Radiācijas terapijas metodes galvenokārt iedala pēc izmantotā jonizējošā starojuma veida. Visplašāk izmantotā konvencionālā radiācijas terapija pielieto rentgenstarojuma fotonu kūļus. Salīdzinot ar konvencionālo radiācijas terapiju, daļiņu terapija pielieto pozitīvi lādētu daļiņu – protonu vai smagāku jonu (piemēram, oglekļa) – starojuma kūļus onkoloģisku slimību ārstēšanai. Daļiņu terapija nereti tiek dēvēta arī par hadronu terapiju, ar hadronu apzīmējot jebkuru saliktu subatomāru daļiņu no diviem vai vairāk kvarkiem. Atkarībā no izmantotās pozitīvi lādētās daļiņas jeb jona, daļiņu terapiju var iedalīt protonu terapijā un smago jonu terapijā, smago jonu terapijā visbiežāk izmantojot oglekļa-12 jonus.

Lai gan galvenie principi visām daļiņu terapijas metodēm ir līdzīgi, tās parasti tiek iedalītas pēc izmantotā daļiņu (jonu) veida – protonu terapijā un smago jonu terapijā. Mūsdienās ar smago jonu terapiju tiek saprasta oglekļa-12 jonu izmantošana – oglekļa jonu terapija. Protonu un smago jonu terapiju galvenā atšķirība ir izmantotais cirkulārā daļiņu paātrinātāja veids, taču citas atšķirības saistītas arī ar radiobioloģiskiem efektiem un klīniskām indikācijām, kam metode tiek pielietota. Protonu terapijā visbiežāk tiek izmantoti ciklotroni, savukārt smago jonu terapijā – sinhrotroni.

Smago jonu terapiju sīkāk var iedalīt pēc izmantotā jona veida. Lai arī mūsdienās klīniski tiek izmantoti oglekļa-12 joni, zinātniskie pētījumi ir vērsti arī uz hēlija-4 un skābekļa-16 jonu terapijas attīstīšanu. Zinātniskās izpētes stadijā ir arī multijonu terapija, vienā terapijas plānā vienlaicīgi izmantojot dažādu jonu veidus (piemēram, hēliju-4, oglekli-12 un skābekli-16).

Daļiņu terapijas attīstība vēsturiski ir cieši saistīta arī ar konvencionālās – rentgenstarojuma – radiācijas terapijas attīstību. Konvencionālās radiācijas terapijas attīstība aizsākās ar Vilhelma Konrāda Rentgena (Wilhelm Conrad Röntgen) atklāto rentgenstarojumu 1895. gadā. Tuvojoties mūsdienu konvencionālajai terapijai, 1951. gadā tika aizsākta kobalta-60 terapija, savukārt 1953. gadā tika veiktas pirmās klīniskās procedūras ar lineārajiem elektronu paātrinātājiem, kas ir mūsdienu konvencionālās radiācijas terapijas pamats.

Daļiņu terapijas sākotnējā attīstība ir cieši saistīta ar vairākiem atklājumiem fizikā. 1917. gadā Ernesta Raterforda (Ernest Rutherford) eksperimenti atklāja protonus kā vienas no atomu kodolu veidojošām daļiņām. Viens no visbūtiskākajiem atklājumiem, kas ir daļiņu terapijas pamatā, ir saistīts ar 1898. gadā Pjēra Kirī (Pierre Curie) un Marijas Kirī (Marie Curie) atklāto rādiju. Radioaktīvais rādijs sabrūk α-sabrukšanas ceļā, emitējot α daļiņas – hēlija-4 kodolus. 1904. gadā Viljams Henrijs Bregs (William Henry Bragg) publicēja zinātnisku atklājumu par telpisko jonizācijas (dozas) sadalījumu gaisā, ko rada rādija emitētās α daļiņas. Eksperimentāli tika parādīts, ka α daļiņām piemīt galīgs telpiskais noskrējiens, kā arī augstāka jonizācijas spēja raksturīga, tuvojoties noskrējiena beigām. Šis fizikālais fenomens tiek dēvēts par Brega pīķi (Bragg peak) – elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ lādētas daļiņas lielāko daļu savas enerģijas atdod noteiktā materiāla dziļumā, un šis dziļums ir atkarīgs no daļiņu sākotnējās enerģijas. Brega pīķa fenomens ir galvenais iemesls daļiņu terapijas izstrādei.

