Flash放射治疗技术研究进展

齐雅平，高 宁，卢晓明，钱 东，徐 榭,*

(1.中国科学技术大学核科学技术学院，安徽 合肥 230026；2.中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所，北京 100029；3.安徽省立医院合肥离子医学中心，安徽 合肥 230088；4.中国科学技术大学离子医学研究所，安徽 合肥 230088；5.中国科学技术大学附属第一医院放疗科，安徽 合肥 230031)

放射治疗(简称放疗)的关键是最大限度地杀死肿瘤细胞,同时尽可能减少对周围正常组织的损害。随着质子等先进粒子放疗技术的发展，评估放射生物效应已成为放疗不可或缺的部分。作为革新外照射技术，相比常规剂量率放疗(conventional dose-rate radiotherapy， CONV-RT)，Flash放疗(Flash radiotherapy， Flash-RT)可实现类似CONV-RT的肿瘤控制效果，并能显著降低周围组织不良反应[1-2]。超高剂量率(ultra high dose-rate， UHDR)是产生Flash效应的关键物理参数。目前Flash-RT相关生物研究多采用改装后的现有加速器的束流直接照射实验动物的小体积浅表组织，但UHDR阈值划分标准不一[3]，对深部肿瘤的动物实验、Flash效应原理及临床转化等系列问题仍处于初步探索阶段。本文对UHDR高于40 Gy/s的Flash-RT相关研究进展进行综述。

1 Flash-RT技术

临床直线加速器粒子束由脉冲束团组成，可通过改变脉冲频率及单位脉冲流强而获得低频UHDR、高频UHDR和准连续脉冲模式[4]。Flash-RT采用高频UHDR模式，在1 s内完成总剂量输运，经改装后，不同能量、不同粒子类型加速器可产生至少40 Gy/s的射束[5]。改装或设计满足UHDR的束流时，需考虑束流参数与剂量的关系，如欲使10 cm×10 cm×10 cm水模内沉积1 Gy剂量，需以150 MeV质子束照射20～40 s、产生120～240G个质子。

作为全新的放疗技术，Flash-RT的剂量输运时间及剂量率等与CONV-RT差异较大，但基本可沿用CONV-RT流程实现其加速器的质量保证。目前多采用胶片测量Flash-RT射束在水箱中的横向剂量分布[6-7]。由于满足UHDR时流强过高，在传统电离室会因饱和效应而影响测量精度，PETERSSON等[8]提出可通过修正模型评估束流输出的稳定性，KIM等[9]则采用法拉第杯测量Flash-RT的束流强度。

Flash-RT瞬时剂量率较高，在透射式射束停止处更高，故应重点关注中子探测器的响应速度，并考虑现有设施在不升级状态下能否满足辐射屏蔽要求及Flash-RT临床工作负荷等行业标准化问题。GUPTA等[10]提出质子Flash-RT设备屏蔽估算模型，以计算治疗室屏蔽所需的额外百分比厚度。Flash-RT的生物效应优势使临床治疗计划可相对简化，但尚未形成行业标准。当前TRANEUS[11-12]等已针对深部肿瘤Flash-RT中的UHDR阈值与实际剂量沉积的关系展开研究。

2 Flash-RT临床前实验

为推动Flash-RT临床转化而开展的体内、体外生物及临床前实验[1-2]结果已证实了Flash-RT对于小动物和浅表肿瘤的优越生物效应。近年生物实验数量大幅增加，而采用计算机建模方法探究Flash-RT生物机理同样取得了突破性进展。

2.1 正常组织效应 从放射生物效应角度观察，Flash-RT可减少对正常组织的损伤。Flash效应可追溯至50年前，英国科学家以7 MeV电子辐照大鼠全身及足部皮肤，发现剂量率为500 krad/min时，辐射性损伤显著下降[6]。但也有学者[6]认为需较高剂量才能完全消耗正常细胞内局部氧气。由于该阶段UHDR照射癌细胞实验数量较少，且结果互相矛盾，导致Flash效应相关研究被搁置。2014年，FAVAUDON等[1]以4.5 MeV电子加速器产生60 Gy/s的UHDR射束照射小鼠胸腔(剂量17 Gy)，发现UHDR可较CONV-RT明显降低小鼠肺部纤维化等并发症的严重程度，Flash-RT由此重新获得重视。此后相继开展多项Flash-RT相关实验，如观察小鼠全脑记忆力和脑内炎性反应、小鼠腹部或斑马鱼胚胎存活率及猪皮肤辐射损伤[7，13-17]，虽然其照射野均较小、照射范围局限于浅表组织，但均证实Flash-RT对正常组织具有一定保护作用。

2.2 正常组织细胞和DNA效应 不同于体内研究结果，正常氧水平下体外细胞实验并未发现明显Flash效应[18-20]。HENDRY等[6]在常氧环境下以UHDR(109Gy/s)单电子脉冲和常规剂量率γ射线照射仓鼠卵巢细胞(剂量1.5 Gy)，其存活率几乎相同；但乏氧(<0.5% O2)条件下UHDR照射后正常组织细胞的存活率明显更高[6，19]。后续开展了DNA层面的深入研究，但结果仍不一致。FOUILLADE等[20]针对正常人肺细胞(剂量5.2 Gy)的实验结果表明，相比CONV-RT，Flash-RT诱发初始DNA双链断裂(double strand breaks， DSB)的产额更低，与BUONANNO等[19，21]的结论相似。但LASCHINSKY等[18，22]发现，以质子能量10 MeV、剂量率109Gy/s，电子能量20 MeV、剂量率1010Gy/s照射正常组织细胞24 h所诱导的DSB产额与COVN-RT相比并无明显差异。

