大約一半的癌症患者在疾病過程中會單獨接受放療或放療結合其他治療方式（如手術、化學療法、或免疫療法等）。從傳統(光子)放射治療不斷更新技術，例如強度調控放射治療(IMRT)、影像導引放射治療(IGRT)和立體定位放射治療(SBRT)，增加了光子放射治療適應症的數目和治療效果的改善。然而，許多腫瘤因其部位或病理特徵，難以用傳統放射治療妥善控制。

光子放療相關的困難主要源於光子與組織相互作用的物理特性。入射光子在組織中的劑量分佈最初是增加的，但進入組織後劑量就隨深度下降，因此為治療深部腫瘤，難以不損害健康的組織。相反的，高速的帶電碳離子(重粒子)、質子與傳統放射療法相比具有顯著的物理、生物學和臨床優勢。如圖一所示，布拉格曲線上“布拉格峰”的物理特性描繪了粒子輻射線如質子與重粒子穿過物質時獨有的能量損失模式，質子和重粒子在行進路徑的終點釋放大多數放射劑量，與光子放射療法相比，這種現象導致粒子輻射線劑量更集中分佈在腫瘤靶點，同時最大限度地降低對鄰近正常組織的風險。

 

重粒子對腫瘤細胞的殺傷力為傳統放療的1.5至3.4倍(而質子相約為1.0至1.1倍)，有利於腫瘤控制，但如果照射部位偏差的話，可能導致正常的組織與器官毒性。將重粒子束準確地輸送到腫瘤部位非常關鍵，尤其是當呼吸引起腫瘤運動與相關位置變化時。

 

放療引起的癌細胞死亡依賴於輻射引起的DNA損傷。氧氣通過產生活性氧物種(ROS)來“固定”輻射引起的不可逆、不易修復的DNA損傷。氧增強比(OER)代表為達到相同生物效應，缺氧比有氧狀態下所需的輻射劑量比。如圖所示，X軸和Y軸分別代表輻射劑量（Gy）和被照射後存活的剩餘癌細胞的部分。光子和質子的OER通常估計為3，這意味著光子和質子在有氧(紅色實線)與無氧(藍色實線)條件下對癌細胞殺傷力大約高3倍。相反的，重力子(虛線)的OER估計值較小，抗癌效果對氧氣的存在依賴性較小，這代表了在治療缺氧性癌症方面的巨大優勢，這種缺氧性癌症特徵是其對全身治療和常規放療具有較強的抵抗力而不易根治。

缺氧是組織與細胞處於低於生理水平氧濃度下的狀態，由於腫瘤細胞的快速生長和擴張，其微環境沒有足夠的血管供氧，因此大多數惡性腫瘤表現出不同程度的缺氧現象，尤其是最惡性的腫瘤類型。細胞如何應對缺氧微環境條件？包括癌細胞在內的細胞會增加缺氧誘導因子(HIF1a)在細胞內的數量，缺氧誘導因子是一種轉錄因子，其可驅動細胞內應對這種缺氧情況相關的基因表達。

2019 年諾貝爾生理學或醫學獎授予William G. Kaelin Jr.、Peter J. Ratcliffe 爵士和Gregg L. Semenza，以表彰他們發現了缺氧誘導因子。腫瘤缺氧時透過缺氧誘導因子啟動眾多生理反應，包括新血管增生、加強腫瘤細胞的生存、缺氧的情況下葡萄糖的利用、促進癌細胞的活動和轉移、促進癌細胞突變及更惡性化、抑制免疫抗癌作用等。缺氧刺激癌細胞中複雜的細胞信號網絡，導致許多惡性特徵，包括轉移和癌細胞存活等。鑑於缺氧腫瘤對癌症患者存活的顯著負面影響，重粒子療法具有控制最難根除的癌細胞的巨大潛力。