Daļiņu terapijas pirmsākumus būtiski ietekmēja arī vairāki tehnoloģiski atklājumi saistībā ar daļiņu paātrinātājiem. Daļiņu paātrinātāji ir neatņemama terapijas nodrošināšanas sastāvdaļa, lai nodrošinātu pietiekamu daļiņu kinētisko enerģiju klīniskam pielietojumam. 1947. gadā Luiss Valters Alvaress (Luis Walter Alvarez) izveidoja protonu lineārā paātrinātāja prototipu, sasniedzot tā laika enerģijas rekordu – 31,5 megaelektronvoltus (MeV). 1929. gadā Ernests Orlando Lorenss (Ernest Orlando Lawrence) izgudroja ciklotronu – cirkulāru daļiņu paātrinātāju, kas spēj paātrināt pozitīvi lādētas daļiņas līdz augstām enerģijām. Balstoties šajā principā, 20. gs. 30. gados Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā (Lawrence Berkeley National Laboratory) tika uzbūvēts ciklotrons 60 collu diametrā, kas vēlāk, 20. gs. 40. gados, tika pārbūvēts kā 184 collu diametra sinhrociklotrons. Sinhrotronu – otra veida cirkulāro paātrinātāju, kas tiek izmantots smago jonu terapijā, – konceptuāli izstrādāja Vladimirs Vekslers (krievu Владимир Иосифович Векслер) 1944. gadā.

Brega pīķa fenomena potenciālo klīnisko pielietojumu pirmo reizi konceptuāli izstrādāja fiziķis Roberts Ratbans Vilsons (Robert Rathbun Wilson) 1946. gadā. Balstoties uz fundamentālā Brega pīķa fenomenu – protoniem –, R. R. Vilsons uzsvēra, ka šāda veida terapijā maksimālā doza būtu lokalizēta noteiktā dziļumā, šo dziļumu mainot ar enerģijas modulāciju. 1948. gadā protonu terapijas koncepts tika bioloģiski validēts pirmsklīniskos eksperimentos ar 184 collu sinhrociklotronu, un 1954. gadā protonu terapija tika pirmo reizi klīniski izmantota terapeitiskā nolūkā. Laikā no 1954. līdz 1957. gadam Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā kopumā 30 pacienti tika ārstēti ar protonu terapiju.

Pētījumi Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā sniedza būtisku pienesumu arī smago jonu terapijas attīstībā. 1957. gadā laboratorijas sinhrociklotrons tika pielāgots, lai nodrošinātu hēlija jonu paātrināšanu. 20. gs. 70. un 80. gados tehnoloģiskā attīstība daļiņu terapijas pētījumos Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā bija vērsta uz sinhrotrona “Bevatron” izveidi, kas spētu paātrināt ķīmisko elementu jonus līdz pat urānam. 1975. gadā tika uzsākti klīniskie pētījumi terapijai ar oglekļa-12 un neona-20 joniem, 1979. un 1982. gadā pētot arī potenciālo pielietojumu attiecīgi argona-40 un silīcija-28 joniem. Šajos sākotnējos pētījumos oglekļa-12 joni tika noteikti kā optimālākie un terapeitiski efektīvākie smago jonu terapijā, izmantojot pieejamās kūļa piegādes tehnoloģijas.

Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijas pētījumi noslēdzās 1992. gadā ar vairāk nekā 2500 ārstētiem pacientiem. Šie pētījumi aizsāka plašāku protonu un oglekļa-12 jonu terapijas metožu pārnešanu klīniskajā praksē. 1990. gadā tika uzbūvēta pirmā protonu terapijas iekārta, kas atrodas klīniskajā slimnīcā – Lomas Lindas Universitātes Medicīnas centrā (Loma Linda University Medical Center) Kalifornijā, Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV). Savukārt 1994. gadā oglekļa-12 jonu terapija tika ieviesta Japānā, Nacionālajā kvantu un radioloģijas zinātņu un tehnoloģiju institūtā (japāņu 量子科学技術研究開発機構, Ryōshi Kagaku Gijutsu Kenkyū Kaihatsu Kikō, angļu National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology). Protonu terapijas iekārtas komerciāli ir pieejamas no 2001. gada. Komerciālas smago – oglekļa-12 – jonu iekārtas ir pieejamas tikai no 21. gs. otrās desmitgades. Eiropas smago jonu terapijas centri nav komerciāli, nodrošinot oglekļa-12 jonu terapiju Helmholcas Smago jonu izpētes centrā (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, dibināts kā Smago jonu pētniecības biedrība, Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI, Vācija, kopš 1997. gada), Heidelbergas Jonu terapijas centrā (Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum, HIT, Vācija, kopš 2009. gada), Nacionālajā onkoloģiskās hadronu terapijas centrā (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, CNAO, Itālija, kopš 2012. gada), Marburgas Jonu staru terapijas centrā (Marburger Ionenstrahl-Therapiezentrum, MIT, Vācija, kopš 2015. gada) un MedAustron (Austrija, kopš 2019. gada).

