Flash放射治療技術(shù)研究進(jìn)展

齊雅平，高 寧，盧曉明，錢 東，徐 榭,*

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院電離輻射計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029；3.安徽省立醫(yī)院合肥離子醫(yī)學(xué)中心，安徽 合肥 230088；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)離子醫(yī)學(xué)研究所，安徽 合肥 230088；5.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院放療科，安徽 合肥 230031)

放射治療(簡稱放療)的關(guān)鍵是最大限度地殺死腫瘤細(xì)胞,同時(shí)盡可能減少對周圍正常組織的損害。隨著質(zhì)子等先進(jìn)粒子放療技術(shù)的發(fā)展，評估放射生物效應(yīng)已成為放療不可或缺的部分。作為革新外照射技術(shù)，相比常規(guī)劑量率放療(conventional dose-rate radiotherapy， CONV-RT)，F(xiàn)lash放療(Flash radiotherapy， Flash-RT)可實(shí)現(xiàn)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(yīng)[1-2]。超高劑量率(ultra high dose-rate， UHDR)是產(chǎn)生Flash效應(yīng)的關(guān)鍵物理參數(shù)。目前Flash-RT相關(guān)生物研究多采用改裝后的現(xiàn)有加速器的束流直接照射實(shí)驗(yàn)動物的小體積淺表組織，但UHDR閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)不一[3]，對深部腫瘤的動物實(shí)驗(yàn)、Flash效應(yīng)原理及臨床轉(zhuǎn)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(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Flash-RT技術(shù)

臨床直線加速器粒子束由脈沖束團(tuán)組成，可通過改變脈沖頻率及單位脈沖流強(qiáng)而獲得低頻UHDR、高頻UHDR和準(zhǔn)連續(xù)脈沖模式[4]。Flash-RT采用高頻UHDR模式，在1 s內(nèi)完成總劑量輸運(yùn)，經(jīng)改裝后，不同能量、不同粒子類型加速器可產(chǎn)生至少40 Gy/s的射束[5]。改裝或設(shè)計(jì)滿足UHDR的束流時(shí)，需考慮束流參數(shù)與劑量的關(guān)系，如欲使10 cm×10 cm×10 cm水模內(nèi)沉積1 Gy劑量，需以150 MeV質(zhì)子束照射20～40 s、產(chǎn)生120～240G個(gè)質(zhì)子。

作為全新的放療技術(shù)，F(xiàn)lash-RT的劑量輸運(yùn)時(shí)間及劑量率等與CONV-RT差異較大，但基本可沿用CONV-RT流程實(shí)現(xiàn)其加速器的質(zhì)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(shí)流強(qiáng)過高，在傳統(tǒng)電離室會因飽和效應(yīng)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(wěn)定性，KIM等[9]則采用法拉第杯測量Flash-RT的束流強(qiáng)度。

Flash-RT瞬時(shí)劑量率較高，在透射式射束停止處更高，故應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中子探測器的響應(yīng)速度，并考慮現(xiàn)有設(shè)施在不升級狀態(tài)下能否滿足輻射屏蔽要求及Flash-RT臨床工作負(fù)荷等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問題。GUPTA等[10]提出質(zhì)子Flash-RT設(shè)備屏蔽估算模型，以計(jì)算治療室屏蔽所需的額外百分比厚度。Flash-RT的生物效應(yīng)優(yōu)勢使臨床治療計(jì)劃可相對簡化，但尚未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前TRANEUS[11-12]等已針對深部腫瘤Flash-RT中的UHDR閾值與實(shí)際劑量沉積的關(guān)系展開研究。

2 Flash-RT臨床前實(shí)驗(yàn)

為推動Flash-RT臨床轉(zhuǎn)化而開展的體內(nèi)、體外生物及臨床前實(shí)驗(yàn)[1-2]結(jié)果已證實(shí)了Flash-RT對于小動物和淺表腫瘤的優(yōu)越生物效應(yīng)。近年生物實(shí)驗(yàn)數(shù)量大幅增加，而采用計(jì)算機(jī)建模方法探究Flash-RT生物機(jī)理同樣取得了突破性進(jìn)展。

