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产业观察丨 日本质子治疗产业源起与发展(上篇)

华高莱斯

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(图片来源:摄图网)

作者|梁美惠  来源|华高莱斯(ID:RL-CONSULT)

目录

1. 质子治疗——癌症放疗技术中的“温柔一刀”

2. 放疗技术革命奠定了质子治疗的基础

3. 日本质子治疗自上而下的发展路径

4. 以质子治疗中心为牵引的产业特征

5. 国内质子治疗产业化现状及思考

中国是世界上的癌症大国,癌症已成为中国人口的主要死因之一。据GCO在线数据库估计,2018年中国癌症发病人数约为430万(占世界近24%),癌症死亡人数为290万(占世界近30%),我国癌症人口增速较快,治疗费用偏高,癌症的降临给社会和家庭都带来巨大的经济负担。

作为癌症的三大常规疗法(外科手术、化学治疗、放射治疗)之一,放射治疗备受瞩目,而质子治疗作为放射治疗的高度先进疗法之一,近年来引起了医学界的广泛关注。质子治疗中心的筹建在近10年飞速推进,2000年起呈指数型增长,2020年5月,全球已运营质子治疗中心达92所,主要分布在美国(37所)、欧洲(33所)和日本(17所)。

我国质子治疗市场缺口巨大,至2020年10月,我国质子重离子治疗项目共71个,其中已运营项目仅5个。而与我国地理位置相对较近的日本则早已与美国并肩而立,在质子治疗服务领域处于绝对领先地位。日本质子治疗中心的普及,不仅代表了日本尖端医疗已处于世界领先水平,更加速了日本的医疗出口,提升了日本医疗器械企业的国际竞争力。这其中的经验教训,对于我国推行质子重离子治疗项目具有重要借鉴意义。

一、质子治疗——癌症放疗技术中的“温柔一刀”

有别于传统放疗使用X射线、γ射线之类的光子线进行治疗,质子治疗是将氢原子核(质子)加速,提高能量形成粒子线(质子线),以最高精确度摧毁癌细胞,同时能保留周围的健康组织。

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放射治疗的两大分类

资料来源:筑波大学附属医院

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质子治疗与传统放疗的区别

资料来源:ProCure官网

从原理上讲,质子治疗与传统放疗相同,都是通过阻止癌细胞分裂和生长来破坏癌细胞。但由于使用的粒子不同,质子作为亚原子粒子,可以对其进行控制以达到精确深度传递辐射的目的,质子能够正好沉积在肿瘤部位,然后停止,从而减少对周遭健康组织的伤害。而传统放疗通常在穿透皮肤直到肿瘤的那一刻就释放辐射,破坏周围组织和器官的可能性较大。

因此质子治疗拥有传统放疗无法达成的三大优势,即:

1)超精密控制

对质子线进行范围和深度的精密控制,可以最精确地靶向定位形状不规则、难以触及的重要器官。并且可以治疗先前诊疗后复发的肿瘤,以及降低继发性肿瘤的风险。

2)更小副作用

精确照射肿瘤部位,减小对周遭组织和器官的伤害。因此对副作用尤其敏感的儿童癌症患者而言,质子治疗是最友好的新型放疗法。

3)高治疗效益

每次接受治疗的时间较短(约30分钟/次),由于副作用小,恢复时间也较短,大多数可以在治疗的同时维持正常饮食和生活。

二、放疗技术革命奠定了质子治疗的基础

质子治疗起源于美国,发扬于日本。早在1946年,美国物理学家Robert R. Wilson就首次提出将质子运用于医疗中的假想。20世纪50年代,美国着力于研发医用直线加速器,核物理研究机构首次尝试使用质子放射来治疗患者,但仅用于少数身体部位。70年代末,计算机技术的发展与影像技术的进步,催生了放射治疗领域的三次革命,质子治疗开始进入临床应用。而日本紧随美国步伐,于20世纪70年代展开对质子治疗领域的探索,并在政府政策主导下,致力于高精度、小型化质子治疗设备的研发,大力推进质子治疗中心的建设,开展临床研究,并跻身全球三大质子治疗中心高地之列。

1)第一次革命:医用直线加速器的研发与放射疗法初尝试

1937年,美国物理学家Russell H. Varian和他的弟弟Sigurd F. Varian发明了速调管,最初用于航空雷达。随着研究的深入,瓦里安兄弟将其应用扩展到医疗领域,为医用直线加速器提供了完美的微波功率源,成为放疗发展史的一个里程碑。

1948年,瓦里安兄弟和斯坦福的两位科学家成立了瓦里安联合公司(Varian Associates),正式进入医疗行业。1953年,瓦里安联合公司在美国加州的帕洛阿尔托(Palo Alto)设立总部,即今天的硅谷所在地。瓦里安成为了第一批进入硅谷的科技先行者。