Svarīgs aspekts daļiņu terapijas vēsturē ir arī kūļa piegādes tehnoloģiju attīstība. Kopš pirmajiem pētījumiem sākotnēji daļiņu terapijā tika pielietotas pasīvās kūļa izkliedes metodes. 1996. gadā Paula Šerrera institūtā (Paul Scherrer Institute, PSI) tika ieviesta aktīvā zīmuļkūļa skenēšanas metode, kas mūsdienās nodrošina konformālāko starojuma piegādes metodi daļiņu terapijā – intensitātes modulētu terapiju.

Fizikāli daļiņu terapijas pamatprincips balstās V. H. Brega atklājumā – Brega pīķī. Protonu un smago jonu dozas sadalījums pacienta anatomijā noteiktā dziļumā ir ar izteiktu maksimumu, kas ir atkarīgs no sākotnējās enerģijas. Brega pīķa dozas maksimums ir relatīvi šaurs, salīdzinot ar audzēja formu, tāpēc parasti tiek pielietots paplašinātais Brega pīķis (spread out Bragg peak, SOBP) – vairāku enerģiju superpozīcija, lai nodrošinātu audzēja formai atbilstošu dozas sadalījumu. Daļiņu terapijas plānošanas procesā ir svarīga matemātiskā sakarība starp sākotnēju daļiņu enerģiju un Brega pīķa pozīciju. Šī sakarība ir nosakāma pēc Bētes–Bloha vienādojuma (Bethe–Bloch formula), kas apraksta daļiņu bremzēšanās jaudu elektromagnētiskās mijiedarbības rezultātā.

Daļiņu terapijas iekārtu, it īpaši daļiņu paātrinātāju, darbības pamatā ir elektromagnētisma pamatlikumi – Lorenca spēks (Lorentz force). Daļiņu paātrinātāji pielieto mainīgu radiofrekvenču elektrisko lauku, tādējādi palielinot daļiņu enerģiju. Savukārt elektromagnēti tiek izmantoti daļiņu trajektorijas izmaiņai – dipoli cirkulārai trajektorijas izmaiņai un kvadrupoli daļiņu kūļa fokusēšanai. Dipola magnēti un to ģenerētais Lorenca spēks tiek izmantoti arī aktīvās zīmuļkūļa skenēšanas metodei.

Daļiņu terapijas, tāpat kā radiācijas terapijas kopumā, klīniskā efekta pamatā ir jonizējošā starojuma mijiedarbība ar vēža šūnu dezoksiribonukleīnskābes molekulām (DNS), tādējādi apstādinot turpmāku vēža šūnu dalīšanos. Šī mijiedarbība var notikt tiešā vai netiešā veidā, – jonizējot šūnu DNS tiešā veidā vai jonizējot citas molekulas šūnā, kas mijiedarbojas ar šūnas DNS. Netiešā mijiedarbība ir cieši saistīta ar radiācijas ķīmijas konceptu – ūdens radiolīzi –, kas apraksta fizikālās un ķīmiskās ūdens molekulu pārvērtības, mijiedarbojoties ar jonizējošo starojumu. Netiešā mijiedarbība ir atkarīga no skābekļa koncentrācijas šūnās.

