第378期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《碳离子的神奇妙用》
讲座题目：透视新科技——碳离子的神奇妙用
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：颜学庆，北京大学教授。
叶 盛，北京航空航天大学教授。
讲座时间：2022年7月11日～7月17日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——碳离子的神奇妙用
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。今天我们跟大家聊聊碳离子，说到碳这个概念，大家可能不是很陌生，很多人知道我们生活当中取暖可以用炭。更有人知道，像生活当中的金刚石、石墨，它的主要成分都是由碳原子来构成的，那碳离子能做什么呢？我们国家的科学家正在研究用碳离子技术来治疗癌症，也就是肿瘤，并且取得了阶段性的成果，我们先去了解一下。碳是一种很常见的元素，它以各种形式广泛存在于大气、地壳和海洋之中。尽管人类很早就已经使用炭，但是对于它的认识却是从碳元素发现之后。科学家利用碳元素合成大量的化合物，也可以利用重离子加速器获取碳离子用于放射性治疗。2019年9月29日，由我国科学家自主研制的碳离子肿瘤治疗系统，获国家药品监督管理局批准注册上市，并于2020年3月26日在武威肿瘤医院开始临床应用。那么，什么是碳离子？它是如何杀死肿瘤细胞的呢？
好，短片过后，欢迎来到我们的演播室，首先，我给大家介绍一下我们请来的两位嘉宾。首先我左手边的这位是北京大学的颜学庆教授，欢迎您！您好！另外一位是来自北京航空航天大学的叶盛教授，欢迎两位！主持人好！观众朋友们好！刚才我在节目开场的时候，其实已经给大家说了，关于这个碳，碳原子和碳离子的概念，两位能给我们具体地解释一下，到底它们都是什么？区别又是什么？我们中学都学过，化学元素周期表上碳是第6号元素，但是第6号元素意味着它核外是带6个电子的一种原子核。当然我们这个原子，处于高能的状态下的时候，它这6个核外电子会丢掉，就会形成带6价的碳6+的碳离子。其实离子这个词，大家生活中也常听到，不光是在化学课上，在生活中也会听到，比如说我们说食盐里面有钠离子，有钾离子，对吧。然后我们比如说我们有时候会听到氢离子这种说法，为什么像这种离子比较经常能听到呢？
是因为这些离子，它存在得比较稳定，也就是说它单独能够存在，但是为什么碳离子这个词，我们很少听到呢？就像刚才颜老师介绍的似的，它必须需要一个很高的能量，才能够把它表面的这些电子剥离掉，然后才能获得只带正电的碳离子，这个不是在日常生活中很容易能做到的事情。所以它更多的只存在于一些比较复杂的仪器设备，存在于实验室中，这就是为什么我们平常很少听到它的原因。但其实它跟其他的那些钠离子也好，氢离子也好，本质上是没有区别的，就是一个丢掉了电子，带正电的这样的一种离子。嗯，我觉得两位，一个是从专业的概念上，另一个生活化地又给我们解释一下，碳离子到底是什么样的。那两位能跟我们介绍一下这个碳离子具体有什么特征吗？