进入硅谷之后,瓦里安除了致力于医用直线加速器的研发之外,还开始关注放疗技术的临床应用。

1957年,斯坦福大学放射学家Henry Kaplan完成了世界上首例基于直线加速器的肿瘤放射治疗。患者名叫Gordon Isaacs,是个2岁的男孩,因患有视网膜母细胞瘤及肿瘤扩散,导致右眼被摘除,同时左眼也有一个局部病灶。为了保存孩子仅剩的视力,Hentry Kaplan建议使用加速器进行治疗,治疗结果非常成功,Gordon左眼的视力不久后恢复了正常。至今,这个当初罹患癌症的男孩仍然生活在美国加州,让人们感叹医疗技术的伟大。

在第一例基于放疗并成功治愈的患者的鼓舞下,瓦里安很快推出可以大范围临床应用的医用直线加速器。并于1972年推出世界上第一台高能医用直线加速器,将电子线治疗和放射治疗结合起来,为现代放疗技术打下了坚实的基础。

2)计算机技术的发展带来放疗技术的三次革命

近30年来,计算机技术的迅猛推广,也加速了放射治疗技术的不断变革。特别是IMRT、IGRT和VMAT三大技术的诞生和应用,使得放疗技术更加精准化和高效化。

• 调强放射治疗技术(Intensity Modulated Radiotherapy, IMRT),让放射治疗的剂量雕刻更加精准化。在三维空间上精确雕刻出肿瘤的形状,大大减少正常组织的受照剂量,改进患者疗效。

• 图像引导放射治疗技术(Image-guided Radiotherapy, IGRT),让放射治疗的靶点定位更加精准化。依靠电子射野影像板来验证患者治疗位置,将影像板安装在加速器两端自动伸展成像等技术,大大提高放射治疗的精度。

• 容积旋转调强放疗技术(Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT),让放射治疗的实施更加高效化。可变射线剂量率和可变机架转速技术,缩短了治疗时间,360度旋转技术能在一分钟内完成两个治疗弧,大大增加患者流通量。基于以上放疗技术层面的不断变革,关于使用质子线进行放射治疗的提议也浮出水面。1954年,美国加州大学Berkeley实验室开始了世界上第一例质子治疗研究,欧洲(1957年)与日本(1979年)紧随其后。

三、日本质子治疗自上而下的发展路径

日本作为全球三大质子治疗中心聚集地之一,其对于质子治疗的临床研究虽起步较晚,但质子治疗中心的筹建却如雨后春笋般快速发展与普及:截至2019年,日本已运营质子治疗中心17所,数量占全球约1/5。

质子治疗涉及核物理领域,其技术和资金门槛之高,绝大多数民间机构难以企及。故而日本质子治疗的发展,是从国立到私立、从研究所到医院,形成了自上而下的发展路径。

1.发源:国立科研机构的核物理医疗探索

筑波大学附属医院是日本国内首家导入质子治疗设备的国立大学附属医院,开启了研究机构与大学联合推动质子治疗项目的先河。

1973年,KEK(现高能加速器研究机构)提出利用大型质子加速器开展癌症粒子线治疗;1975年,KEK、放射线医学研究所、筑波大学就推进粒子线项目达成合作意向;1977年,用大型质子加速器开始共同实验;1979年,项目更名为“粒子线医科中心”,并于1982年开始世界首台垂直射束的临床研究。1990年,原粒子线医科中心10年期限到期,新的“质子线医学利用研究中心”启用。

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筑波大学附属医院质子线治疗中心的治疗成绩(包括1983年至2000年间KEK在在内)

数据来源:筑波大学附属医院质子线治疗中心官方网站

从质子加速器的医疗应用研究到质子治疗的临床技术探索,近20年间,国家级研究机构和大学联合主导了日本质子治疗技术的奠基历程。

在此期间,1983年,日本前首相中曾根康弘,发表关于推进癌症研究体制的整备计划,于次年1984年发表《癌症对抗10年综合战略(1984~1993年)》,将放射线治疗等尖端医疗手法的开发及应用设为重点课题,继而又发表《癌症克服新10年战略(1994~2003年)》,推进了质子治疗的研究进程与设备研发。质子治疗从国立研究机构的“学术下沉”,进入到加速应用阶段。

1998年,在世界普遍还停留在利用物理研究所使用的大型加速器进行短暂的医疗尝试这样的大背景下,日本国立癌症研究中心东医院成为继罗马琳达大学后,世界第2家导入质子治疗医疗专用设备的医院,加速了日本在质子治疗领域的临床应用和研究。

2.加速:地方科研和医疗机构入局,产业化起步

2004年,《第3次癌症对抗10年综合计划(2004~2013年)》发表,将日本尖端医疗的重点研究课题定为“确立粒子线治疗在临床应用中的有效地位,治疗装置小型化等”。

