양성자 치료

3. 작동 원리

양성자 치료는 입자 가속기를 사용하여 양성자 빔으로 종양을 표적으로 삼는 이온화 방사선을 이용한 외부 빔 방사선 치료의 일종이다.^[4][5] 이 하전 입자들은 세포의 DNA를 손상시켜 세포를 죽이거나 생식을 멈추게 하여 종양을 제거한다. 세포 분열 속도가 빠르고 DNA 손상 복구 능력이 제한된 암세포는 DNA 공격에 특히 취약하다. DNA 복구에 특정 결함이 있는 일부 암은 양성자 방사선에 더 민감할 수 있다.^[6]

양성자 치료는 종양의 모양과 깊이에 맞게 방사선을 전달하여 주변 정상 조직을 최대한 보호한다.^[7] 예를 들어, 양성자 치료는 강도 조절 방사선 치료(IMRT) 및 용적 조절 아크 치료(VMAT)와 같은 광자 치료법과 비교했을 때, 종양에 유사하거나 더 높은 방사선량을 전달하면서 전체 신체 방사선량은 50%-60% 더 낮출 수 있다.^[8][1]

양성자는 에너지 전달을 종양 모양에 맞춰 집중시켜 주변 조직에는 낮은 선량의 방사선만 전달한다. 주어진 에너지의 모든 양성자는 특정 침투 범위를 가지며, 해당 거리를 넘어서는 양성자는 거의 없다.^[10] 조직에 전달되는 흡수 선량은 입자 범위의 마지막 몇 밀리미터에서 최대화되며, 이를 ''확산된 브래그 피크''(SOBP)라고 한다.^[9]

3. 1. 장비

3. 2. FLASH 치료

4. 치료 방식

양성자 치료는 크게 수동 산란 방식과 펜슬 빔 스캐닝 방식으로 나눌 수 있다. 양성자 치료는 중에너지(250eV 정도)의 양성자선을 종양에 조사하여 브래그 피크를 일치시켜 방사선으로 치료하는 방식이다. 이 방식은 정상 세포의 손상을 억제하면서 종양 세포를 효과적으로 치료할 수 있다.

4. 1. 수동 산란 방식 (Passive scattering beam delivery)

4. 2. 펜슬 빔 스캐닝 방식 (Pencil beam scanning beam delivery)

5. 다른 치료법과의 비교

펜실베이니아 대학교와 세인트루이스 워싱턴 대학교 연구팀은 JAMA 종양학에 발표한 대규모 연구를 통해 동시 화학방사선 요법 환경에서 양성자 치료가 광자 치료에 비해 90일 이내 계획에 없던 입원 및 전체 생존율 감소와 관련이 있는지 평가했다.^[79] 이 연구는 치료 의도로 동시 화학방사선 요법을 받은 국소 진행성 비전이성 암 환자 1483명을 대상으로 했으며, 양성자 화학방사선 요법이 급성 부작용을 줄여 계획에 없던 입원을 감소시키고, 무병 생존율 및 전체 생존율은 유사한 결과를 보였다고 결론지었다.

대한민국 국립암센터의 3상 무작위 대조 임상시험에서는 재발성 간세포암에 대해 양성자 빔 치료(PBT)와 고주파 절제술(RFA)을 비교한 결과, 양성자군이 2년 국소 무진행 생존율이 더 높았으며, PBT가 RFA에 비해 국소 무진행 생존율 및 안전성 측면에서 열등하지 않아 재발성 소형 간세포암 환자에게 적용할 수 있음을 보여주었다.^[80]

텍사스 대학교 MD 앤더슨 암센터의 2B상 무작위 대조 임상시험에서는 국소 진행성 식도암에 대한 양성자 빔 치료와 세기 조절 방사선 치료(IMRT)를 비교했는데, 양성자 빔 치료가 IMRT에 비해 부작용 위험과 심각성을 줄이면서도 유사한 무진행 생존율을 유지하는 것으로 나타났다.^[81] 교모세포종에 대한 광자 대 양성자를 비교하는 2상 무작위 대조 임상시험에서는 심각한 림프구 감소증 위험이 있는 환자가 양성자 치료의 혜택을 받을 수 있다고 결론지었다.^[82]