Daļiņu – protonu un jonu – radītā jonizācija nanomērogā ir daudz blīvāka, salīdzinot ar rentgenstarojumu (paaugstināta lineāras enerģijas pārnese). Paaugstinātā jonizācijas blīvuma dēļ protonu un jonu radītais bioloģiskais efekts vienādas dozas gadījumā ir daudz augstāks. Šo fenomenu kvantitatīvi apraksta ar relatīvo bioloģisko efektivitāti (RBE). Jonizācijas blīvuma dēļ protoniem un joniem ir arī lielāka varbūtība mijiedarboties ar šūnu DNS tiešā veidā, – protonu, bet jo īpaši jonu, starojuma bioloģiskais efekts ir mazāk atkarīgs no skābekļa koncentrācijas šūnās. Pieaugot jona masai, pieaug RBE un samazinās skābekļa koncentrācijas ietekme uz bioloģisko efektu. Šo iemeslu dēļ smago jonu – oglekļa-12 – terapija tiek izmantota hipoksisku un radiorezistentu audzēju ārstēšanā – audzējiem ar īpaši zemu skābekļa koncentrāciju, kas rada noturību pret rentgenstarojuma terapiju.

Daļiņu terapijas iekārtas ir sarežģītas sistēmas, kuras ir ievērojami lielākas, salīdzinot ar rentgenstarojuma terapijas iekārtām. Daļiņu terapijas iekārtas galvenās sastāvdaļas ir daļiņu paātrinātājs, kūļa pārvades sistēma, kūļa piegādes sistēma un pacienta pozicionēšanas iekārtas.

Protoni vai oglekļa-12 joni tiek ģenerēti jonu avotā. Izmantotais daļiņu paātrinātājs ir atkarīgs no daļiņas veida. Protonu paātrināšanai parasti tiek izmantots ciklotrons. Ciklotronā joni tiek injicēti tā centrālajā daļā un paātrināti radiofrekvenču elektriskajā laukā starp vakuuma kamerām. Ciklotrona vakuuma kameras atrodas starp elektromagnēta poliem, līdz ar to, protoniem paātrinoties, tie kustas spirālveida trajektorijā (apriņķošanas rādiuss ir proporcionāls enerģijai), līdz sasniedz maksimālo enerģiju, kas protonu terapijā parasti ir diapazonā no 220 līdz 250 megaelektronvoltiem (MeV). Lai efektīvi paātrinātu daļiņas, jāsinhronizē paātrinošā elektriskā lauka frekvence un protonu apriņķošanas frekvence. Augstas enerģijas daļiņu kūļiem to iespējams realizēt, pielāgojot elektriskā lauka frekvenci atkarībā no laika (sinhrociklotrons) vai pielāgojot elektromagnēta polu formu (izohronais ciklotrons).

Oglekļa-12 jonu paātrināšanai nepieciešamas daudz augstākas enerģijas, salīdzinot ar protonu terapiju, – līdz 450 MeV uz nuklonu. Lai sasniegtu šīs enerģijas, parasti tiek izmantoti sinhrotroni – paātrinātāji, kuros daļiņas tiek noturētas konstantā cirkulārā trajektorijā. Tas tiek nodrošināts, sinhronizējot dipolu magnētiskā lauka indukciju ar paātrinošā elektriskā lauka frekvenci. Sinhrotrona tipa paātrinātājiem ir nepieciešama daļiņu kūļa injicēšanas un ekstrahēšanas sistēma. Pirms oglekļa-12 jonu injicēšanas sinhrotronā tie tiek paātrināti lineārajā paātrinātājā, savukārt kūļa ekstrahēšanai tiek izmantoti speciāli pielāgoti magnēti. Sinhrotronus var izmantot arī par protoniem vieglāku jonu paātrināšanai.

Terapeitiskam pielietojumam ir nepieciešama iespēja modulēt starojuma enerģiju, tādējādi modulējot Brega pīķa pozīciju. Oglekļa-12 jonu terapijā enerģijas modulācija ir iespējama sinhrotronā, savukārt protonu terapijā izmantotie ciklotroni ir fiksētas enerģijas paātrinātāji. Šī iemesla dēļ protonu terapijas sistēmās tiek izmantoti enerģijas degradētāji – regulējama biezuma absorbējoša materiāla (parasti grafīta) slānis, kas samazina protonu kūļa enerģiju līdz nepieciešamajai enerģijai. Protonu vai oglekļa-12 jonu kūlis tiek nogādāts līdz terapijas telpai pa piegādes līniju, kas sastāv no vairākiem kvadrupola tipa fokusējošiem magnētiem un monitorēšanas iekārtām, lai saglabātu augstu kūļa kvalitāti.

