近日，四川大学胡智民研究团队联合四川省肿瘤医院，在应用物理领域知名期刊《Applied Physics Letters》发表“质子猫”（Proton-CAT）新型质子放疗技术最新研究成果：借助蒙特卡罗模拟与体外细胞实验，进一步揭示了该技术的DNA损伤增强机制，并完成生物学效应的初步实验验证。

“质子猫”的研发历程

图1  “质子猫”技术研发时间线

       2022年起，团队围绕氮-15（¹⁵N）标记化合物在质子放疗中的应用布局相关发明专利；2024年，四川大学联合四川省肿瘤医院、华西医院、华西第四医院以及瀚海聚能组建专项研发团队，项目获四川省核医疗全产业链攻坚工程项目资助支持。

        2025年8月，团队在《Applied Physics Letters》发表首篇Proton-CAT蒙特卡罗模拟研究论文；2025年2月至2026年5月，依托四川大学3MV串列加速器与四川省肿瘤医院质子照射平台，先后完成6轮生物实验。论文第一作者、四川大学博士生董浪表示：“从核反应公式到细胞实验里可观测的抑瘤效果，每一步都是把跨学科设想照进现实的过程。”

让质子在肿瘤区域产生高RBE的碳离子与阿尔法粒子

       质子放疗可将治疗剂量高度集中于肿瘤靶区，但相对生物学效应（RBE）仍有提升空间，而碳离子治疗设备建设与运维成本高昂。Proton-CAT技术的核心思路，是保留质子治疗的物理优势，通过肿瘤局部核反应，原位生成高RBE的碳离子与α粒子。

       该技术以¹⁵N标记谷氨酰胺（¹⁵N-Gln）为靶向载体，利用肿瘤细胞对谷氨酰胺的强摄取特性使其在肿瘤内富集；质子束入射后发生核反应 p + ¹⁵N → ¹²C + α + 5.0 MeV，在肿瘤原位产生短射程的¹²C离子与α粒子，显著加剧DNA损伤的复杂程度。

图2 “质子猫”DNA损伤原理示意图

       研究搭建了衔接组织尺度粒子输运与单细胞DNA损伤响应的多尺度计算框架，基于Geant4-DNA工具包结合DBSCAN聚类算法，量化不同粒子对DNA损伤的贡献。

       计算结果表明，¹⁵N占比越高，α粒子与¹²C离子造成的DNA损伤越严重：在30%¹⁵N模型下，二者诱导的复杂双链断裂数量较纯水对照组分别提升175.19%和52.94%。

      为在细胞层面验证模拟结论，研究选取人胶质母细胞瘤U87-MG细胞，依托四川省肿瘤医院临床质子加速器开展体外辐照实验。结果显示，¹⁵N-Gln预处理未见明显急性毒性；同等辐照剂量下，经预处理的肿瘤细胞活性显著更低，2 Gy照射下较空白对照组净下降约15.41%，初步印证了该技术的生物学增强效应。

图3 不同¹⁵N模型下α粒子和¹²C离子诱导的DNA损伤

图4 ¹⁵N-Gln联合质子照射后的U87-MG细胞活性

 医工交叉协同，持续推进实验验证

      后续团队将依托现有质子科研平台，围绕靶向递送、照射方案优化与生物学效应评价持续攻关，为增强质子放疗生物学疗效探索全新路径。

团队代表性论文：

1. Simulation of complex DNA damage enhancement and in vitro cell viability validation for Proton‑CAT, Applied Physics Letters 129, 174101 (2026)

2. Proton-CAT: A strategy for enhanced proton therapy, Applied Physics Letters 127, 073701 (2025)