스탠퍼드 대학교 연구팀은 국립 암 데이터베이스를 통해 9가지 종양 유형(두경부, 위장관, 부인과, 림프종, 폐, 전립선, 유방, 골/연조직, 뇌/중추신경계)에 대한 1차 암 치료 후 2차 암 발생 위험을 평가했는데, 총 450,373명의 환자를 대상으로 한 이 연구에서는 양성자 치료가 2차 암 발생 위험 감소와 관련이 있다고 결론지었다.^[83]

최근에는 IMRT 및 IMPT의 비교 치료 계획을 정상 조직 합병증 확률(NTCP) 모델과 결합하여 양성자 치료의 혜택을 가장 크게 받을 수 있는 환자를 식별하는 '모델 기반 선택' 방법이 도입되었다.^[84][85]

2020년 8월 현재 완료된 무작위 대조 임상시험은 제한적이지만, 아래와 같이 여러 질환에 대해 양성자 치료와 광자 방사선 치료의 비교 효능을 검토하기 위한 임상 시험이 진행 중이다.

5. 1. X선 방사선 치료

5. 2. 수술

5. 3. 비교 연구 및 임상 시험

6. 적용

의사들은 방사선 고용량에 잘 반응하는 질병 부위(용량 증량)와 양성자 치료의 정밀성을 이용하여 정상 조직에 대한 용량을 줄여 부작용을 줄이는 치료에 양성자를 사용한다.^[31] 양성자 치료는 에너지 전달을 종양의 모양에 맞게 집중시켜 주변 조직에 낮은 선량의 방사선만 전달할 수 있다. 주어진 에너지의 모든 양성자는 특정 침투 범위를 가지며, 해당 거리를 넘어서는 양성자는 거의 없다.^[10] 또한, 조직에 전달되는 흡수 선량은 입자의 범위 마지막 몇 밀리미터에서만 최대화되며, 이 최대값을 ''확산된 브래그 피크''(SOBP)라고 한다.^[9]

더 깊은 곳에 있는 종양을 치료하려면 더 높은 에너지(70~250 MeV)를 가진 빔이 필요하다. 치료 중 양성자 에너지를 조절하면 종양 내 세포 손상이 최대화된다. 종양보다 신체 표면에 가까운 조직은 방사선을 덜 받으므로 손상도 적다. 신체 더 깊은 곳의 조직은 양성자를 거의 받지 않으므로 선량은 측정할 수 없을 정도로 작아진다.^[10]

2019년 말까지 약 20만 명의 환자가 양성자 치료를 받았다.

양성자선 치료는 위암, 소장암, 대장암의 원발 부위에는 적용되지 않는다. 위나 장은 항상 움직이고 있어 정확하게 조사하기 어렵고, 천공의 위험성도 있기 때문이다.^[194]

양성자 치료는 다음과 같은 암 치료에 적용될 수 있다.