Terapeitisko daļiņu kūli pacientam var piegādāt, izmantojot fiksētu kūļa piegādi vai rotējošu gentrija sistēmu. Fiksētā kūļa piegāde (horizontāla vai vertikāla, atsevišķos centros – 45° leņķī) ir tehniski vieglāk realizējama, tomēr tā ierobežo terapijas iespējas. Rentgenstarojuma terapijā plaši tiek pielietoti gentriji – rotējošas mehāniskās struktūras, pie kuras tiek fiksēts daļiņu paātrinātājs, tādējādi nodrošinot starojuma kūļa piegādi no dažādiem virzieniem. Salīdzinājumā daļiņu terapijā gentriji ir būtiski lielāki, uz tiem fiksējot kūļa pārvades līnijas elementus. Protonu terapijā izmantoto gentriju masa ir diapazonā no aptuveni 100 līdz 200 tonnām, savukārt oglekļa jonu terapijā tā ir ievērojami lielāka, – Heidelbergas Jonu terapijas centrā (HIT) tā sasniedz pat 600 tonnas. Salīdzinājumam rentgenstarojuma terapijas gentrija masa nepārsniedz 10 tonnas.

Kūļa piegādes sistēmā ir iebūvētas jonizācijas kameras daļiņu kūļa monitorēšanai, lai nodrošinātu terapijas precizitāti. Papildus šī sistēma arī modulē daļiņu kūli, lai nodrošinātu piegādātā dozas sadalījuma konformalitāti audzēja formai. Sākotnēji daļiņu terapijā tika pielietota pasīvās izkliedes metode, – telpiski nelielais daļiņu kūlis tika izkliedēts, lai sasniegtu terapijai nepieciešamos izmērus. Lai izveidotu paplašināto Brega pīķi (SOBP), kas atbilst audzēja izmēram, tika izmantoti ūdens ekvivalenta materiāla noskrējiena modulatori. Katram pacientam un apstarošanas laukam tika izgatavots arī kolimators (parasti no misiņa) un kompensators (ūdenim ekvivalents materiāls), lai pielāgotos audzēja formai attiecīgi laterāli un distāli. 1996. gadā tika ieviesta aktīvā zīmuļkūļa skenēšanas metode, kas būtiski atvieglo terapijas piegādes procesu un uzlabo dozas sadalījuma konformalitāti audzējam. Modulējot kūļa intensitāti (modulēta kūļa strāva vai ilgums katrā punktā), nelielais daļiņu kūlis tiek elektromagnētiski novirzīts ar diviem dipola tipa magnētiem galvenajās asīs atbilstoši audzēja laterālajai formai. Mainot daļiņu enerģiju, tiek modulēta Brega pīķa pozīcija atbilstoši audzēja izmēram paralēli kūļa izplatīšanās asij. Aktīvā zīmuļkūļa skenēšanas metode ir galvenā metode, kas tiek pielietota mūsdienu daļiņu terapijā.

Terapijas telpā pacients tiek novietots uz robotiska terapijas galda un imobilizēts, izmantojot atbilstošas papildiekārtas. Pacients tiek pozicionēts daļiņu terapijas iekārtas rotācijas centrā – izocentrā –, un šī pozīcija parasti tiek verificēta, izmantojot dažādas attēlveidošanas metodes, piemēram, divdimensionālus rentgenattēlus vai ar terapijas telpā esošu datortomogrāfijas iekārtu.

Daļiņu terapijas iekārtas tiek plaši pielietotas arī radiācijas terapijas fizikas, radiācijas ķīmijas un radiobioloģijas pētījumos, kā arī in vitro, pirmsklīniskajos un klīniskajos pētījumos ar mērķi attīstīt un izstrādāt jaunas terapijas metodes, validēt tās klīniskā vidē.

No radiācijas terapijas fizikas aspekta galvenie pētījumu virzieni ir dažādu jaunu terapijas plānošanas metožu verificēšana, dozimetrijas un starojuma detektoru izstrāde, Brega pīķa pozīcijas verifikācijas metožu izstrāde, FLASH terapija un minikūļu terapijas pētniecība un daudzi citi.