2.1 正常組織效應(yīng) 從放射生物效應(yīng)角度觀察，F(xiàn)lash-RT可減少對正常組織的損傷。Flash效應(yīng)可追溯至50年前，英國科學(xué)家以7 MeV電子輻照大鼠全身及足部皮膚，發(fā)現(xiàn)劑量率為500 krad/min時(shí)，輻射性損傷顯著下降[6]。但也有學(xué)者[6]認(rèn)為需較高劑量才能完全消耗正常細(xì)胞內(nèi)局部氧氣。由于該階段UHDR照射癌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)數(shù)量較少，且結(jié)果互相矛盾，導(dǎo)致Flash效應(yīng)相關(guān)研究被擱置。2014年，F(xiàn)AVAUDON等[1]以4.5 MeV電子加速器產(chǎn)生60 Gy/s的UHDR射束照射小鼠胸腔(劑量17 Gy)，發(fā)現(xiàn)UHDR可較CONV-RT明顯降低小鼠肺部纖維化等并發(fā)癥的嚴(yán)重程度，F(xiàn)lash-RT由此重新獲得重視。此后相繼開展多項(xiàng)Flash-RT相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如觀察小鼠全腦記憶力和腦內(nèi)炎性反應(yīng)、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(shí)Flash-RT對正常組織具有一定保護(hù)作用。

2.2 正常組織細(xì)胞和DNA效應(yīng) 不同于體內(nèi)研究結(jié)果，正常氧水平下體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)并未發(fā)現(xiàn)明顯Flash效應(yīng)[18-20]。HENDRY等[6]在常氧環(huán)境下以UHDR(109Gy/s)單電子脈沖和常規(guī)劑量率γ射線照射倉鼠卵巢細(xì)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(xì)胞的存活率明顯更高[6，19]。后續(xù)開展了DNA層面的深入研究，但結(jié)果仍不一致。FOUILLADE等[20]針對正常人肺細(xì)胞(劑量5.2 Gy)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比CONV-RT，F(xiàn)lash-RT誘發(fā)初始DNA雙鏈斷裂(double strand breaks， DSB)的產(chǎn)額更低，與BUONANNO等[19，21]的結(jié)論相似。但LASCHINSKY等[18，22]發(fā)現(xiàn)，以質(zhì)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(xì)胞24 h所誘導(dǎo)的DSB產(chǎn)額與COVN-RT相比并無明顯差異。

2.3 腫瘤組織效應(yīng) Flash效應(yīng)特指對正常組織的保護(hù)，但Ⅰ期臨床試驗(yàn)[23]和部分體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)[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，F(xiàn)lash-RT與CONV-RT照射對腫瘤體積的影響并無顯著差異，也未發(fā)現(xiàn)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(xì)胞癌持續(xù)16個(gè)月的觀察結(jié)果進(jìn)一步證明，就長期TCP而言，F(xiàn)lash-RT與CONV-RT具有同樣效力。2019年洛桑大學(xué)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(xì)胞淋巴癌患者，治療10天后腫瘤開始縮小，5個(gè)月內(nèi)腫瘤控制良好[23]。少量體外腫瘤細(xì)胞存活及DSB產(chǎn)額實(shí)驗(yàn)[6,18]結(jié)果顯示，F(xiàn)lash-RT與CONV-RT相比并無明顯差異。