碳，当碳原子去掉6个核外电子以后，成为碳离子。碳离子它有一种特性，就是在电场的作用下，它会被加速起来。我举一个例子，比如说汽车，我们一踩油门的时候，它的速度会起来，比如说一定的时间到100千米每小时。那碳6+在电场的作用下，它也会被加速起来，而且这个速度会达到非常高的速度，这个速度可能有的时候我们难以想象。我举个例子，还是以汽车为例，汽车是100千米每小时，那每秒钟大概在30米左右的速度。但碳离子在加速器里，被加速的时候，它可以达到光速的百分之七十。也就是说在20万千米每秒这么一个速度，非常非常快的一个速度。那我想知道，具有了这个速度之后，它对我们带来的价值是什么？我觉得这就是一个，我们可能生活中会说到的一个词，叫重拳出击。为什么要叫重拳出击呢？
你想，同样的我是去打一拳，如果这个拳头本身的重量，这是一份重量。那如果我再戴上一个拳套，而且这个拳套里再加一些分量，比如说加一些铁砂，那么这个时候再同样打出去一拳，你想想肯定是后面这个重拳，它的力量会更大，对吧？这是一个最简单的物理原理。就是你的效果是由动量决定的，那质量越大，动量就越大，碳离子就属于很重的东西。因为这个碳离子中间是一个碳的原子核，实际上是有6个中子，6个质子，差不多是十二道尔顿。那像我们一般所说的，比如你用质子，那就只有一个道尔顿，如果你用电子的话，那电子的质量就更小了，比中子、原子要小得多了。所以说，碳离子最本质的一个好处，我觉得就是它的质量大，是一个重拳出击，这样的话，它所能起到的破坏作用也就更大。它的杀伤力更大。
我们国家的科学家正在研究用碳离子这项技术来治疗癌症和肿瘤，那说到这我们必须先（说一下），我们传统治疗肿瘤的方式都有哪几种？传统肿瘤（治疗）通常有主要的，我们常见的有三种，一种是手术，容易理解，如果看到有肿瘤，我们可以用手术刀给它切掉。另外一种叫化疗，化学疗法，化学疗法就是往身体里（注射），这是一种化学药物，可以说是一种“毒药”，但它有一定的选择性，因为肿瘤细胞繁殖快，正常细胞繁殖慢。所以肿瘤细胞，变相被杀死更多一些，但这种它会对人体带来很大的副作用，客观表现上可以看到，经过化疗以后，这个人会很衰弱。头发会掉。对，非常虚弱。第三种叫放疗，利用一种射线，来做肿瘤治疗的方法。这种射线，医学上有很多的种类，常见的有X射线，伽马射线，有这个我们平常讲的碳离子和氢离子这几种。
刚才听您的介绍，按这个逻辑的话，如果碳离子这项技术治疗肿瘤，也是属于放射疗法的一种。没错，射线一般它属于核的范畴，一般来说我们都是“谈核色变”，大家都很害怕。但其实很多情况下，核也可以变废为宝，它可以用于民用，这里面比如说我们平常建的核电站，就是用核的办法。比如说咱们现在谈的肿瘤治疗，更适用射线的办法来杀伤肿瘤，这么一个办法。不管是X射线、伽马射线，还是其他放射物质，对生长增殖速度快的肿瘤细胞都有一定杀灭作用。但不幸的是在杀灭肿瘤细胞的同时，或多或少地会对正常细胞造成杀伤。那么如何才能让放射线在杀死肿瘤的同时，又尽可能的降低对正常细胞的伤害呢？碳离子治疗肿瘤，是属于放射治疗的一种，那之前我们也有很多放射治疗的方式，我们为什么还要来研究碳离子这项技术来治疗呢？
碳离子治疗，可以说是一种精准治疗方法，一般来说碳离子本身，它不能识别肿瘤在哪里，但是如果我们医学上，比如说用CT或者核磁，我们来提前诊断出来肿瘤在什么位置，这样的话我们就可以用碳离子去精准杀伤它。这个碳离子就类比无人机，CT就是北斗导航的位置，这样可以精准地去杀伤肿瘤。这里面当然我们知道，碳离子还有特别重要的特性，就是叫布拉格峰的特性。这是什么概念？布拉格峰本身就说它一个高速的射线，进到一个物质里面，它损失的能量，单位距离里面损失的能量可以是跟它的速度平方成反比，也就是说当在末端的时候，它的速度降下来的时候，它的能量一下就释放出来了。关于布拉格峰，我想给大家再详细地解释一下，其实这是一个物理学的概念，对吧。它其实描述的是一个材料，对于射进去的粒子束也好，或者其他的高能射线也好，它是怎么样去吸收它的描述的是这样一件事情。但是这里面有一个很有意思的现象，碳离子是重离子，因为它重，它有6个质子加上6个中子，比质子本身要重，比单个的电子就更要重。
