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粒子線治療

医療技術の革新にともなって分子標的薬、遺伝子治療薬、粒子線治療、免疫療法等々、今日様々な新しいがんの治療法が開発され、その中の幾つかは日本ですでに治療を受けることができるようなっています。
今回は 今や先端医療の代名詞ともなった粒子線治療の仕組みと臨床例、適応について説明します。

1.従来の放射線治療との違いについて

A.物理学的効果
通常の放射線(X線)や中性子線では物質内に入った放射線はほぼ指数関数的に減弱していきますが、幅のある荷電粒子線(重粒子線、陽子線や負π(パイ)中間子線)はエネルギーに応じた深さで止まる性質があります。また止まる直前にはすべてのエネルギーを一度に放出するピーク(ブラッグピーク)を作ります。

図は深部線量百分率曲線です。
X線や中性子線の線量が指数関数的に減弱していくのに対し荷電粒子線である重粒子線や陽子線では一定深で最大となります。この山のことをブラッグピークといいます。

荷電粒子線を用いた放射線治療ではこのブラッグピークを適宜深さ方向に拡散させてがんの形状になるべく一致させた高線量域を作成することができます。ピークを拡散させたビームをSOBP(spread out Bragg peak)ビームといいます。

図は肺癌に対する通常のX線治療と重粒子線治療の線量分布を比較したものです。X線治療では対向2門の照射が行われ病巣と正常組織の線量が同等であるのに対し、重粒子線では病巣に限局した照射が可能となっています。

B.生物学的効果(付与エネルギー)
放射線(粒子線も含む)の主な生物効果は細胞のDNAを損傷することによって生じます。 DNA損傷の大きさは放射線がDNAに与えるエネルギーの密度に依存します。

図はLET(線エネルギー付与 : 放射線が1μmの水中を移動する間に放出するエネルギーの量)と生物学的効果比(RBE : 同じ吸収線量で細胞に与える損傷の強さの相対比)の関係を示したグラフです。RBE(relative biological effectiveness)は陽子線でX線や電子線の1.1倍、重粒子線のSOBPでは3倍弱となります。なお、LETが100Kev/μmを超えるとRBEはむしろ下がってきます。このような超高LETビームではDNAの効率的な損傷に必要なダメージ以上のエネルギーがDNAに与えられるためにおきる現象です。

エネルギー密度(単位距離に与えるエネルギーの量)によってDNAの損傷がどのように起きるかを模式的に示した図です。
X線などのように低LETビームのエネルギー密度では2重らせん構造の片側にしか損傷が与えられないが、重粒子線のような高LETビームでは一度に両側に損傷が起きる様子が示されています。

C.生物学的効果(酸素効果)
通常の放射線(X線や電子線)の一次放射線がDNAを切断する頻度は、2次的な電離により細胞内に発生したラジカルによるDNA切断の頻度の約半分に過ぎないといわれています。ところがこのラジカルの発生は細胞内の酸素濃度に依存しています。そのため、酸素の乏しい環境では酸素の十分な環境の1/3程度の生物学的効果になってしまいます。

図は通常の放射線(X線や電子線)において酸素分圧と放射線感受性の関係を示したものです。酸素分圧が50mmHg以上の環境では酸素のない環境の約3倍の放射線感受性(効果)があることがわかります。
この生物学的効果の比率を示す指標として以下に定義されるOER( oxygen enhancement ratio )があります。
OER = (無酸素環境で一定の生物効果を得るために必要な線量 / 酸素環境で同じ生物効果を得るために必要な線量) 通常の放射線ではOER≒3となります。
このように通常の放射線の生物効果が酸素分圧に依存するのに対し、重粒子線のような高LET放射線では酸素分圧の影響を受けにくくなります。

図は様々な実験で得られたOERとLETの関係を示したものです。
LETが100kev/μm付近でOERがほとんど1に近づくことが示されています。つまり重粒子線ではその生物学的効果が酸素分圧の影響をほとんど受けないことがわかります。


2.臨床成果

さてこのような様々な基礎検討を踏まえ1980年代以降、我が国では国家プロジェクトとして重粒子線を用いたがん治療装置が開発され、1994年に放医研で最初の臨床試験が始まりました。
その治療効果は目を見張るものがあり、これまで治癒不可能と考えられていた体幹部の肉腫が見事に制御されている様子が報告されてきました。

図は舌の悪性黒色腫の症例で、左が治療前、右が重粒子線治療後の画像です。

図は骨肉腫の2症例で仙骨および頚椎にできた肉腫が重粒子線治療により制御されている様子がわかります。よくみると腫瘍により溶けた骨が再生していることもわかります。

一般に四肢の肉腫はその中枢側に十分な余裕をとって切断することが根治的治療とされてきました。それゆえ体幹部の肉腫では根治的治療がないと考えられるのですが、重粒子線治療で治癒の可能性が高く示唆されたことは非常に価値のある出来事だといえます。
これまで荷電粒子線治療は米国ローレンスバークレイのHeイオンが進行期がんの症状緩和に有益であったというデータしかなかったのですが、この画像を最初にみせられたとき、日本の科学技術のすごさに感動したことを覚えています。

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