理论物理有什么用？例如检查癌症

合集 · 解读科技问题 (79)

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什么叫弱相互作用？李政道先生不久前离开了我们，他获得诺贝尔奖的原因就是发现弱相互作用下宇称不守恒。
	弱相互作用是人类已知的四种基本相互作用之一，它可以引起亚原子粒子的衰变，例如β衰变。所谓β粒子就是电子，所以β衰变就是原子核自发地放射出电子或正电子的转变。它可以分为两类：放出电子的称为β-衰变，放出正电子的称为β+衰变。我们下面要讲的“正电子发射断层扫描”技术，用的就是β+衰变。
	正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，简称PET），是一种医学临床检查的成像技术。PET有巨大的优点，它是目前唯一的用解剖形态方式进行功能、代谢和受体显像的技术，无创伤，并能提供全身三维功能运作图像。它既是医学工具，也是研究工具，在肿瘤学临床医学影像和癌扩散研究等方面有大量的应用。下面，我们来介绍一下它为什么能确定肿瘤位置。
	当注射到人体内的放射性同位素经历β+衰变时，它会发出一个正电子。正电子是电子的反粒子，它的质量、自旋等性质都跟电子一样，但电荷相反，即它携带一个单位正电荷。正电子与电子相遇时，双方就会湮灭，产生一对光子，射向相反的两个方向。当这些光子遇到探测器中的闪烁晶体物质时，会产生光亮，从而被光敏感的光电倍增管或雪崩光电二极管探测到。这就是扫描器的探测机制。
	在进行肿瘤诊断时，首先要给患者注射一种显影剂，叫做氟代脱氧葡萄糖（简称18F-FDG或FDG）。氟化脱氧葡萄糖的意思是，把葡萄糖的一个羟基即-OH，用氟的放射性同位素F-18取代。这种同位素具有放射性，会发生β+衰变，射出正电子。
	当 FDG 进入细胞后，会被己糖激酶磷酸化为 FDG-6-磷酸。如果是常规的葡萄糖，就会继续代谢，但这里的酶不能识别 FDG-6-磷酸，所以它就会停在这一步，不会继续参与糖酵解和其他代谢途径。此外，它也不能通过细胞膜上的通道蛋白被运出细胞。这是为什么呢？因为它带有电荷，细胞膜的磷脂双分子层具有疏水的内部环境，带电物质在这种环境中难以自由扩散通过。因此，一旦氟化脱氧葡萄糖进入细胞，在F-18发生β衰变前，都会以磷酸化的形式留在细胞内。
	这跟癌症检测有什么关系呢？癌细胞跟正常细胞的区别是，它的代谢更旺盛，对葡萄糖的消耗更高。所以肿瘤患者在注射氟化脱氧葡萄糖后，癌细胞聚集的部位会摄入更多的氟化脱氧葡萄糖。我们利用PET检测出放射性强的部位，就可以确定肿瘤的位置，从而进行针对性的治疗。
	以上我们谈的，就是理论物理对医学的一个作用。希望当大家提起李政道先生，不仅能想到诺贝尔奖的激励作用，还能想到弱相互作用对肿瘤患者带来福音。这就像法拉第的那个故事：法拉第发现电磁感应的时候，有人问他：这东西有什么用呢？法拉第的回答是：新出生的婴儿有什么用呢？