炭素線治療に使われる炭素線は、炭素線が持つ強力な電離作用によってX線よりも生物学的効果（RBE：Relative Biological Effectiveness）が強いことが分かっています。生物学的効果とは、放射線の種類により生物学的影響の強さが異なることを表すための指標です。炭素線治療では、この生物学的効果を考慮して照射する線量を決定しています。生物学的効果は電離作用の強さと関係していることが分かっています。炭素線はその軌跡に沿って電離作用の程度（LET：Linear Energy Transferで表される）が異なるため、照射される位置によって考慮する生物学的効果を変える必要があります。

炭素線の生物学的効果を予測するモデルはいくつかありますが、大阪重粒子線センターでは1997年に当センターの副センター長（当時：放射線医学総合研究所物理工学部）である金井達明博士が提唱したmixed beam model（通称：金井モデル）を採用しています。mixed beam modelは、唾液線がん細胞（HSG：Human Submandibular Gland cell）のX線と炭素線への反応をモデル化し、様々なエネルギーが混じり合う（すなわち異なる程度の電離作用が混じり合う）炭素線の照射領域において、生物学的効果を予測することを可能にしました。mixed beam modelは本邦の炭素線治療において長年臨床利用されてきました。

図１　強度変調粒子線治療の生物学的効果を確かめる実験風景。

大阪重粒子線センターではスキャニング照射法を採用しており、強度変調粒子線治療（IMPT：intensity modulated particle therapy）の臨床利用準備を進めています。強度変調粒子線治療では複数の照射を組み合わせて、任意の形状の照射領域を作成することができます。現状の炭素線照射法（SFUD：Single Field Uniform Dose）と比べて、治療領域へ線量をより集中させ、周辺の領域の線量をより落とすことができ、治療効果の向上が期待されています。mixed beam modelを強度変調粒子線治療の生物学的効果予測に適用した例は世界的に見てもなく、治療計画装置で予測した生物学的効果が正しく計算されているかを細胞照射実験において検証しています（図１）。細胞照射実験は、これまで放射線に対する細胞の反応についての報告が多数ある、大阪大学大学院医学系研究科放射線治療学講座及び重粒子線治療学寄附講座と共同研究という形で進めています。

図２　正常細胞に対する生物学的効果を確かめる実験風景。

mixed beam modelは腫瘍細胞の１つである唾液線がん細胞の放射線に対する反応をモデル化しました。しかし一般的に腫瘍細胞と正常細胞の放射線への反応は異なると考えられています。正常細胞の放射線への反応をモデル化できれば、正常臓器への放射線量のさらなる減少と副作用の低減が期待できます。正常細胞の放射線への反応をモデル化することは難しく、あまり調べられてきませんでした。共同研究施設である大阪大学大学院医学系研究科放射線治療学講座及び重粒子線治療学寄附講座では、これまでに特定の正常細胞に対して放射線への反応を評価する方法を確立しました。この手法を利用し、現在正常細胞に対する放射線への反応を調べています（図２）。