Radiobioloģiskie pētījumi visbiežāk vērsti uz RBE vērtību noteikšanu atkarībā no apstarošanas parametriem (daļiņu veids, enerģija, dozas jauda) un dažādiem bioloģiskajiem parametriem (šūnu veids, skābekļa koncentrācija šūnās u. c.). Šie pētījumi ļauj efektīvāk un precīzāk veikt daļiņu terapijas plānošanu klīniskā vidē.

Daļiņu terapijas iekārtu ģenerētie augstas enerģijas daļiņu kūļi tiek pielietoti pētniecībā arī citās pētniecība nozarēs, piemēram, materiālzinātnē (radiācijas noturības pārbaudes) un kosmosa pētījumos (simulējot kosmisko starojumu), kā arī kodolfizikā. Zinātniskā pētniecība noris arī saistībā ar pašām daļiņu terapijas iekārtām, izstrādājot jauna dizaina daļiņu paātrinātājus vai metodes daļiņu kūļa kvalitātes uzlabošanai.

Daļiņu terapijas iekārtas galvenokārt pielieto, lai klīniski ārstētu pacientus ar onkoloģiskām slimībām. Rentgenstarojuma terapija tiek pielietota arī neonkoloģisku funkcionālo traucējumu ārstēšanā (piemēram, trigeminālā neiralģija), bet daļiņu terapija šādiem mērķiem netiek plaši pielietota.

Pēc starptautiskās organizācijas “Particle Therapy Co-Operative Group” (PTCOG) datiem 2025. gada janvārī pasaulē 122 klīniskie centri sniedz protonu terapiju un 17 centri – oglekļa-12 jonu terapiju. Seši no šiem centriem spēj nodrošināt gan protonu, gan oglekļa-12 jonu terapiju. Balstoties uz PTCOG sniegtajiem starptautiskajiem datiem, 2022. gada noslēgumā protonu terapiju saņēma vairāk nekā 300 000 pacientu, savukārt oglekļa-12 jonu terapija ir pielietota vairāk nekā 50 000 pacientu ārstēšanai. Vēsturiski gan daļiņu terapijas centru, gan ārstēto pacientu skaitam novērojams eksponenciāls pieaugums.

Konvencionālā rentgenstarojuma terapija ir piemērojama aptuveni 50 % vēža pacientu ārstēšanai. Neskatoties uz daļiņu terapijas fizikālajiem uzlabojumiem, tās klīniskā pārnese ir limitēta palielināto izmaksu un nepietiekamo klīnisko pētījumu dēļ. Vairākas pētniecības grupas pasaulē ir izstrādājušas modeļus, lai aptuveni noteiktu pacientu daudzumu, kuriem piemērojama daļiņu terapija. Šādi pētījumi plašāk veikti protonu terapijā, uzrādot ievērojamu klīnisko uzlabojumu, salīdzinot ar rentgenstarojumu, aptuveni 4–15 % no pacientu skaita, kas tiek ārstēts ar konvencionālo radiācijas terapiju. Oglekļa-12 jonu terapijā šādu pētījumu ir mazāk, taču šī terapija savu efektivitāti izmaksu dēļ attaisno mazākai daļai pacientu – galvenokārt hipoksiskiem, radiorezistentiem audzējiem.

Galvenās klīniskās indikācijas, kam pierādīta protonu terapijas efektivitāte un tā ieteicama, salīdzinot ar rengenstarojumu, ir pediatriskie audzēji, okulārie audzēji, audzēji galvaskausa pamatnē un smadzeņu audzēji, mugurkaula vai muguras smadzeņu audzēji, atsevišķi audzēji galvas un kakla reģionā, barības vada audzēji vai audzēji mediastinālajā reģionā, hepatocelulāra karcinoma, retroperitoneālās telpas sarkoma un citi. Savukārt oglekļa-12 jonu terapija visbiežāk pielietojama hipoksisku vai radiorezistentu audzēju gadījumā – atsevišķiem galvas un kakla audzējiem, aizkuņģa dziedzera audzējiem, sarkomas kaulaudos vai mīkstajos audos un citiem.

Galvenais komerciālo protonu terapijas sistēmu ražotājs ir Ion Beam Applications (IBA). Citi komerciālo sistēmu ražotāji ir Varian Medical Systems (kopš 2021. gada kā Siemens Healthineers meitas uzņēmums), Mevion Medical Systems, Hitachi, ProTom International, Mitsubishi Corporation, Optivus Proton Therapy, Advanced Oncotherapy, ProNova Solutions un Sumitomo Heavy Industries. 2024. gadā darbību sāka arī uzņēmums P-Cure.

