Flash放射治療技術研究進展

齊雅平，高 寧，盧曉明，錢 東，徐 榭,*

(1.中國科學技術大學核科學技術學院，安徽 合肥 230026；2.中國計量科學研究院電離輻射計量科學研究所，北京 100029；3.安徽省立醫院合肥離子醫學中心，安徽 合肥 230088；4.中國科學技術大學離子醫學研究所，安徽 合肥 230088；5.中國科學技術大學附屬第一醫院放療科，安徽 合肥 230031)

放射治療(簡稱放療)的關鍵是最大限度地殺死腫瘤細胞,同時盡可能減少對周圍正常組織的損害。隨著質子等先進粒子放療技術的發展，評估放射生物效應已成為放療不可或缺的部分。作為革新外照射技術，相比常規劑量率放療(conventional dose-rate radiotherapy， CONV-RT)，Flash放療(Flash radiotherapy， Flash-RT)可實現類似CONV-RT的腫瘤控制效果，并能顯著降低周圍組織不良反應[1-2]。超高劑量率(ultra high dose-rate， UHDR)是產生Flash效應的關鍵物理參數。目前Flash-RT相關生物研究多采用改裝后的現有加速器的束流直接照射實驗動物的小體積淺表組織，但UHDR閾值劃分標準不一[3]，對深部腫瘤的動物實驗、Flash效應原理及臨床轉化等系列問題仍處于初步探索階段。本文對UHDR高于40 Gy/s的Flash-RT相關研究進展進行綜述。

1 Flash-RT技術

臨床直線加速器粒子束由脈沖束團組成，可通過改變脈沖頻率及單位脈沖流強而獲得低頻UHDR、高頻UHDR和準連續脈沖模式[4]。Flash-RT采用高頻UHDR模式，在1 s內完成總劑量輸運，經改裝后，不同能量、不同粒子類型加速器可產生至少40 Gy/s的射束[5]。改裝或設計滿足UHDR的束流時，需考慮束流參數與劑量的關系，如欲使10 cm×10 cm×10 cm水模內沉積1 Gy劑量，需以150 MeV質子束照射20～40 s、產生120～240G個質子。

作為全新的放療技術，Flash-RT的劑量輸運時間及劑量率等與CONV-RT差異較大，但基本可沿用CONV-RT流程實現其加速器的質量保證。目前多采用膠片測量Flash-RT射束在水箱中的橫向劑量分布[6-7]。由于滿足UHDR時流強過高，在傳統電離室會因飽和效應而影響測量精度，PETERSSON等[8]提出可通過修正模型評估束流輸出的穩定性，KIM等[9]則采用法拉第杯測量Flash-RT的束流強度。

Flash-RT瞬時劑量率較高，在透射式射束停止處更高，故應重點關注中子探測器的響應速度，并考慮現有設施在不升級狀態下能否滿足輻射屏蔽要求及Flash-RT臨床工作負荷等行業標準化問題。GUPTA等[10]提出質子Flash-RT設備屏蔽估算模型，以計算治療室屏蔽所需的額外百分比厚度。Flash-RT的生物效應優勢使臨床治療計劃可相對簡化，但尚未形成行業標準。當前TRANEUS[11-12]等已針對深部腫瘤Flash-RT中的UHDR閾值與實際劑量沉積的關系展開研究。

2 Flash-RT臨床前實驗

為推動Flash-RT臨床轉化而開展的體內、體外生物及臨床前實驗[1-2]結果已證實了Flash-RT對于小動物和淺表腫瘤的優越生物效應。近年生物實驗數量大幅增加，而采用計算機建模方法探究Flash-RT生物機理同樣取得了突破性進展。

2.1 正常組織效應 從放射生物效應角度觀察，Flash-RT可減少對正常組織的損傷。Flash效應可追溯至50年前，英國科學家以7 MeV電子輻照大鼠全身及足部皮膚，發現劑量率為500 krad/min時，輻射性損傷顯著下降[6]。但也有學者[6]認為需較高劑量才能完全消耗正常細胞內局部氧氣。由于該階段UHDR照射癌細胞實驗數量較少，且結果互相矛盾，導致Flash效應相關研究被擱置。2014年，FAVAUDON等[1]以4.5 MeV電子加速器產生60 Gy/s的UHDR射束照射小鼠胸腔(劑量17 Gy)，發現UHDR可較CONV-RT明顯降低小鼠肺部纖維化等并發癥的嚴重程度，Flash-RT由此重新獲得重視。此后相繼開展多項Flash-RT相關實驗，如觀察小鼠全腦記憶力和腦內炎性反應、小鼠腹部或斑馬魚胚胎存活率及豬皮膚輻射損傷[7，13-17]，雖然其照射野均較小、照射范圍局限于淺表組織，但均證實Flash-RT對正常組織具有一定保護作用。

2.2 正常組織細胞和DNA效應 不同于體內研究結果，正常氧水平下體外細胞實驗并未發現明顯Flash效應[18-20]。HENDRY等[6]在常氧環境下以UHDR(109Gy/s)單電子脈沖和常規劑量率γ射線照射倉鼠卵巢細胞(劑量1.5 Gy)，其存活率幾乎相同；但乏氧(<0.5% O2)條件下UHDR照射后正常組織細胞的存活率明顯更高[6，19]。后續開展了DNA層面的深入研究，但結果仍不一致。FOUILLADE等[20]針對正常人肺細胞(劑量5.2 Gy)的實驗結果表明，相比CONV-RT，Flash-RT誘發初始DNA雙鏈斷裂(double strand breaks， DSB)的產額更低，與BUONANNO等[19，21]的結論相似。但LASCHINSKY等[18，22]發現，以質子能量10 MeV、劑量率109Gy/s，電子能量20 MeV、劑量率1010Gy/s照射正常組織細胞24 h所誘導的DSB產額與COVN-RT相比并無明顯差異。