3 Flash-RT生物學(xué)機(jī)制

3.1 氧耗竭 目前關(guān)于Flash-RT生物學(xué)機(jī)理研究尚不充分。既往研究[25-26]多從放射生物學(xué)出發(fā)，認(rèn)為物質(zhì)會在接受電離輻射后的納秒量級內(nèi)水解，并產(chǎn)生大量OH自由基及活性氧物質(zhì)，迅即與周圍氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成過氧化物，從而對DNA等納米量級有機(jī)分子造成難以修復(fù)的間接損傷，甚至與含鐵蛋白質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，故氧氣被公認(rèn)為有效的輻射增敏劑[25-26]。UHDR照射后，組織局部耗氧速度遠(yuǎn)超復(fù)氧速度，甚至可能達(dá)到瞬時(shí)氧耗竭狀態(tài)[6]，由此可解釋Flash-RT對正常組織的保護(hù)作用，即氧含量較低時(shí)，間接DNA損傷被修復(fù)的可能性增加，DNA雙鏈斷裂損傷降低，故抗輻射性增強(qiáng)。體內(nèi)正常組織細(xì)胞內(nèi)氧濃度遠(yuǎn)低于大氣濃度下體外細(xì)胞及氧張力作用，會更明顯地發(fā)生氧耗竭，可進(jìn)一步解釋小動物組織與體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中Flash效應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)制：腫瘤細(xì)胞內(nèi)Fe2+含量高于正常組織細(xì)胞2～4倍，F(xiàn)lash-RT會使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生更多自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(如生成更多過氧化物)，而正常組織細(xì)胞則更快地阻止產(chǎn)生過氧化物及其后續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且其Fe2+含量較低，可避免與鐵發(fā)生反應(yīng)[25]。

另一方面，徑跡密度效應(yīng)可提高水解自由基之間的再結(jié)合概率，使間接輻射損傷更少。有研究者借助計(jì)算機(jī)模型輔助觀察Flash效應(yīng)的機(jī)制。BOSCOLO等[28]開發(fā)了蒙卡徑跡結(jié)構(gòu)模擬工具，用以觀察不同時(shí)間和輻射條件下水解產(chǎn)物產(chǎn)生、擴(kuò)散及其相互作用的動態(tài)過程；PRATX等[29]則基于氧代謝與擴(kuò)散平衡和氧耗竭理論建立模型，預(yù)測Flash效應(yīng)可隨輻射脈沖時(shí)長從低于1 s增加至10 s逐漸消失，毛細(xì)血管氧張力變化也致Flash效應(yīng)減低。LAI等[30]開發(fā)了基于GPU加速的蒙卡程序，用以預(yù)測Flash-RT中與氧相關(guān)化學(xué)反應(yīng)。

3.2 免疫效應(yīng) 免疫反應(yīng)同樣可能是Flash-RT效應(yīng)的潛在生物機(jī)制之一。最近一項(xiàng)對比Flash-RT和CONV-RT小鼠全基因組微陣列的分析[31]結(jié)果提示，F(xiàn)lash-RT可大范圍抑制小鼠免疫系統(tǒng)激活和發(fā)展。一項(xiàng)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(xì)胞的效果，但未發(fā)現(xiàn)腫瘤反應(yīng)存在明顯差異，可能原因是接受極短時(shí)間Flash-RT輻照的淋巴細(xì)胞更少，從而降低了輻射誘導(dǎo)染色體畸變產(chǎn)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(xì)胞的殺傷效果，假設(shè)人體血液循環(huán)時(shí)間為60 s，UHDR僅殺死了10%循環(huán)免疫細(xì)胞。

4 小結(jié)與展望

Flash-RT是極具潛力放療技術(shù)，相關(guān)研究已觀察到Flash效應(yīng)，但對Flash-RT腫瘤控制率的生物研究成果仍有限。探究Flash效應(yīng)生物機(jī)制對于實(shí)現(xiàn)Flash-RT臨床轉(zhuǎn)化具有重要指導(dǎo)意義。目前關(guān)注點(diǎn)多集中于氧耗竭理論，且大部分研究結(jié)果顯示氧耗竭對Flash效應(yīng)確有貢獻(xiàn)。對于放射生物效應(yīng)建模研究，F(xiàn)lash生物效應(yīng)機(jī)制或預(yù)測模型應(yīng)與生物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。目前應(yīng)進(jìn)一步探討免疫調(diào)節(jié)對Flash效應(yīng)的實(shí)際貢獻(xiàn)，量化評價(jià)Flash-RT免疫反應(yīng)的差異或其他生物終端反應(yīng)是否與CONV-RT有所不同。另外，還需建立Flash-RT束流輸運(yùn)物理參數(shù)的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，包括瞬時(shí)脈沖劑量率或平均劑量率、整體照射時(shí)間閾值及劑量分次閾值等。Flash-RT生物機(jī)制研究及其臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用均面臨諸多挑戰(zhàn)，而這也正是放療領(lǐng)域發(fā)展和革新的重要機(jī)遇。