性的第I期试验与测试有效性的第II期试验）开始，在6个部位（头颈部肿瘤、非小细胞肺癌、肝细胞癌、前列腺癌、骨及软组织肿瘤）进行第II期试验。第I/II期试验是决定适量剂量的剂量渐增试验，第II期试验则是使用该适量剂量进行治疗。2000年，对眼球脉络膜恶性黑色瘤和胰腺癌，2001年对直肠癌手术后复发症，2002年对泪腺开始了第I/II期试验。截至2003年2月，登记的患者达1463例，这些患者是日本全国的汇总。
在临床试验开始初期，是以参加研究的临床研究班成员为主进行介绍，而且用其他疗法的非适应性患者也是被介绍的对象。然而，现在情况发生了变化，重粒子射线疗法的成绩和效果已经明确化，有关信息也可以通过因特网等自由获取，所以即便是可采用其他疗法、但对重粒子射线疗法颇感兴趣而亲自积极到放医研问诊的患者与日俱增。
- 头颈部肿瘤
放医研利用重粒子射线治疗肿瘤的试验是从头颈部肿瘤治疗开始的。治疗的对象是以前在放疗中局部较难控制的腺癌、腺状囊胞癌、恶性黑色瘤等，而用重粒子射线疗法局部控制率很高，是比较适合用重粒子射线治疗的。一方面，因为其副作用比较小，安全性较高，因此正在向观察其有效性的第II期试验迈进；另一方面，为了控制恶性黑色瘤的远距离转移，也启动了碳离子射线与抗癌剂同时并用的第I/II期治疗试验。
- 中枢神经瘤
神经脑癌是主要治疗对象，是采用X射线与碳离子射线组合的方案、优先考虑正常组织的安全性进行的。到目前为止登记的病例已达103例。在治疗中，先采用低剂量的碳离子射线，然后将剂量慢慢增加，并留出充足的观察时间增加剂量。在最初方案中，剂量增加一直到第5阶段，确认了局部控制率及生存率的增长情况。同时也掌握了安全剂量。通过以上经验，从2002年4月开始，又启动了新的独立的重粒子射线治疗方案。
- 肺癌
接受重粒子射线治疗的肺癌患者是被认定不能实施手术的和拒绝做手术的非小细胞性肺癌患者。在不断增加剂量的治疗过程中，验证了其安全性和治疗效果。截至现在，在第I/II期治疗I期肺癌的试验中，经过18次和9次照射，局部控制率分别为64%和84%，与实施手术治疗所取得的成绩没什么两样。其后，又进行了一周照射4次的分次治疗，验证了其安全性；从2003年春开始将进行一周照射1次的试验。目的是开创几乎使患者没有痛苦就能治愈的划时代治疗方法。
- 肝细胞癌
“不能取得比其他治疗方法更显著的治疗效果吗？”——治疗肝细胞癌的试验是带着这样的疑问，以其他治疗方法没有效果的病例为对象开始的。其目的是完成短期小分次照射法。在最初的治疗方案中15次/5周，在第2步治疗方案中12次/3周，接着进一步缩短照射期，进行4次/1周的照射治疗。无论分多少次照射，局部治疗效果都非常好。另外，鉴于短期小分次照射法的安全性已基本确立，从2003年4月开始将进行2次照射的第I/II期试验，以在今后长期的治疗观察中取得预期的效果。
- 前列腺癌
前列腺癌是用重粒子射线治疗的诸多癌症中局部控制最好的一种。通过对188名接受治疗后半年以上的患者分析，结果发现只有一名患者出现了局部复发情况，该成绩与进行手术所取得的成绩是一样的。从目前的状况来看，几乎没出现过对直肠或尿道产生损害的情形，不进行手术却能够取得与手术同样的治疗效果。
- 骨及软组织瘤
治疗对象是无法进行切除手术的患者，并在两期（第I期和第II期）治疗中都取得了优良的治疗效果。尤其是骨肉瘤与脊索瘤，被诊断为只有半年生命的患者在迄今为止的治疗中已经生存了5年多却没有复发，这是极高的生物学效应产生的重大影响。对无法用其他疗法的患者来说，重粒子射线疗法无疑会给他们带来福音。
- 子宫颈癌
仅以用传统的疗法很难治愈的肿瘤为对象进行治疗试验。试验证明对该种扩散性肿瘤具有良好的治疗效果。但照射剂量用到什么程度才可以减轻消化道的有害反应是尚待解决的课题。
- 直肠癌手术后复发
直肠癌手术后局部复发的比率大约为20%。虽然外科切除通常是第一选择，但靠手术无法解决的例子也很多。而且，放疗的效果也不十分清楚。重粒子射线疗法采用的是增加剂量的方案，已经登记23例，经过半年的时间已经分析治疗了14例。从局部一次效果来看，肿瘤完全消失的患者有4人。显示出普通X射线疗法所无法达到的良好局部治疗效果，今后，随着观察治疗时间的延长，可望取得良好的成绩。
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