Komerciālas oglekļa jonu sistēmas piedāvā uzņēmumi Hitachi un Toshiba, tomēr lielākajā daļā smago jonu terapijas centru nav komerciālu iekārtu, bet gan iekārtas, kas izveidotas uz zinātniskās pētniecības centru bāzes.

2025. gada janvārī pasaulē bija gandrīz 130 daļiņu – protonu un/vai oglekļa-12 jonu – terapijas centru. Liela daļa terapijas centru paralēli klīniskajam darbam, nodarbojas arī ar zinātnisko pētniecību.

Būtisku ieguldījumu daļiņu terapijas attīstībā devuši Lorensa Bērkli Nacionālā laboratorija (ASV), Lomas Lindas Universitātes Medicīnas centrs (ASV), Upsālas Universitāte (Zviedrija) un Masačūsetsas Vispārējā slimnīca (Massachusetts General Hospital, ASV).

Eiropā nozīmīgākie ir četri smago jonu terapijas centri: Heidelbergas Jonu terapijas centrs (HIT) Vācijā, Marburgas Jonu staru terapijas centrs (MIT) Vācijā, Nacionālais onkoloģiskās hadronu terapijas centrs (CNAO) Itālijā un MedAustron Austrijā. Pirmie pētījumi Eiropā tika veikti Helmholcas Smago jonu izpētes centrā (GSI) Vācijā, kas bija pamats HIT centra izveidei. Savukārt paātrinātāju fizikas pētījumi Eiropas Kodolpētniecības organizācijā (angļu European Organization for Nuclear Research, franču Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, sākotnējais nosaukums Eiropas Kodolpētniecības padome, franču Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) 20. gs. 90. gadu beigās un 21. gs. sākumā bija pamats Nacionālā onkoloģiskās hadronu terapijas centra (CNAO) izveidei Itālijā un MedAustron centra izveidei Austrijā. Būtisku pienesumu protonu terapijas attīstībā devis arī Paula Šerrera institūts (PSI), Šveicē.

Smago jonu terapijas attīstībā un pētniecībā būtisku ieguldījumu sniedz Japāna, kur atrodas septiņi no pasaules 17 oglekļa-12 jonu terapijas centriem, no kuriem nozīmīgākais ir Nacionālais kvantu un radioloģijas zinātņu un tehnoloģiju institūts.

Galvenās problēmas un izaicinājumi daļiņu terapijā mūsdienās ir saistīti ar nepieciešamo daļiņu paātrinātāju un citu palīgsistēmu izmēriem un izmaksām. Fiziķi un inženieri strādā pie dažādiem risinājumiem, lai samazinātu nepieciešamo daļiņu paātrinātāju izmērus un darbības izmaksas. Galvenās pieejas, kas tiek izskatītas, – supravadoši ciklotroni un supravadošu dipolu izmantošana sinhrotronu dizainā, sinhrotronu dizaina optimizācija. Viena no masīvākajām daļiņu terapijas sistēmām ir arī gentrijs, – tiek pētīti risinājumi, kā kūļa pārvades līnijās izmantot supravadošus magnētus un kā samazināt mehāniskās struktūras izmērus. Mūsdienās kā iespējama alternatīva uz gentrija bāzētai starojuma piegādei tiek izskatīta arī mehāniska krēsla izmantošana, pacientam atrodoties vertikālā stāvoklī un krēsla rotāciju sinhronizējot ar daļiņu kūļa piegādi. Šāda pieeja varētu būtiski samazināt daļiņu terapijas sistēmas izmērus, taču saistīta ar dažādiem specifiskiem izaicinājumiem (piemēram, medicīnisko attēlveidošanu, pacientam atrodoties vertikālā stāvoklī).