那你想想，如果轻的东西，当你冲进一个人群中去，一个质量很轻的，一个体重轻的男生可能很容易就被人拽住了，但如果是像我一样体重比较大的一个男生，然后你冲进一个人群里，可能你就不太容易被拽住。更重要的是，如果你的速度也很快的时候，你就更加不容易被人拽住，对吧？但是周围的人还是会拽你，你的速度会减慢，当你速度减到一定程度的时候，周围的人会一下子把你给抱住了，那碳离子进入到人体组织中，它所经历的这个过程就有点像这样一个过程。它一开始的时候速度很快，周围这些物质对他的作用有，但是减速的作用很小。但是，随着它往里走，随着它深入进去，随着它速度变得越来越慢的时候，终于到某个阈值之后，周围的物质会一下把它抓住，它这时候一下有一个急停，有一个刹车，那我们知道能量是不灭的，这个刹车的过程中，巨大的速度所带着的动量，这些动能去哪了呢？就以一种杀伤周围组织的方式释放出来了，那这个其实就是碳离子杀伤的“妙处”。不过这个“妙处”是要打引号的，是跟谁比，跟谁比呢？就是跟我们一般用的X射线，跟伽马射线，或者是跟轻一点的质子相比，这是它的一个好处。
这里面我们可以再举一个类比，我们很多人玩过台球，我们有一个目标球，有一个母球，当目标球在桌面滑动，经过桌面打到目标球的时候，在滑动的过程里面，它损失的能量是比较小的，但是当它打到目标球的时候，能量一下就爆发出来了，就丢失了。这个过程我们可以类比为在这个目标球就是肿瘤，母球就是离子刀，去杀伤肿瘤，所有的过程里面，在进入的时候它能量损失很少，仅仅是在肿瘤位置把能量释放出来。所以这里面我们可以把它，有时候把它叫做离子刀或者碳离子刀。我们知道除了碳离子之外，我们还有X射线、伽马射线、氢离子这几种，X射线和伽马射线，它是一种电磁波的形式，它打到人体以后，它是能量递减的这么一个层级过程，不像碳离子和氢离子，它是以布拉格峰的形式出现。所以它可以更精准地杀伤肿瘤，这里面可以举一个例子，在一个城市里面有一个很破旧的房子，我们需要把它（拆）除掉，建新的房子，那这样我们可以用定向爆破这么一个形式，但是不能影响到周围的房子，这个时候我们的质子刀，就类比定向爆破的形式，直接穿过人体表面，不太损伤表面的组织，当然有一点点损伤，不太损伤，大部分能量是打到肿瘤部位，可以更加精准地杀伤肿瘤。可以说类比X射线、伽马射线，它们相当于拿火烧，烧完以后，里面肿瘤组织，可能受的辐射是比较少的，类比正常组织里杀伤了一千，但肿瘤组织杀伤了八百这么一个过程。用重离子，它可以更多的能量，直接打到肿瘤部位更加精准。