2.3 肿瘤组织效应 Flash效应特指对正常组织的保护，但Ⅰ期临床试验[23]和部分体内动物实验[7，13-17]均表明其对肿瘤具有与CONV-RT类似的杀伤效果。CONV-RT多以肿瘤体积、肿瘤延迟增长及肿瘤控制率(tumor control probability， TCP)表征辐射对肿瘤的治疗作用。既往研究[1,24]表明，Flash-RT与CONV-RT照射对肿瘤体积的影响并无显著差异，也未发现Flash可降低对肿瘤的杀伤作用。LOO等[15-16]对小鼠腹部肿瘤和猫鼻部鳞状细胞癌持续16个月的观察结果进一步证明，就长期TCP而言，Flash-RT与CONV-RT具有同样效力。2019年洛桑大学开展临床前人体研究，采用Flash-RT治疗已接受110次局部病变皮肤放疗的皮肤浸润性T细胞淋巴癌患者，治疗10天后肿瘤开始缩小，5个月内肿瘤控制良好[23]。少量体外肿瘤细胞存活及DSB产额实验[6,18]结果显示，Flash-RT与CONV-RT相比并无明显差异。

3 Flash-RT生物学机制

3.1 氧耗竭 目前关于Flash-RT生物学机理研究尚不充分。既往研究[25-26]多从放射生物学出发，认为物质会在接受电离辐射后的纳秒量级内水解，并产生大量OH自由基及活性氧物质，迅即与周围氧气发生反应，形成过氧化物，从而对DNA等纳米量级有机分子造成难以修复的间接损伤，甚至与含铁蛋白质发生氧化还原反应，故氧气被公认为有效的辐射增敏剂[25-26]。UHDR照射后，组织局部耗氧速度远超复氧速度，甚至可能达到瞬时氧耗竭状态[6]，由此可解释Flash-RT对正常组织的保护作用，即氧含量较低时，间接DNA损伤被修复的可能性增加，DNA双链断裂损伤降低，故抗辐射性增强。体内正常组织细胞内氧浓度远低于大气浓度下体外细胞及氧张力作用，会更明显地发生氧耗竭，可进一步解释小动物组织与体外细胞实验中Flash效应不一致[26]。但若以该理论评估Flash-RT的肿瘤控制效果，则其肿瘤控制率会有所下降，显然与已有生物实验结果[15-16]相悖。TORTI等[27]尝试从氧化还原角度解释Flash-RT有效控制肿瘤的机制：肿瘤细胞内Fe2+含量高于正常组织细胞2～4倍，Flash-RT会使肿瘤细胞产生更多自由基链式反应(如生成更多过氧化物)，而正常组织细胞则更快地阻止产生过氧化物及其后续链式反应，且其Fe2+含量较低，可避免与铁发生反应[25]。

另一方面，径迹密度效应可提高水解自由基之间的再结合概率，使间接辐射损伤更少。有研究者借助计算机模型辅助观察Flash效应的机制。BOSCOLO等[28]开发了蒙卡径迹结构模拟工具，用以观察不同时间和辐射条件下水解产物产生、扩散及其相互作用的动态过程；PRATX等[29]则基于氧代谢与扩散平衡和氧耗竭理论建立模型，预测Flash效应可随辐射脉冲时长从低于1 s增加至10 s逐渐消失，毛细血管氧张力变化也致Flash效应减低。LAI等[30]开发了基于GPU加速的蒙卡程序，用以预测Flash-RT中与氧相关化学反应。

3.2 免疫效应 免疫反应同样可能是Flash-RT效应的潜在生物机制之一。最近一项对比Flash-RT和CONV-RT小鼠全基因组微阵列的分析[31]结果提示，Flash-RT可大范围抑制小鼠免疫系统激活和发展。一项人体Flash-RT临床研究[23]对比观察Flash-RT和CONV-RT治疗免疫受损患者皮肤淋巴瘤T细胞的效果，但未发现肿瘤反应存在明显差异，可能原因是接受极短时间Flash-RT辐照的淋巴细胞更少，从而降低了辐射诱导染色体畸变产额。JIN[32]利用线性二次方程模型观察不同剂量率辐射(0.001 7～333 Gy/s)对免疫细胞的杀伤效果，假设人体血液循环时间为60 s，UHDR仅杀死了10%循环免疫细胞。

4 小结与展望

Flash-RT是极具潜力放疗技术，相关研究已观察到Flash效应，但对Flash-RT肿瘤控制率的生物研究成果仍有限。探究Flash效应生物机制对于实现Flash-RT临床转化具有重要指导意义。目前关注点多集中于氧耗竭理论，且大部分研究结果显示氧耗竭对Flash效应确有贡献。对于放射生物效应建模研究，Flash生物效应机制或预测模型应与生物实验相结合。目前应进一步探讨免疫调节对Flash效应的实际贡献，量化评价Flash-RT免疫反应的差异或其他生物终端反应是否与CONV-RT有所不同。另外，还需建立Flash-RT束流输运物理参数的规范化标准，包括瞬时脉冲剂量率或平均剂量率、整体照射时间阈值及剂量分次阈值等。Flash-RT生物机制研究及其临床转化应用均面临诸多挑战，而这也正是放疗领域发展和革新的重要机遇。