การบำบัดด้วยอนุภาคเป็นรูปแบบหนึ่งของการบำบัดด้วยรังสีภายนอกโดยใช้ลำแสงของนิวตรอนโปรตอนหรือไอออนบวกที่มีพลังงานสูงอื่นๆในการรักษามะเร็ง การบำบัดด้วยอนุภาคที่พบมากที่สุด ณ เดือนสิงหาคม 2564 คือการบำบัดด้วยโปรตอน^{[ 1 ]}

แตกต่างจากรังสีเอกซ์ ( ลำแสง โฟตอน ) ที่ใช้ในการรักษาด้วยรังสีแบบเก่า ลำแสงอนุภาคแสดงให้เห็นถึงจุดสูงสุดของการสูญเสียพลังงานเมื่อผ่านร่างกาย ทำให้ส่งปริมาณรังสีสูงสุดที่หรือใกล้กับเนื้องอก และลดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อปกติโดยรอบให้น้อยที่สุด

การบำบัดด้วยอนุภาคยังเรียกในเชิงเทคนิคว่าการบำบัดด้วยแฮดรอนโดยไม่รวมการบำบัดด้วยโฟตอนและอิเล็กตรอนการบำบัดด้วยการจับนิวตรอนซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิกิริยานิวเคลียร์ทุติยภูมิ ก็ไม่ได้นำมาพิจารณาในที่นี้เช่น กัน การบำบัด ด้วยมิวออนซึ่งเป็นการบำบัดด้วยอนุภาคประเภทหายากที่ไม่อยู่ในหมวดหมู่ข้างต้น ก็ได้รับการศึกษาในเชิงทฤษฎีเช่นกัน^{[ 2 ]}อย่างไรก็ตาม มิวออนยังคงถูกใช้บ่อยที่สุดสำหรับการถ่ายภาพ มากกว่าการบำบัด^{[ 3 ]}

การบำบัดด้วยอนุภาคทำงานโดยการเล็งอนุภาคไอออนไนซ์พลังงานสูงไปที่เนื้องอกเป้าหมาย^{[ 4 ​​] [ 5 ]}อนุภาคเหล่านี้ทำลายDNAของเซลล์เนื้อเยื่อ ซึ่งในที่สุดก็ทำให้เซลล์เหล่านั้นตาย เนื่องจากเซลล์มะเร็งมีความสามารถในการซ่อมแซม DNA ลดลง จึงมีความเสี่ยงต่อความเสียหายดังกล่าวเป็นพิเศษ

ภาพแสดงให้เห็นว่าลำแสงอิเล็กตรอน รังสีเอกซ์ หรือโปรตอนที่มีพลังงานต่างกัน (แสดงในหน่วย MeV ) สามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้อย่างไร อิเล็กตรอนมีระยะทำการสั้น จึงมีความสำคัญเฉพาะบริเวณใกล้ผิวหนังเท่านั้น (ดูการบำบัดด้วยอิเล็กตรอน ) รังสี เอก ซ์เบ ร็มส์ตรัลลิงสามารถทะลุทะลวงได้ลึกกว่า แต่ปริมาณรังสีที่เนื้อเยื่อดูดซับจะลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียลตามความหนาที่เพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน สำหรับโปรตอนและไอออนที่หนักกว่า ปริมาณรังสีจะเพิ่มขึ้นในขณะที่อนุภาคทะลุผ่านเนื้อเยื่อและสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นปริมาณรังสีจึงเพิ่มขึ้นตามความหนาที่เพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุดของแบร็ก (Bragg peak) ซึ่งเกิดขึ้นใกล้กับจุดสิ้นสุดของ ระยะทำการของอนุภาคหลังจากจุดสูงสุดของแบร็ก ปริมาณรังสีจะลดลงเหลือศูนย์ (สำหรับโปรตอน) หรือเกือบศูนย์ (สำหรับไอออนที่หนักกว่า)

ข้อดีของโปรไฟล์การสะสมพลังงานนี้คือมีการสะสมพลังงานน้อยลงในเนื้อเยื่อปกติที่อยู่รอบเนื้อเยื่อเป้าหมาย ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดขนาดยาให้กับเนื้องอกได้สูงขึ้นตามทฤษฎี ส่งผลให้อัตราการควบคุมโรคเฉพาะที่สูงขึ้น รวมถึงอัตราความเป็นพิษต่ำด้วย^{[ 6 ]}