鑑於上述重粒子的物理和生物學特性，其治療可改善腫瘤局部控制並減少癌症患者的正常組織併發症，尤其是位於體內深部與對傳統放射與藥物治療具有抗性的病人。迄今為止，重粒子放療已針對幾乎所有類型的惡性腫瘤進行了治療或研究，包括顱內惡性腫瘤、頭頸惡性腫瘤、原發性和轉移性肺癌、胃腸道腫瘤、前列腺癌和泌尿生殖系統癌症、肉瘤、皮膚惡性腫瘤、乳腺癌、婦科惡性腫瘤等。在日本、歐洲和中國的重粒子中心已治療了全球約50,000名患者。根據日本國立量子科學技術研究所(前國立放射線科學研究所)醫院的累積數據，該醫院是最有經驗的重粒子療法中心，根據最近年度報告，其已治療約12,000名患者，癌症種類包括前列腺癌、肺癌、肝癌、頭頸癌、胰腺癌、復發性直腸癌、脊索瘤等。

在這些癌症中，許多都顯示出令人鼓舞的結果。支持在前列腺癌中使用重粒子放射治療的最佳證據來自對在日本千葉國立量子科學技術研究所醫院、群馬大學和佐賀的重粒子中心接受治療的2157名患者進行的大型多機構回顧性分析。超過一半的患者患有高危險組前列腺癌，三分之一患有中危險組前列腺癌。所有組別的療效都很好，但最令人鼓舞的結果的是高風險組的5年生化無復發生存率(Biochemical recurrence-free survival)和癌症特異性生存率(cancer-specific survival)達到顯著的92%和99%。此外，沒有三級或以上的副作用。

胰腺癌是全球第五大死亡原因。手術是唯一的治愈性治療方法，因為大多數患者的腫瘤通常呈現出晚期不可切除的周圍器官血管侵犯狀態，手術僅適用於少數腫瘤仍只限於局部的病例。由於胰腺癌具有高度缺氧的腫瘤微環境特徵和對傳統放射的拮抗性，胰腺癌局部失敗仍然是治療後復發的主要形式。因為與光子或質子放療相比，重粒子放射治療具有代表強效殺癌作用的高相對生物效應(RBE)值、和對付缺氧癌細胞有利的低增氧比(OER)，重粒子是對胰腺癌的一種值得期待的治療方法。在日本國立量子科學技術研究所醫院胰腺癌的一份臨床報告中，重粒子放射治療與當年標準化療Gemcitabine結合用於治療不可切除的局部晚期胰腺癌。重粒子放射治療結合gemcitabine在出現任何劑量限制性毒性之前，能安全地使用55.2 GyE放射劑量分12次在3週內完成腫瘤照射治療。在此劑量治療下，病人耐受性極佳，治療後腸胃潰瘍並不常見，2年生存率為48%。日本QST醫院還測試了重粒子放射作為潛在可切除胰腺癌的手術前治療策略，使用30-36.8GyE放射劑量分8次在2週內完成。病人對治療的耐受性良好，5年生存率為52%，這21位患者中，無人出現重粒子照射部位的失敗。

鑑於QST醫院臨床結果顯示，重粒子放療合併標準化療治療局部晚期胰腺癌的優異療效，2019年時，德克薩斯大學西南大學協調了全球約十家醫療中心，他們都配備了或正在建設像臺北榮民總醫院這樣的尖端設施，並使用日本碳中心發佈的相同方案啟動了隨機 III 期臨床試驗https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03536182，名稱為”Trial of Carbon Ion Versus Photon Radiotherapy for Locally Advanced, Unresectable Pancreatic Cancer (CIPHER)”比較重粒子與光子放療治療局部晚期不可切除胰腺癌的試驗。患者將以2:1的比例隨機分配到兩個治療組，即標準化療合併重粒子放療或常規光子治療。當時，臺北榮總的重粒子治療中心還在建設中。台灣患者若入選重粒子療法治療組，將前往日本重粒子中心進行治療，治療費用、病患及一名陪伴者的交通住宿及餐費均由試驗主責單位承擔。此病患隨機分配的臨床試驗如果成功，將可毫無爭議地證明重粒子療法的卓越抗胰腺癌效果，重粒子療法將成為局部晚期、無法手術的胰腺癌治療準則中推薦的治療方法之一。不幸的是，由於新冠大流行，鑑於當時國際旅行極其困難，患者無法前往日本接受重粒子治療，因此無法進行此試驗。現在新冠流行已經消退，希望這項重要的多中心多國臨床試驗能夠恢復，得以評估重粒子療法對胰腺癌的治療效果。