更精准，相对副作用也会小一些，是这个道理。医学上还有一种，比如说有些肿瘤，它不太适合用X射线来辐照，是抗X射线的这种（肿瘤），比如说我们尾椎的脊索瘤，它对X射线和伽马射线不太敏感，所以有时候也需要重离子来辐照。关于我们传统的像X射线、伽马射线这些方法，它在治疗的时候，其实刚才颜老师有提到，杀敌一千，自损八百，为什么呢？因为我们可以想象一下，就是我们在有些科幻电影中见过“光剑”，这种不存在的技术。激光一穿就把人体穿孔了，对吧。X射线其实也是类似这种原理，它穿过去的时候，在它光行进的路径上，对所有这些组织，无论是癌症组织还是健康组织都会有杀伤。我们今天已经是一个常识了，就是说你没有必要不要去接受X射线的辐照，对吧。我们都知道它对人体是有伤害的，所以这些方法它必然对健康组织也是有伤害的。那么与它相类比的话，像碳离子或者说质子这些重离子，它有点像什么呢？有点像一个隐形的剑，它在进入你的身体的过程中，不伤害前面的健康组织，它只打击最后的肿瘤组织。有的人可能会觉得奇怪，说为什么会这样呢？这个我们在前面也解释了就是这个布拉格峰，这是一个很重要的一点。另外很重要的一点，就是我们很多人可能对原子没有一个尺度上的概念，假如说原子如果有这么大，我拿手随便比画一下，如果说原子有这么大，那原子核有多大呢？
其实连看都看不见，它是一个连一毫米都不到，只是在微米尺度上，如果来类比的话，原子核是非常非常小的，那么结果就是什么呢？我们看似一个实体的东西，包括身体也好或者物体也好，其实从物理学上来讲，它是很空旷的，里面原子核都彼此相距很远，而且非常微小。那么碳离子也是这么一个很小的原子核，当它穿入到我们的人体中，其实它不会受到什么阻碍，它基本上是径直的飞到目的地的，这个结果就使得它在前面，其实不会对我们的身体造成很大的伤害。刚才我们说到了叶教授也给我们解释，碳离子的加速性，重拳出击，这些特点我们都记住了。那比起传统的一些放射治疗方式，它的优势是什么呢？因为我们知道，如果用X射线，那么这条射线射进去的时候，在它整个行进路径上，对于所有这些组织的伤害是差不多的，而且实际上对X射线来说，可能越靠外的组织受的伤害反而越大一些。而碳离子恰恰相反，它在速度快的时候，对这些组织的伤害很，只有到达它的目标的时候，到达终点的时候，对癌症组织，肿瘤组织，它的这种杀伤力才全部释放出来，所以说它最大优势就是不伤害健康组织，那这就是它在实际应用中，为什么我们要去研究它，研究它的种种特性，然后去发展这种技术的原因，就是因为它可以做到对于健康组织最小杀伤的效果。
您二位给我们解释得已经非常清楚了，但是我们还想知道，像碳离子技术来治疗肿瘤的话，它是所有的肿瘤都能治，还是针对某种肿瘤有效果呢？不是，任何一种，刚才主持人提到治疗的方法呢，肿瘤是很复杂的一个病种，可以说最危险的一种，没有任何办法可以包打天下，重离子也有它的局限性。首先，我们知道它是一种精准治疗方法，所以重离子一定它只是对这种有精准位置，有局域位置的肿瘤比较好，这是其一，对于扩散的肿瘤，它是没有办法或者很难去治疗的。另外一种，就是说对于空腔型的，比如说胃癌、肠癌，这种薄壁的肿瘤组织，因为它也是一种刀，虽然不是手术刀。人肉眼看不到的刀。对，把腔壁击穿，这样会带来一些麻烦，所以医学上对于这几种，一般重离子治疗是不太好的。刚才我们也说到了，它不是对所有肿瘤治疗都是起效果的，而是对部分肿瘤病症是有一定的效果的，那能给我们具体介绍一下，比如说对哪些肿瘤是非常有效的？有明确的位置，比如说这种实体瘤集中在某一个位置，它不是分布到全身的，可以利用医学的办法确定肿瘤的位置，再利用离子刀去精准地杀伤它。比如说血癌就没办法治疗，因为它癌症分布在浑身各处，对于这种扩散的就没有办法。