ไอออนจะถูกเร่งความเร็วด้วยเครื่องเร่งอนุภาคแบบไซโคลตรอนหรือซินโครตรอน ก่อน พลังงานสุดท้ายของลำแสงอนุภาคที่เกิดขึ้นจะกำหนดความลึกของการทะลุทะลวง และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดตำแหน่งของการสะสมพลังงานสูงสุด เนื่องจากสามารถเบี่ยงเบนลำแสงได้ง่ายโดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางขวาง จึงสามารถใช้ วิธี การสแกนแบบแรสเตอร์ได้ กล่าวคือ สามารถสแกนพื้นที่เป้าหมายได้อย่างรวดเร็ว เช่นเดียวกับการสแกนลำแสงอิเล็กตรอนในหลอดรังสีแคโทดหากนอกจากนี้แล้ว พลังงานของลำแสงและด้วยเหตุนี้ความลึกของการทะลุทะลวงจึงเปลี่ยนแปลงไป ก็สามารถครอบคลุมปริมาตรเป้าหมายทั้งหมดในสามมิติ ทำให้การฉายรังสีเป็นไปตามรูปร่างของเนื้องอกอย่างแม่นยำ นี่เป็นหนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อเทียบกับการรักษาด้วยรังสีเอกซ์แบบดั้งเดิม

^{เมื่อสิ้นปี พ.ศ. 2551 มีสถานพยาบาล 28 แห่งที่เปิดให้บริการทั่วโลก และ มี}ผู้ป่วยมากกว่า 70,000 รายได้รับการรักษาด้วยไพอน [ ^{7 ] [ 8 ]}โปรตอนและไอออนหนัก การบำบัดส่วนใหญ่ดำเนินการโดยใช้โปรตอน^{[ 9 ]}

เมื่อสิ้นปี 2556 มีผู้ป่วย 105,000 รายได้รับการรักษาด้วยลำแสงโปรตอน^{[ 10 ]}และผู้ป่วยประมาณ 13,000 รายได้รับการรักษาด้วยคาร์บอนไอออน^{[ 11 ]}

ณ วันที่ 1 เมษายน 2558 มีสถานบริการสำหรับการบำบัดด้วยลำแสงโปรตอน 49 แห่งทั่วโลก รวมถึง 14 แห่งในสหรัฐอเมริกา และอีก 29 แห่งอยู่ระหว่างการก่อสร้าง สำหรับการบำบัดด้วยไอออนคาร์บอน มีศูนย์ที่ดำเนินการอยู่ 8 แห่ง และอยู่ระหว่างการก่อสร้าง 4 แห่ง^{[ 11 ]}ศูนย์บำบัดด้วยไอออนคาร์บอนมีอยู่ในญี่ปุ่น เยอรมนี อิตาลี และจีน หน่วยงานรัฐบาลกลางของสหรัฐอเมริกา 2 แห่งหวังที่จะกระตุ้นให้มีการจัดตั้งศูนย์บำบัดด้วยไอออนหนักอย่างน้อย 1 แห่งในสหรัฐอเมริกา^{[ 11 ]}

การบำบัดด้วยโปรตอนเป็นการบำบัดด้วยอนุภาคชนิดหนึ่งที่ใช้ลำแสงโปรตอนฉายรังสีเนื้อเยื่อที่เป็นโรคโดยส่วนใหญ่ใช้ในการรักษามะเร็งข้อได้เปรียบหลักของการบำบัดด้วยโปรตอนเหนือการฉายรังสีภายนอก ชนิดอื่น ๆ (เช่นการบำบัดด้วยรังสีหรือการบำบัดด้วยโฟตอน) คือปริมาณโปรตอนจะกระจายตัวในช่วงความลึกที่แคบ ซึ่งส่งผลให้ปริมาณรังสีที่เข้าสู่ ออก หรือกระจายไปยังเนื้อเยื่อปกติที่อยู่ใกล้เคียงมีน้อยที่สุด อัตราปริมาณรังสีสูงเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาการรักษามะเร็ง PSI ได้แสดงให้เห็นว่าสำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกในการบำบัดด้วยโปรตอนแบบไซโคลตรอนที่ใช้การระบายความร้อนด้วยโมเมนตัม สามารถบรรลุอัตราปริมาณรังสีที่น่าทึ่งถึง 952 Gy/s และ 2105 Gy/s ที่จุดสูงสุดของแบรกก์ (ในน้ำ) สำหรับลำแสง 70 MeV และ 230 MeV ตามลำดับ เมื่อรวมกับตัวกรองสันเฉพาะสนาม การบำบัดด้วยโปรตอน FLASH ที่ใช้จุดสูงสุดของแบรกก์จึงเป็นไปได้^{[ 12 ]}

