零距離科學:「質子束治療」是治療癌症的最終方案?

零距離科學:「質子束治療」是治療癌症的最終方案?
每束質子束只有幾毫米闊,所以可以很準確地聚焦在癌腫瘤上,把照射到附近正常組織的能量大大降低。

我們想讓你知道的是

筆者相信,將來出現的療法,將會繼續走跨學科路線,把各學科的精華結合,以一個從前未有的角度來審視癌症這個疾病。 

文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

「癌」的英文名稱,Cancer,亦有蟹的意思,相傳是因為古人認為癌症腫瘤的樣子像蟹。腫瘤主體是蟹的身體,蟹腳就是由腫瘤生出來的血管,用來從人體吸取養分。

雖然有點難以置信,但癌腫瘤中的每一個細胞其實都是我們自身的細胞,只是因為各種原因失去了控制細胞分裂的能力,以至變成一堆不斷增生的「異物」。這也解釋了為甚麼這些細胞明明在和我們身體的「正常」細胞爭奪資源,甚至造成破壞,免疫細胞卻在大部份時間對它們「視而不見」。

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Photo Credit: Kim Kyung-Hoon/Reuters/達志影像

癌與菌——見步行步的演化

癌細胞和其他正常細胞還是有分別的,例如細胞表面上帶有不同成份和組合的糖肽(glycopeptide),或是不同形狀的各種受體(receptors),只是免疫細胞分辨不到這些微小的差異,更正確的說法是,我們的免疫系統是通過演化而被塑造成這樣的。

人類免疫系統的成員和身體裡的其他細胞一樣,都是由幹細胞分化(differentiation)而成。每一個細胞都包含了一套一模一樣的基因組,會分化成不同類型的細胞是因為「開著」了不同數量和組合的基因,來負責不同崗位。我們的免疫系統能分辨絕大部分入侵人體的致病源(pathogen),可以把它們吃下去消化掉,產生針對表面抗源(antigen)的抗體(antibody)將它們破壞,同時產生記憶細胞,以便下次再遇到同樣抗源時可加快產生抗體。可是,免疫細胞只會對「外來物」有反應,要和自身細胞有足夠「不同」才行。

其中一個原因是,嬰兒一出生就要立即面對各種病源體的侵襲,免疫系統要針對「不同」才能保命,而癌細胞往往是要經長年累月積累基因異變才會失去控制細胞分裂的能力,會出問題的時候已是後話了,所以,免疫系統的演化是一種「見步行步」的取捨。若想免疫系統針對本來就是自體細胞的癌細胞,就要先把免疫細胞從人體抽出,「訓練」它們辨認各種微細差異,再放回人體工作,這就是大家常聽到的「免疫療法」了。

看清手上的牌——現代醫學的各種治癌方案

除了相對新的免疫療法,現代醫學已在使用不同方法來應對癌症,目標都很直接,就是清除身體裡的所有癌細胞,不過,實行起來就會產生很多問題。

如果是有實體的腫瘤,最直接的方法是以手術切除,但如果沒有完全清除腫瘤,剩下的癌細胞有可能再長成腫瘤,或是轉移到身體其他地方再紮根,若腫瘤長在重要的器官、血管、神經等附近,動刀更不是好選擇。另一方案是以藥物治療(化療),可是,是藥物就會有副作用,因為藥物會流經全身,也會傷害正常細胞,而且藥物的對像是會分裂的癌細胞,自然也會出現抗藥性。雖然這方法對治療能擴散的癌症比較有效,但始終避不過未能完全清除癌細胞的問題。還有一個方案是大家比較常接觸到,稱為放射治療(電療),以高能量游離輻射攻擊癌腫瘤,以破壞癌細胞的染色體來殺死它們,也會同時嚴重傷害其他細胞。

A patient receives chemotherapy treatment for breast cancer at the Antoine-Lacassagne Cancer Center in Nice
Photo Credit: REUTERS/達志影像