那说到碳离子技术，可以治疗部分肿瘤这项技术，可能会引起很多人的关注，这里面人们自然会想到一个问题，它有多安全？它的安全性是什么样的呢？两位能给我们介绍一下吗？好的，碳离子从世界范围看，大概治疗了，用碳离子大概治疗有3万个病人。这种病例从5年的生存期来看，大概有百分之八十的病人，或者说实体瘤的病人，他接受（碳）离子治疗以后，他的5年生存期是比较好的。所以从这个角度数据上看是安全的，从物理的角度上看，因为碳离子和氢离子，它打到人体以后，其实人体的碳有很高的比例，可能大概在百分之十八左右的碳元素的比例，所以打进去很少比例的碳离子，对人体没有特别大的副作用。叶教授有补充吗？碳应该说，它是一个组成我们身体的一个非常重要的这样一种物质，像蛋白质分子，像核酸分子，就是我们常说的DNA（脱氧核糖核酸），这些都是核酸分子，还有包括构成我们细胞膜的磷脂，那这些几大类分子里面全都是以碳为主要的一个骨架的。所以说碳就是构成生物分子基本的那个骨架，所以说碳这种元素在我们身体中是相当丰富的，那么作为碳离子的这样一个治疗，可能会把少量的碳注射到我们的身体里，但那个量是非常非常微小的，那个碳对于我们来说是毫无影响的。那用碳离子来治疗肿瘤的这种方式，它也像不像其他药物一样，或者治疗方法，也具有一定的副作用？
是的，碳离子经过几十年的发展，事实证明它是一种比较好的癌症治疗方法，但是在临床上我们前面提的布拉格峰，它是一种精准的肿瘤杀伤方法。但在之外在布拉格峰之后，我们用一个重拳去打的时候，后面一定会产生些什么，后面从物理的角度，它会产生一些刺激的辐射。这些辐射就会对布拉格峰之后的一些组织器官会产生一些副作用，所以在临床上，很多国家对于重离子是不允许用于青少年的肿瘤治疗的。在世界范围内，碳离子治疗最早在美国开始使用，后逐步推广到德国，日本等地。我国在2014年由上海复旦大学附属肿瘤医院完成第一例重离子癌症治疗，目前已经治疗近千例病人。那接下来可能很多人就会问费用怎么样？一般老百姓或患者能承受得了吗？
这个费用还是比较可观的，目前在上海复旦大学附属肿瘤医院，它的治疗费用大概在27.8万（元人民币）每一个部位，在兰州，他们相对便宜一点，大概在25（万）到26万左右每一个部位。关于费用问题，我想再补充解释一点，大家可能不知道为什么费用会这么高？主要是可能普通人对仪器设备没有概念，就是重离子这台设备，我们可能管它叫一台设备，但它其实不是一个能够放到普通房间里的这么一台设备，它有多大呢？如果说最初的设备可能大小要到小型的体育场馆那么大，那现在的大小，可能至少也是在工厂、车间这样的大小范围之内的一台设备，它是一个非常复杂的，我们叫做同步加速装置。而且为了使得它在加速过程中不会出任何问题，我们需要用很强的磁场去约束它，而且这个环境中要抽真空，还要包括低温制冷，那么所有这些条件都是消耗大量能量的，包括本身这台设备的建造，它也是需要花很多的资金的，实际上都是在几十亿这样的一个规模上，所以说整个设备建造起来到它开机运行，这里面都是有巨大的成本投入。所以说到设备，我们就有必要解释一下这是一个什么样的设备？它的原理是什么？
这个设备是一个很大的设备，它通常外形看起来像一个圆形的跑道，但这里面在圆形的跑道上，我们放置了很多的仪器和设备，包括磁铁、电源、探头系统等等。这里面有把碳原子电离成碳离子的离子源，有把离子束引到环里面的输运段，然后这是一个子系统，这个子系统平常医生和病人是看不到的，那这个束流会引到一个叫治疗子系统的一个房间里，这个房间里通常病人可能会躺到一个像床一样的设备上，接受离子的辐照。2019年，也就是去年的9月份，关于碳离子治疗肿瘤的这项技术的专业设备已经成功上市，并用于医疗当中，这件事对于碳离子这项技术来治疗肿瘤意味着什么？