การรักษาด้วยนิวตรอนเร็วใช้พลังงานนิวตรอน สูง โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 50 ถึง 70 MeVในการรักษามะเร็งลำแสงนิวตรอนเร็วส่วนใหญ่ผลิตจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ไซโคลตรอน (d+Be) และเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น ปัจจุบันการรักษาด้วยนิวตรอนมีให้บริการในเยอรมนี รัสเซีย แอฟริกาใต้ และสหรัฐอเมริกา ในสหรัฐอเมริกา ศูนย์การรักษาที่ยังคงเปิดให้บริการอยู่แห่งเดียวคือที่ซีแอตเติล รัฐวอชิงตัน ศูนย์ซีแอตเติลใช้ไซโคลตรอนซึ่งผลิตลำแสงโปรตอนพุ่งชนเป้าหมาย เบริลเลียม

การบำบัด ด้วยไอออนคาร์บอน (C-ion RT) ได้รับการบุกเบิกที่สถาบันวิทยาศาสตร์รังสีแห่งชาติ (NIRS) ในชิบะ ประเทศญี่ปุ่น ซึ่งเริ่มทำการรักษาผู้ป่วยด้วยลำแสงไอออนคาร์บอนในปี 1994 สถานที่แห่งนี้เป็นแห่งแรกที่ใช้ไอออนคาร์บอนในทางคลินิก ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการบำบัดด้วยอนุภาคสำหรับการรักษามะเร็ง ข้อดีในการรักษาของไอออนคาร์บอนได้รับการยอมรับมาก่อนหน้านี้ แต่ NIRS มีบทบาทสำคัญในการสร้างการประยุกต์ใช้ทางคลินิก^{[ 13 ] [ 14 ]}

ในยุโรปศูนย์วิจัยไอออนหนัก GSI Helmholtzในเมืองดาร์มสตัดท์ ประเทศเยอรมนี ได้พัฒนาและสาธิตการบำบัดด้วยไอออนคาร์บอนโดยอิสระ โดยทำการรักษาผู้ป่วยประมาณ 440 รายในสถานที่ดังกล่าวระหว่างปี 1997 ถึง 2008 และถ่ายทอดเทคโนโลยีไปยังศูนย์บำบัดด้วยลำแสงไอออนไฮเดลเบิร์ก (HIT) ในเมืองไฮเดลเบิร์ก ซึ่งเป็นศูนย์บำบัดด้วยลำแสงไอออนแห่งแรกของยุโรป^{[ 15 ] [ 16 ]}

C-ion RT ใช้อนุภาคที่มีมวลมากกว่าโปรตอนหรือนิวตรอน^{[ 17 ]}การรักษาด้วยรังสีไอออนคาร์บอนได้รับความสนใจทางวิทยาศาสตร์มากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากตัวเลือกการส่งมอบทางเทคโนโลยีได้รับการปรับปรุง และการศึกษาทางคลินิกได้แสดงให้เห็นถึงข้อดีในการรักษาโรคมะเร็งหลายชนิด เช่น มะเร็งต่อมลูกหมาก มะเร็งศีรษะและลำคอ มะเร็งปอดและตับ มะเร็งกระดูกและเนื้อเยื่ออ่อน มะเร็งทวารหนักที่กลับมาเป็นซ้ำในบริเวณเดิม และมะเร็งตับอ่อน รวมถึงโรคที่ลุกลามในบริเวณเดิม นอกจากนี้ยังมีข้อดีที่ชัดเจนในการรักษามะเร็งที่ดื้อต่อรังสีและขาดออกซิเจนซึ่งรักษาได้ยาก ในขณะเดียวกันก็เปิดโอกาสให้มีการรักษาแบบแบ่งส่วนน้อยลงอย่างมีนัยสำคัญสำหรับโรคปกติและไวต่อรังสี