重粒子療法對治療具有缺氧腫瘤微環境顯著病理特徵的骨肉瘤和軟組織肉瘤是很合理的治療方法，它對無法切除或復發的患者特別有效。QST(NIRS)醫院發表的一項 I/II 期劑量遞增試驗顯示，使用重粒子治療不可切除的骨和軟組織肉瘤的患者，3年局部控制率和總生存率分別為73%和46%。NIRS還報告了使用重粒子治療無法切除的腹膜後肉瘤的經驗，5年總生存率和局部控制率分別為50%和69%。對於不可切除的軀幹骨肉瘤，重粒子治療達成了62%的5年局部控制和33%的總生存率。對於無法手術的肢體軟組織肉瘤，在NIRS醫院使用重粒子治療的17名患者達成了76%和56%的5年局部控制和總生存率。對於非骶骨不可切除的脊柱肉瘤，NIRS醫院報告了接受重粒子療法治療的47名患者的經驗，這些患者的局部控制、總體生存率和出色的功能保留結果令人振奮。

對於無法切除且不能接受肝臟移植手術的局部肝細胞癌患者，重粒子放射治療越來越受到重視和廣泛使用。基於前面闡述的物理和生物特性，重粒子放射治療超越了傳統的光子放療在肝細胞癌治療方面具有獨特的優勢，其較能集中放射劑量於腫瘤以最大化腫瘤殺傷效果，同時避免如傳統的光子造成正常肝組織損傷的劑量。

 

在日本國家放射科學研究所(NIRS)和兵庫離子束醫療中心(HIBMC) 使用重粒子放射治療肝細胞癌患者的一項回顧性研究，對於肝內復發的肝細胞癌，重複的重粒子放射治療是安全且有效的，包括對局部復發的再次放射治療。整體生存率、局部控制和無進展生存期均令人滿意，且肝功能得以保留。NIRS的一項劑量學研究顯示，與SBRT相比，重粒子放射治療計劃在減少肝臟和腸道劑量方面表現出色。上海重粒子中心進行的一項薈萃分析(meta-analysis)顯示，粒子放射治療在生存率、局部控制和副作用方面均優於傳統光子放射治療。

 

NIRS頭頸癌團隊的數據顯示，重粒子放射治療在治療頭頸癌患者方面亦取得了令人鼓舞的成果，急性和晚期反應減少。德國海德堡離子束治療中心的前瞻性第二期臨床試驗評估了合併重粒子與傳統光子IMRT放射治療未能完全切除或無法手術的腺樣囊性和其他惡性唾液腺腫瘤，53名患者對治療耐受性好，只有中度的急性和晚期副作用，3年時局部控制率為82％，整體生存率為78％，結果令人鼓舞。德國GSI亥姆霍茲重粒子研究中心使用重粒子放射治療顱底腫瘤(中位劑量60 GyE)，病患追蹤5年時，軟骨肉瘤和脊索瘤的局部控制和整體生存分別為89％和98％以及70％和88％。10年時，軟骨肉瘤和脊索瘤的局部控制和整體生存分別為88％和79％以及54％和75％。急性和晚期毒性均輕微，沒有3級以上反應。標準光子放射治療，重粒子放射治療優秀的局部控制、整體生存和可接受的毒性令人滿意。

 

放射治療合併系統性藥物治療，如化療、靶向治療、免疫治療、細胞治療，是有效的癌症治療方法。放射治療可以直接殺死腫瘤細胞，而系統性藥物治療則可以消除身體其他部位的癌細胞。兩種方法結合使用，可以提高治愈率，並減少復發的風險。如前所述，重粒子治療也是一種放射治療方法，有別於傳統的X射線或γ射線來殺死腫瘤細胞，重粒子具有高相對生物效應，意味著它可以在腫瘤組織中產生更多的腫瘤細胞損傷。此外，具有銳利的布拉格峰，可以將輻射劑量精確地沉積在腫瘤組織中，同時減少對周圍正常組織的損傷。這種治療方法在治療具有放射抵抗性的和位於敏感器官附近的腫瘤具有較大的優勢。隨著新型抗癌藥物的發展，重粒子治療在與這些新型治療相結合時，在提高癌症患者生存率方面的未來作用應該會扮演更重要的角色。