這些療法往往不是單獨使用,而是按實際情況互相配合以達到最佳放果,即使是同一種癌症,發展到不同階段,在不同人身上,治療方案也會有所不同。

一矢中的——分清「敵」「我」的標靶治療法

為了應對各種癌症療法都會產生的「殃及池魚」和「漏網之魚」的問題,科學家一直努力尋找令藥物只攻擊癌細胞,放過正常細胞的方法,其中一種稱為「標靶治療」。以治療乳癌為例,香港有20%的女性患上的入侵性乳癌屬於HER2 陽性(1),這種腫瘤生長得很快,又對不少化療藥物有抗藥性,幸好,現在可以使用對應的標靶藥物來治療。

HER2 (human epidermal growth factor receptor 2) 是細胞表面的一種蛋白質受體,負責接收細胞外的化學訊息,指令細胞進行分裂。如果細胞產生了太多HER2受體,就會有過多指令到達細胞核,令HER2 基因不停「開著」,細胞就會不斷分裂。 所以,只要能阻礙止過多的HER2受體向細胞核發出指令,就能阻止細胞失控分裂,而最直接的方法是,人工製造抗體黏在HER2 受體上,就像關上了電源,HER2基因就「開不著」了。

針對癌細胞表面的HER2受體的人造抗體就是「子彈」,而HER2受體就是「標靶」了。正常細胞表面也有HER2 受體,但數量比癌細胞少,所以效果就相對不明顯了。不過,「子彈」對沒有過多HER2 受體的乳癌腫瘤就作用不大。

終極方案——粒子加速器?

手術切除、化療、電療、免疫治療、標靶療⋯⋯各種療法,取長補短。不過,若病人是兒童,要考慮的問題就更多了。由於兒童還在發育中,以上所說的被「殃及池魚」的正常細胞,往往會發展成重要的組織和器官,特別是腦內的腫瘤,周圍的腦組織一旦受損,對兒童將來的記憶、學習、情緒控制等能力都可以帶來難以估計的損害。

所以,兒童特別需要一套「快、狠、準」的療法,既能有效消滅癌細胞,又清除得夠徹底,而且不會傷害附近的組織。於是,出現了規模龐大的跨學科合作,醫學界與物理學家攜手,用物理學家最強的實驗儀器,對付醫學界其中一個最大的難題。

原理是這樣的,物理學家團隊先用強大的電場把氫原子的電子打掉,利用粒子加速器把剩下的質子加速到光速的三份之二,再用強大的磁場把質子束收窄和轉向,以醫生團隊所設計的劑量和方向射向被固定的病人身上。

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要製造用來殺滅癌細胞的質子束,需要用強大的磁場把質子引導進粒子加速器,把質子的運行速度加速到光速的三分之二。

就這樣簡單寫出來的幾句話,卻是每一步也可能出現錯誤,要在有醫療配套的城市興建一部粒子加速器,要考慮如何防止製造質子束時所產生的輻射洩漏,也要顧及精密儀器安裝時不可有大震動。即使所需的質子束比強子對撞機使用的要慢,也不用每次只輸出一對質子,但要控制質子束的闊度在毫米之間絕非易事,再加上病人只要有些微移動,質子束就會射到其他正常組織上,每個步驟環環相扣,缺一不可。

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為了防止製造質子束時產生的輻射會洩漏,工程師團隊要把裝置埋到地下28米深。
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由於製造質子束和把質子束導向的儀器都很敏感,輕微的碰撞也可使它們失靈,如何把這「龐然大物」裝進地下是對工程師團隊的重大挑戰。

使用粒子加速器產生的質子束來消滅癌細胞是一個較為新穎的方案,當然其他方案也在改良中,例如陸續有針對不同種類癌症的新標靶藥面世,但筆者相信,將來出現的療法,將會繼續走跨學科路線,把各學科的精華結合,以一個從前未有的角度來審視癌症這個疾病。

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一個療程可以長達數星期,醫療團隊每天都會為兒童掃描頭部,以確保質子束照射在準確的位置。
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有了能準備聚焦的質子束和詳細的醫療計劃,最後一步是要固定病人的頭部,毫米級的差異也會令質子束破壞正常組織和大大降低殺滅癌細胞的療效。

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於10月4日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。節目網站:www.rthk.hk/tv/dtt31/programme/sciencewithyou

責任編輯︰歐嘉俊
核稿編輯︰黎家樂