• 뇌종양
• 두경부(코·입·목·상하 턱·귀) 암
• 식도암
• 비소세포폐암
• 간암
• 췌장암
• 전립선암
• 기타

6. 1. 용량 증량이 필요한 질환

6. 2. 부작용 감소를 위한 치료

6. 3. 특정 질환

• '''소아암:''' 양성자 치료는 기존 방사선 치료의 장기적인 부작용을 줄이기 위해 사용된다. 이러한 부작용에는 성장 장애, 신경 인지 독성, 이독성(귀의 독성), 신장/내분비/생식 기능 장애, 방사선 유발 이차 악성 종양(새로운 암 발생) 등이 있다.^[31]
• '''눈 종양:''' 눈 종양 치료에는 비교적 낮은 에너지의 양성자(약 70MeV)가 필요하다.^[22] 영상 유도 입자 치료에서 눈의 정렬을 평가하는 정교한 방법이 필요하며, 이는 환자의 시력을 보존하기 위해 시신경과 같은 민감한 조직에 방사선이 닿지 않도록 하기 위함이다.^[39] 양성자 치료는 망막아세포종^[41] 및 안구 내 흑색종^[42]에 대한 치료 옵션이며, 눈의 민감한 구조를 보존하면서 종양을 효과적으로 치료할 수 있다는 장점이 있다.^[43] 안구 흑색종의 경우 "표준 치료법"으로 설명되기도 한다.^[44][45]
• '''두개저 암:''' 양성자 치료는 방사선 부작용을 줄이기 위해 사용된다. 이러한 부작용에는 뇌하수체 호르몬 기능 장애, 시야 결손, 뇌 신경병증, 방사선 유발 골육종, 골괴사 등이 있다.^[31]
• '''두경부 종양:''' 양성자 치료는 종양에서 멀리 떨어진 정상 조직을 보호할 수 있기 때문에 해부학적 제약이 있는 두경부 종양에 특히 유용하다. 재발성 두경부 암의 경우, 주변 조직에 대한 선량을 최소화하면서 종양에 집중된 방사선량을 최대화할 수 있어 여러 번 방사선 치료를 받은 환자에게도 최소한의 급성 독성을 보인다.^[52]
• '''좌측 유방암:''' 일반 방사선 치료 시 왼쪽 유방 근처의 폐와 심장이 광자 방사선 손상을 입을 수 있다. 양성자 치료는 이러한 위험을 줄이기 위해 사용된다.^[53] 최근 연구에 따르면 양성자 치료는 인접한 건강한 조직에 대한 독성이 낮고 일반 방사선 치료와 유사한 질병 관리율을 보인다.^[54]
• '''림프종:''' 화학 요법이 주요 치료법이지만, 공고적 방사선 치료는 호지킨 림프종 및 공격적인 비호지킨 림프종에서 자주 사용된다. 양성자 치료는 후기 정상 조직 손상 위험을 감소시킨다.^[59]
• '''전립선암:''' 직장 및 비뇨생식기 손상 감소에 대한 연구 결과가 있지만, 전립선 움직임 등으로 인해 정밀도 이점이 상쇄될 수 있다는 의견도 있다.^{[60][61][62][63]}
• '''위장관 악성 종양:''' 양성자 치료는 위험 장기에 대한 방사선량을 줄여 화학 요법 용량 증량 또는 새로운 화학 요법 조합을 가능하게 한다.^[69]
• '''간세포암:''' 양성자 치료는 국소 종양 조절, 무진행 생존율, 전체 생존율과 관련하여 유리한 결과를 보인다.^{[80][70][71][72]}
• '''재발암 재조사:''' 초기 방사선 치료 후 국소 또는 국소 재발이 발생한 환자에게 잠재적으로 치료 가능한 치료 옵션이다. 특히, 연필 빔 스캐닝이 재조사에 이상적으로 적합할 수 있다.^[75]

7. 부작용 및 위험

양성자 치료는 외부 빔 방사선 치료의 한 종류이므로, 다른 형태의 방사선 치료와 마찬가지로 위험과 부작용을 수반한다.^[109] 브래그 피크를 최대한 활용하기 때문에, 심부 조직 종양의 경우 치료 영역 밖의 선량이 X선 치료보다 현저히 적을 수 있다.^[109]

양성자 치료는 40년 이상 사용되어 온 성숙된 기술이지만, 방사선과 종양 및 정상 조직의 상호 작용에 대한 이해는 여전히 불완전하다.^[109] 2016년 진료 보수 개정으로 소아암에 대한 양성자선 치료가 공적 의료 보험의 대상이 되었다.^[194]

생물학적 효과는 X선 조사에 비해 양성자선이 1.1배, 중입자선이 3배로 여겨진다.^[194] 위암, 소장암, 대장암의 경우, 위나 장은 항상 움직이고 있어 정확하게 조사하기 어렵고 천공의 위험성도 있어 원발 부위에는 양성자 치료를 실시하지 않는다.^[194]

8. 비용

역사적으로 양성자 치료는 비용이 많이 드는 치료법이었다. Goitein & Jermann의 분석에 따르면 양성자 치료는 X선 치료에 비해 약 2.4배 더 많은 비용이 소요되었다.^[200] 그러나, 더 새롭고 소형화된 양성자 빔원(beam source) 기술이 개발되면서 비용이 4~5배 정도 저렴해졌고, 더 정밀한 3차원 목표 지정이 가능해졌다.^[201][202]