而“治疗装置小型化”,意味着质子治疗的成本降低,入局玩家和受众增多;在此基础上,产业化发展指日可待。

这一阶段,以北海道大学医院、相泽医院等为代表,地方中核医院或地方大学为主体引导的中小型项目骤增——截止到2019年3月,日本国内共有质子治疗中心17所,质子兼重离子治疗中心1所,其中与大学医院并列设置4所,与地方医院并列设置11所,独立小型质子治疗中心1所。

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资料来源:根据公益财团法人医用核技术研究振兴财团官网总结

同时,质子治疗设备制造产业迅速发展。

一方面,质子治疗设备应用性能迅速提升。设备逐渐小型化,甚至研发了能360度旋转的机架,让质子治疗变得更加易安置、易操作;2010年,日本质子设备制造商巨头日立制作所与北海道大学合作研发的“动体追踪系统”项目被内阁府采纳,并于2014年发布世界首台同时搭载了动体追踪技术和笔尖扫描辐射技术的质子治疗系统,可用于治疗因呼吸而运动的肺部和肝部肿瘤。该技术2017年获得美国食品药品监督管理局(FDA)的市场批准,引进当时美国在建的质子治疗设施中,并在2017年度全国发明表彰大会中,被授予日本2017年度国家最佳发明奖【恩賜発明賞(おんしはつめいしょう)】。

另一方面,质子治疗设备制造企业队伍迅速壮大。以两大公司(日立制作所、住友重机械工业公司)为中心,小型创业公司层出不穷。这些小型创业公司,多为大型公立研究机构旗下公司,如量子科学技术研究开发机构“量子医学医疗部门”(旧称:放射线医学综合研究所:放医研)旗下的首家创业公司B Medical。

有关数据显示,全球市场上有一定份额的7家质子设备制造商中,3家都是日本企业。

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全球质子治疗设备销售情况(2013年)

资源来源:大型质子治疗系统与紧凑型质子治疗系统的比较(论文)

3.扩张:本土普及与海外输出并重

随着质子治疗临床应用的普及和产业化发展,日本开始了质子治疗的海外拓展。2011年,日本政府成立MEJ(Medical Excellence JAPAN)组织,向海外销售医疗器械与服务。东芝、索尼和NEC等23家医疗器械生产商均参与该组织。

2013年,日本推行的医疗领域成长战略中提及,新一阶段日本“健康与医疗战略”的目标应为重离子线治疗设备的小型化与高度化,推行海外拓展政策,实现日本尖端医疗的出口计划。

该阶段,日本国内由民间医疗法人为主体引导的中小型项目持续增加项目,如社会医疗法人明阳会成田纪念质子治疗中心、高清会质子治疗中心等;同时,日本开始向世界推广其先进的质子治疗技术、设备及产业化链条,提升日本国际尖端医疗的影响力,如日俄尖端医疗中心(代称)项目等。

日俄尖端医疗中心(代称)项目是日本加速开展尖端医疗国际化的一环,不仅向俄方输出了先进的医疗设备和产业化链条,同时向世界推广了日本的医疗技术,提升了日本医疗器械企业的国际竞争力,并成为“产学官”联合模式走向国际化的试金石。

2013年,日俄双方达成于2015年在俄罗斯莫斯科建设拥有尖端癌症治疗设施的医院的协议。

俄方仅需提供设备建设场地及建设费用补助金,以及部分设备购入补助金,剩余资金将由MEJ(Medical Excellence JAPAN)组织为代表的日方企业法人、日本政府为代表的国际助力银行联合融资。

俄方参考日方经验设立运营企业,保障设备的运营与维保。

引进由住友重机械工业公司开发的质子治疗设备。

相关医疗人才的培养方面,日方向俄方提供质子治疗相关的人才培训与教研。并提议将部分癌症治疗纳入任意医疗保险。

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日俄尖端医疗中心筹建计划

资料来源:根据日俄尖端医疗中心(代称)项目中期报告书制作

参考资料

中国核技术网ProtonCN质子中国2020年全国肿瘤防治宣传周

瓦里安官网

Medipolis国际质子治疗中心官网

公益财团法人医用核技术研究振兴财团官网

日本放射线肿瘤学会第31回学术大会

国立癌症研究中心东病院官网

筑波大学附属医院质子线治疗中心官网

中核集团“质子治疗230MeV超导回旋加速器”顺利运抵调试厂房

《大型质子治疗系统与紧凑型质子治疗系统的比较》

《质子治疗系统技术发展研究》

《IBA公司2018年企业年报》

《致考虑质子线治疗的患者—筑波大学附属医院质子线治疗中心》

《日俄尖端医疗中心(代称)项目】中期报告书》

《粒子线治疗为中心的癌症先进医疗机构的现状与课题—根据九州地区的设施访问而谈》

编者按:本文转载自微信公众号:华高莱斯(ID:RL-CONSULT),作者:梁美惠

简介丨日本筑波大学社会工学(空间与环境设计:城市规划)硕士。对城市发展、区域发展、产业发展、文旅融合等领域有深入研究。


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