理论物理有什么用？例如检查癌症 | 袁岚峰_风闻

每当提到理论物理，都会令人感到高大上和云里雾里。同时还总会有人问：理论物理有什么用？其实我们可以明确地回答，理论物理很有用。最近，我的科大师妹周思益博士和热爱科普的高中生柳俊含同学就向风云之声投稿《理论物理有什么用？例如检查癌症 | 周思益 柳俊含》，举了一个例子：用弱相互作用检查癌症。

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？