2003년 분석에 따르면, 양성자 치료 비용은 X선 치료의 약 2.4배였다.^[110] 하지만 더 저렴하고 많은 양성자 치료 센터가 설립되면서 비용이 낮아지고 있으며, 더욱 정확한 3차원 표적 치료가 가능해졌다. 또한, 더 적은 치료 세션(1/3 이하)에서 더 높은 양성자 선량을 사용하는 것도 비용 절감에 기여하고 있다.^[111][112] 따라서, 더 발전된 양성자 기술이 보편화됨에 따라 비용은 더욱 감소할 것으로 예상된다. 2005년의 한 분석에서는 양성자 치료 비용이 비현실적인 수준이 아니며, 환자가 이 기술을 이용하지 못하게 하는 이유가 되어서는 안 된다고 결론 내렸다.^[113] 일부 임상 상황에서는 양성자 빔 치료가 다른 치료법보다 확실히 우수하다.^[114][115]

2007년의 한 연구에서는 전립선암에 대한 양성자 치료의 효과에 대해 우려를 제기했지만,^[116] 향상된 스캔 기술 및 보다 정확한 선량 전달('연필 빔 스캔')과 같은 기술 발전으로 인해 이러한 상황이 상당히 개선될 수 있다.^[117] 하버드 대학교의 보건 경제학자 아미타브 찬드라는 "양성자 빔 치료는 미국의 의료 기술의 데스 스타와 같다... 미국의 의료에서 우리가 겪고 있는 모든 문제에 대한 은유이다."라고 말했다.^[118] 양성자 치료는 일부 암 유형에 대해서는 비용 효율적이지만, 모든 암에 해당하는 것은 아니다.^[119][120] 특히, 전립선암 치료의 경우 다른 치료법이 더 나은 전반적인 가치를 제공할 수 있다.^[119]

2018년 기준으로 단일 룸 입자 치료 시스템의 비용은 4000만달러이며, 다중 룸 시스템은 최대 2억달러의 비용이 소요된다.^[121][122]

9. 치료 센터

2020년 8월 기준으로 전 세계적으로 89개 이상의 입자 치료 시설이 있으며, 최소 41개가 건설 중이다.^[125] 암 치료에 양성자를 보편적으로 사용하는 데 걸림돌이 되는 요인 중 하나는 필요한 사이클로트론 또는 싱크로트론 장비의 크기와 비용이다.

일본의 경우, 쓰쿠바 대학 양성자선 의학 이용 연구 센터, 국립암연구센터 동병원, 시즈오카 현립 시즈오카 암센터 등 여러 곳에 양성자 치료 시설이 있다.

9. 1. 대한민국

9. 2. 미국

9. 3. 기타 국가

• 스위스 파울 쉐러 연구소는 1984년부터 양성자 치료를 시작했다.^[195]
• 영국 클래터브리지 암 센터 NHS 재단 트러스트는 1989년부터 양성자 치료를 제공하고 있다.^[195]
• 프랑스 퀴리 연구소 프로톤 치료 센터는 1991년에 설립되었다.^[195]
• 일본 전하 입자 치료 연구 센터는 1994년에 설립되었다.^[195]
• 캐나다 TRIUMF는 1995년부터 양성자 치료를 시작했다.^[195]
• 독일 헬름홀츠 베를린 센터는 1998년부터 양성자 치료 시설을 운영하고 있다.^[195]
• 일본의 경우, 쓰쿠바 대학 양성자선 의학 이용 연구 센터, 국립암연구센터 동병원, 시즈오카 현립 시즈오카 암센터, 와카사만 에너지 연구 센터, 효고 현립 입자선 의료 센터, 남토호쿠 암 양성자선 치료 센터, 아이자와 병원, 나고야 양성자선 치료 센터, 메디폴리스 국제 양성자선 치료 센터, 후쿠이 현립 병원, 오사카 양성자선 클리닉 (2017년 9월 가동 개시), 교토부립 의과대학 부속 병원 나가모리 기념 최첨단 암 치료 연구 센터 (2019년 가동 예정), 쇼난 가마쿠라 종합 병원 등에서 양성자 치료를 제공하거나 제공할 예정이다. 그 외에도 홋카이도 대학 병원 양성자선 치료 센터, 삿포로 테이신카이 병원 양성자선 치료 센터, 홋카이도 오노 기념 병원 삿포로 고기능 방사선 센터, 남토호쿠 암 양성자선 치료 센터, 타카이 병원, 효고 현립 입자선 의료 센터 부속 고베 양성자선 센터, 오카야마 대학·쓰야마 중앙 병원 공동 운용 암 양성자선 치료 센터, 메디폴리스 암 입자선 치료 연구 센터 등에서 양성자 치료를 제공하고 있다.

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