Lai nodrošinātu plašāku daļiņu terapijas pārnesi, noris arī vairāki klīniskie pētījumi, kas salīdzina daļiņu terapijas efektivitāti ar rentgenstarojuma terapiju dažādiem audzēju veidiem. Mūsdienās arvien lielāku lomu ieņem arī terapijas bioloģiskā efekta – audzēja kontroles un veselo audu komplikāciju varbūtību – aprēķins, it īpaši daļiņu terapijā. Tiek veikti pētījumi, dozimetriski salīdzinot daļiņu terapijas un rentgenstarojuma terapijas bioloģisko efektu. Terapijas bioloģiskā efekta aprēķina modeļi mūsdienās tiek aktīvi izmantoti arī terapijas plānošanas procesā. Modeļu rezultāti ārstējošajam ārstam sniedz informāciju, kas palīdz salīdzināt dažādas radiācijas terapijas metodes un piemērot pacientam efektīvāko metodi.

Pastāv arī vairāki daļiņu terapijai specifiski pētniecības virzieni. Lai uzlabotu terapijas bioloģisko efektu, tiek izskatītas dažādas pieejas lineārās enerģijas pārneses (LEP) optimizācijai audzējā un veselajos audos. Tiek izstrādāti dozas optimizācijas algoritmi, ņemot vērā arī LEP sadalījumu, un tiek izskatītas metodes pozitronu emisijas tomogrāfijas (PET) attēlu izmantošanai LEP optimizācijā. Lai validētu LEP optimizētu daļiņu terapiju, tiek izstrādāti detektori un standartizētas dozimetrijas metodes LEP mērījumiem. LEP sadalījuma optimizācijai tehnoloģiski tiek pētīta arī arkveida daļiņu terapija un multijonu terapija – dozimetrisko aprēķinu un plānu optimizācijas algoritmu izstrāde, kā arī nepieciešamie kūļa pievades tehnoloģiskie risinājumi.

Mūsdienās, līdzīgi kā sākotnējos pētījumos Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā, tiek pētīti arī alternatīvi jonu veidi terapeitiskiem nolūkiem. Aktīvi pētījumi noris hēlija-4 jonu terapijas nodrošināšanā klīniskiem nolūkiem. Hēlija-4 joni ir efektīva protonu alternatīva, – tiem ir uzlaboti dozas sadalījuma fizikālie parametri un bioloģiskā efektivitāte, taču, salīdzinot ar oglekļa-12 joniem, vajadzīgi vienkāršāka dizaina daļiņu paātrinātāji. Hēlija-4 jonu terapijas pētniecība aktīvi noris Heidelbergas Jonu terapijas centrā (HIT) Vācijā. Šajā daļiņu terapijas centrā tiek pētīta arī smagāku jonu (skābeklis-16) izmantošanas potenciāls, īpaši radiorezistentiem audzējiem.

Viens no izaicinājumiem daļiņu terapijā ir Brega pīķa pozīcijas lokalizācija pacientā, lai nodrošinātu precīzu terapijas piegādi. Lai to nodrošinātu, noris aktīvi pētījumi un nepieciešamo iekārtu prototipu izstrāde Brega pīķa pozīcijas verifikācijas metodēm. Tiek pētītas dažādas pieejas, kā duālās enerģijas vai spektrālās datortomogrāfijas attēlu pielietošana terapijas plānošanas procesā, daļiņu (protonu, hēlija-4 jonu) radiogrāfijas un tomogrāfijas metožu izstrāde pacienta anatomijas verifikācijai un dažādas metodes pacientam piegādāta dozas sadalījuma verifikācijai – inducētās radioaktivitātes detektēšana ar PET sistēmu, ātro gamma fotonu emisiju reģistrēšana, jonakustisko signālu detektēšana ar ultraskaņas detektoriem un sekundāro kodolfragmentu detektēšana.

Pētījumiem rentgenstarojuma terapijā tiek izskatīta arī inovatīvu bioloģisko konceptu pielietošana terapijas procesā – FLASH terapija un minikūļu terapija. FLASH terapijā ar daļiņu kūļiem pētniecība vērsta gan uz daļiņu paātrinātāju izstrādi, lai nodrošinātu pietiekami augstu dozas jaudu (> 40 greji sekundē, Gy/s) gan uz izstrādi kūļa piegādes metodēm, dozimetrijas iekārtām un metodēm, kā arī in vitro, pirmsklīniskajiem un arī klīniskajiem pētījumiem. Nepieciešamā tehnoloģiskā nodrošinājuma un daļiņu paātrinātāju dizaina optimizācija noris arī minikūļu terapijas pētniecībā.