2.3 腫瘤組織效應 Flash效應特指對正常組織的保護，但Ⅰ期臨床試驗[23]和部分體內動物實驗[7，13-17]均表明其對腫瘤具有與CONV-RT類似的殺傷效果。CONV-RT多以腫瘤體積、腫瘤延遲增長及腫瘤控制率(tumor control probability， TCP)表征輻射對腫瘤的治療作用。既往研究[1,24]表明，Flash-RT與CONV-RT照射對腫瘤體積的影響并無顯著差異，也未發現Flash可降低對腫瘤的殺傷作用。LOO等[15-16]對小鼠腹部腫瘤和貓鼻部鱗狀細胞癌持續16個月的觀察結果進一步證明，就長期TCP而言，Flash-RT與CONV-RT具有同樣效力。2019年洛桑大學開展臨床前人體研究，采用Flash-RT治療已接受110次局部病變皮膚放療的皮膚浸潤性T細胞淋巴癌患者，治療10天后腫瘤開始縮小，5個月內腫瘤控制良好[23]。少量體外腫瘤細胞存活及DSB產額實驗[6,18]結果顯示，Flash-RT與CONV-RT相比并無明顯差異。

3 Flash-RT生物學機制

3.1 氧耗竭 目前關于Flash-RT生物學機理研究尚不充分。既往研究[25-26]多從放射生物學出發，認為物質會在接受電離輻射后的納秒量級內水解，并產生大量OH自由基及活性氧物質，迅即與周圍氧氣發生反應，形成過氧化物，從而對DNA等納米量級有機分子造成難以修復的間接損傷，甚至與含鐵蛋白質發生氧化還原反應，故氧氣被公認為有效的輻射增敏劑[25-26]。UHDR照射后，組織局部耗氧速度遠超復氧速度，甚至可能達到瞬時氧耗竭狀態[6]，由此可解釋Flash-RT對正常組織的保護作用，即氧含量較低時，間接DNA損傷被修復的可能性增加，DNA雙鏈斷裂損傷降低，故抗輻射性增強。體內正常組織細胞內氧濃度遠低于大氣濃度下體外細胞及氧張力作用，會更明顯地發生氧耗竭，可進一步解釋小動物組織與體外細胞實驗中Flash效應不一致[26]。但若以該理論評估Flash-RT的腫瘤控制效果，則其腫瘤控制率會有所下降，顯然與已有生物實驗結果[15-16]相悖。TORTI等[27]嘗試從氧化還原角度解釋Flash-RT有效控制腫瘤的機制：腫瘤細胞內Fe2+含量高于正常組織細胞2～4倍，Flash-RT會使腫瘤細胞產生更多自由基鏈式反應(如生成更多過氧化物)，而正常組織細胞則更快地阻止產生過氧化物及其后續鏈式反應，且其Fe2+含量較低，可避免與鐵發生反應[25]。

另一方面，徑跡密度效應可提高水解自由基之間的再結合概率，使間接輻射損傷更少。有研究者借助計算機模型輔助觀察Flash效應的機制。BOSCOLO等[28]開發了蒙卡徑跡結構模擬工具，用以觀察不同時間和輻射條件下水解產物產生、擴散及其相互作用的動態過程；PRATX等[29]則基于氧代謝與擴散平衡和氧耗竭理論建立模型，預測Flash效應可隨輻射脈沖時長從低于1 s增加至10 s逐漸消失，毛細血管氧張力變化也致Flash效應減低。LAI等[30]開發了基于GPU加速的蒙卡程序，用以預測Flash-RT中與氧相關化學反應。

3.2 免疫效應 免疫反應同樣可能是Flash-RT效應的潛在生物機制之一。最近一項對比Flash-RT和CONV-RT小鼠全基因組微陣列的分析[31]結果提示，Flash-RT可大范圍抑制小鼠免疫系統激活和發展。一項人體Flash-RT臨床研究[23]對比觀察Flash-RT和CONV-RT治療免疫受損患者皮膚淋巴瘤T細胞的效果，但未發現腫瘤反應存在明顯差異，可能原因是接受極短時間Flash-RT輻照的淋巴細胞更少，從而降低了輻射誘導染色體畸變產額。JIN[32]利用線性二次方程模型觀察不同劑量率輻射(0.001 7～333 Gy/s)對免疫細胞的殺傷效果，假設人體血液循環時間為60 s，UHDR僅殺死了10%循環免疫細胞。

4 小結與展望

Flash-RT是極具潛力放療技術，相關研究已觀察到Flash效應，但對Flash-RT腫瘤控制率的生物研究成果仍有限。探究Flash效應生物機制對于實現Flash-RT臨床轉化具有重要指導意義。目前關注點多集中于氧耗竭理論，且大部分研究結果顯示氧耗竭對Flash效應確有貢獻。對于放射生物效應建模研究，Flash生物效應機制或預測模型應與生物實驗相結合。目前應進一步探討免疫調節對Flash效應的實際貢獻，量化評價Flash-RT免疫反應的差異或其他生物終端反應是否與CONV-RT有所不同。另外，還需建立Flash-RT束流輸運物理參數的規范化標準，包括瞬時脈沖劑量率或平均劑量率、整體照射時間閾值及劑量分次閾值等。Flash-RT生物機制研究及其臨床轉化應用均面臨諸多挑戰，而這也正是放療領域發展和革新的重要機遇。