ภายในกลางปี ​​2017 มีผู้ป่วยมากกว่า 15,000 รายได้รับการรักษาทั่วโลกในศูนย์ปฏิบัติการมากกว่า 8 แห่ง ญี่ปุ่นเป็นผู้นำที่โดดเด่นในด้านนี้ มีสถานพยาบาลรังสีไอออนหนัก 5 แห่งที่เปิดใช้งานอยู่ และมีแผนที่จะสร้างสถานพยาบาลเพิ่มเติมอีกหลายแห่งในอนาคตอันใกล้ ในเยอรมนี การรักษาประเภทนี้มีให้บริการที่ศูนย์รังสีไอออนไฮเดลเบิร์ก (HIT) และที่ศูนย์รังสีไอออนมาร์บูร์ก (MIT) ในอิตาลี ศูนย์แห่งชาติเพื่อการบำบัดด้วยอนุภาคหนักทางมะเร็ง (CNAO) ให้บริการการรักษาประเภทนี้ ในประเทศจีน ศูนย์โปรตอนและไอออนหนักเซี่ยงไฮ้ (SPHIC) เปิดให้บริการการรักษาในปี 2015 และออสเตรียจะเปิดศูนย์ CIRT ในปี 2017 โดยมีศูนย์ในเกาหลีใต้และไต้หวันที่จะเปิดให้บริการในเร็วๆ นี้ ปัจจุบันไม่มีสถานพยาบาล CIRT ใดที่ดำเนินการอยู่ในสหรัฐอเมริกา แต่หลายแห่งอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาต่างๆ ที่ Mayo Clinic ในแจ็กสันวิลล์ รัฐฟลอริดา มีแผนจะเริ่มการรักษาด้วยรังสีไอออนคาร์บอนครั้งแรกในอเมริกาเหนือในปี 2028 ^{[ 17 ] [ 18 ]}

จากมุมมองทางชีววิทยาของรังสี มีเหตุผลมากมายที่สนับสนุนการใช้ลำแสงไอออนหนักในการรักษาผู้ป่วยมะเร็ง การบำบัดด้วยโปรตอนและลำแสงไอออนหนักอื่นๆ ทั้งหมดแสดงจุดสูงสุดของ Bragg ที่กำหนดไว้ในร่างกาย ดังนั้นจึงส่งปริมาณรังสีที่ทำลายเซลล์มะเร็งได้สูงสุดที่หรือใกล้กับเนื้องอก ซึ่งช่วยลดรังสีที่เป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อปกติโดยรอบ อย่างไรก็ตาม ไอออนคาร์บอนหนักกว่าโปรตอน จึงให้ประสิทธิภาพทางชีวภาพสัมพัทธ์ (RBE) ที่สูงกว่า ซึ่งเพิ่มขึ้นตามความลึกจนถึงค่าสูงสุดที่ปลายช่วงของลำแสง ดังนั้น RBE ของลำแสงไอออนคาร์บอนจึงเพิ่มขึ้นเมื่อไอออนเคลื่อนที่ลึกเข้าไปในบริเวณที่มีเนื้องอก^{[ 19 ]} CIRT ให้การถ่ายโอนพลังงานเชิงเส้น (LET) สูงที่สุดในบรรดารูปแบบการฉายรังสีทางคลินิกที่มีอยู่ในปัจจุบัน^{[ 20 ]}การส่งพลังงานสูงไปยังเนื้องอกส่งผลให้เกิดการแตกของ DNA สองสายจำนวนมาก ซึ่งยากมากที่เนื้องอกจะซ่อมแซมได้ การฉายรังสีแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ทำให้เกิดการแตกของ DNA สายเดียว ซึ่งอาจทำให้เซลล์มะเร็งจำนวนมากรอดชีวิตได้ อัตราการตายของเซลล์ที่สูงขึ้นที่เกิดจาก CIRT อาจให้ลายเซ็นแอนติเจนที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเพื่อกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วย^{[ 21 ] [ 22 ]}

ความแม่นยำของการบำบัดด้วยอนุภาคของเนื้องอกที่อยู่ในบริเวณทรวงอกและช่องท้องได้รับผลกระทบอย่างมากจากการเคลื่อนที่ของเป้าหมาย การลดอิทธิพลเชิงลบนี้ต้องใช้เทคนิคขั้นสูงในการตรวจสอบตำแหน่งของเนื้องอก (เช่น การถ่ายภาพฟลูออโรสโคปของเครื่องหมายบ่งชี้รังสีที่ฝังไว้ หรือการตรวจจับด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของทรานสปอนเดอร์ที่ใส่เข้าไป) และการฉายรังสี (การควบคุมจังหวะ การสแกนซ้ำ การสแกนซ้ำแบบควบคุมจังหวะ และการติดตามเนื้องอก) ^{[ 23 ]}

• มหาวิทยาลัยทูโรประกาศเปิดศูนย์บำบัดด้วยอนุภาคแบบบูรณาการแห่งแรกในสหรัฐอเมริกา
• การประชุมประจำปีของ PTCOG