这个意义非常重大，那兰州近物所（近代物理研究所）经过这么几十年的努力，把它成功地从一种核物理装置，建成商业的治疗装置，变成一个真正的产品，这意义非常重大。可以说从基础研究走向应用研究，再到走向商品，这每一步都是以十倍放大，所以走到今天这一步也非常非常不容易，在此也是特别为我们国家核心技术的提升感到自豪。同时，对于广大肿瘤病人来说，也提供了一种多的一种选择，以后也可以用（碳）离子治疗，除了我们说的手术刀、化疗，也多了一种，重离子放疗这么一个手段。关于这项治疗技术的设备上市，您怎么看？
我们知道它（碳离子治疗）是安全的，而且它是有效的，所以说就使得更多的病人可以去期待，也许我们能够用到这种技术，而不是在之前，在临床试验阶段，可能不是所有人都有机会用到这个技术。就像颜老师说的似的，它是一个福音，就是能够使得更多病人有这个希望了。但是，就像我们前面也反复强调过的，不是说每一种技术都是对所有的肿瘤都是能够去治疗，最重要的还是要遵医嘱，要看医生对你的这个具体的病情的判断，它究竟用什么样的技术去治疗是更合适的。好，那最后可能我们大家非常关心的一个问题，就是这一项关于碳离子治疗肿瘤的技术，临床应用未来的发展，我们怎么去期待？客观讲它的设备现在太大，可以说是目前有史以来最大的一种医疗设备，所以未来发展趋势可能主要有这么几种。
第一种，利用超导的技术。它的电阻是趋近于零的，所以我们从中学的知识里面知道，它在电阻很小的时候，它的能耗就很低。这样在同样的尺寸下，它可以将离子能量加速到更高，那碳离子治疗，以后也应该可以值得期待，可以做得更小。另外一种技术，我觉得应该提一下，就是这种激光的技术。激光，它本身的电场，场强非常高，所以它可以在很短的距离里面，将离子加速到接近光速的一个水平，所以未来激光加速器，它可以把这个设备做得更小。这样的话，将这个设备做小以后，就能放到普通的三甲医院里面。我们知道中国一年的癌症病人，新发的癌症病人大概在四百万左右，需要我们一台设备，通常也就治疗大概一年在一千个病人左右。所以客观讲，需要很多这样的装置，但是目前的技术呢，它太大，所以未来我们期待超导技术和激光加速技术的发展，能够将这些设备做得更小。叶教授对于这项技术来治疗肿瘤未来的前景怎么看？
我觉得这个前景肯定是非常好的，因为咱们前面谈到了它的很多优势，其实这里面还有一个我觉得很重要的一点，就是虽然说手术的切除往往是传统上最有效果的一种方式，但是手术切除它有很多限制，不是我们身体哪个部位都可以去开刀去切的，这个其实很多时候就限制了手术这种方法的使用。那么反过来，像碳离子也好，或者其他一些放射性疗法也好，它最大的优势是，它可以深入到身体内，无论肿瘤在哪个部位，只要它是一个实体瘤的形态，那么基本上都可以用这种方法，那么就像刚颜老师说的，随着这个设备不断的小型化，同时也带来了它成本的下降。那么，我想这种技术，就能够更多的去辅助到我们传统的手术治疗，还有化疗里面来。然后，就能够对我们整个肿瘤治疗能够带来一个更光明的未来，我觉得这绝对是一个可以期待的未来。好，今天非常感谢两位嘉宾来给我们解释这样一个新兴的技术。在今天节目当中，我们跟大家谈了关于碳离子来治疗癌症和肿瘤的这项技术，我们也希望这项技术通过科研人员的不断努力，技术不断完善，给更多人带来福音。好，感谢您收看，我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
