FLASH 放療技術對正常組織保護效應和腫瘤治療效果的研究進展

陳歡 郇 福奎 門闊 戴建榮 任雯廷

國家癌癥中心，國家腫瘤臨床醫學研究中心，中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院放療科，北京 100021

放療、手術和化療是治療惡性腫瘤的主要手段。放療主要通過各種類型的高能量射線對癌細胞的遺傳物質進行破壞，從而起到殺死腫瘤的作用。然而，射線在穿射腫瘤的同時也會對腫瘤周圍的正常組織造成損傷，嚴重影響患者的生活質量[1-3]。因此，在保證放療療效的同時減少不良反應是臨床放療追求的目標。為此，近年來，研究人員一直在尋找最佳的放療方法及劑量分割模式。立體定向放療的應用[4]，無均整器旋轉調強放療技術的普及[5]，質子、重離子等不同射線源加速器的開發和應用[6]都在一定程度上降低了放療導致的不良反應的發生率。近幾年興起的超高劑量率（ultra-high dose rate ，UHDR 或FLASH）放療受到了廣泛關注。FLASH 放療利用超高劑量率照射（≥40 Gy/s）進行超快速放療，其劑量率比常規放療的劑量率高3～4 個數量級，照射時間通常≤500 ms[7-9]。

1959 年，Dewey 和Boag[10]研究結果顯示，相較于普通劑量率的照射，細菌受到短時間大脈沖電子照射時的放射敏感性會降低。1967 年，Town[11]發現，哺乳動物細胞受到大劑量單脈沖照射后的放射敏感性大大降低。1969 年，Berry 等[12]也發現，較低劑量率的照射比納秒級的單脈沖照射對Hela 細胞和中國倉鼠細胞增殖能力的抑制效果更明顯。20 世紀70 年代，雖然研究人員對超高劑量率效應的研究取得了一些成果，但未能將其轉化到臨床應用中[13-16]，其原因可能包括：當時研究人員僅在輕度缺氧的細胞中發現體外誘導的輻射抵抗，提示腫瘤細胞也可能產生類似的抵抗效應，從而影響治療效果；另外瞬時超高劑量率在技術上難以實現。2014 年，Favaudon 等[17]重新提出超高劑量率照射可在不影響腫瘤治療效果的情況下減少放療的并發癥，并正式將這種超高劑量率放療命名為FLASH 放療。近年來，FLASH 放療的研究越來越多。2023 年，Valdés Zayas等[18]為了驗證不同研究中心研究結果的嚴謹性和可重復性，分析了美國MD 安德森癌癥中心和瑞士洛桑大學使用FLASH Mobetron 系統對小鼠進行全腹部照射后產生的急性反應的數據，結果表明，不同研究中心使用相同參數進行照射可以得到穩定且可重復的FLASH 放療效應。

1 FLASH 放療對正常組織的保護效應

目前，FLASH 放療研究的熱點主要集中在其可減輕對正常組織的損傷以及與此相關的生物因素方面。FLASH 放療對正常組織保護效應的相關研究見表1。

表1 超高劑量率放療對正常組織保護效應的相關研究Table 1 Researches on the protective effects of ultra-high dose rate radiotherapy on normal tissues

Favaudon 等[17]從肺部組織形態學、肺部血管和支氣管3 個方面觀察FLASH 放療對肺部造成的損傷，結果顯示：17 Gy 常規放療組小鼠最早在治療后第8 周出現肺纖維化，并逐漸惡化，在第24 周時形成肺實質的密集纖維化；17 Gy FLASH 放療組小鼠未出現肺纖維化的組織形態學特征和轉化生長因子β/SMAD 4 的級聯反應；而且在FLASH 放療劑量遞增（16～30 Gy） 的研究中，行20 Gy FLASH 放療的小鼠仍然沒有出現肺纖維化；在肺部血管和支氣管損傷的研究中，7.5 Gy 常規放療即可使細胞核中的caspase-3 大量裂解，而在17 Gy FLASH 放療組小鼠中未觀察到細胞凋亡。由此可見，FLASH 放療可以降低和減輕正常組織早期和晚期并發癥的發生率和嚴重程度。

研究人員進行了一系列FLASH 放療對大腦認知影響的研究，結果顯示，與采用常規劑量率的放療相比，行FLASH放療的小鼠未出現放療誘導的學習和記憶功能障礙，且未出現顱內反應性膠質增生[19-23]。2019 年，Simmons 等[24]進一步研究發現，小鼠行FLASH 全腦放療后，海馬樹突棘缺失減少，且神經炎癥減少。Alaghband 等[25]對行常規放療和FLASH 放療的幼年小鼠進行神經認知測試，結果表明，與常規放療相比，FLASH 放療對幼年小鼠的神經系統具有明顯的保護效應，為FLASH 放療能夠減輕大腦認知障礙提供了證據。他們還發現FLASH 放療可以保護垂體功能，減輕輻射對內分泌系統產生的損傷。除上述對FLASH 放療和常規放療的電子束進行的研究，2023 年，Iturri 等[26]對FLASH 放療和常規放療進行了質子束的研究，他們采用的FLASH 放療的劑量率為（257±2） Gy/s，常規放療的劑量率為（4±0.02） Gy/s，均以單次大劑量（25 Gy）對大鼠進行顱腦照射，結果表明，大劑量FLASH 質子射束照射也可對神經系統起到保護作用。一項對膠質母細胞瘤進行放療的研究結果表明，低分割多次FLASH 放療對小鼠腦組織同樣具有保護效應[23]。

有研究結果顯示，FLASH 放療對胃腸道也具有保護效應[18,27-28]。Diffenderfer 等[27]以（78±9） Gy/s 的劑量率對植入胰腺腫瘤的同基因小鼠分別行常規放療和FLASH 質子放療，結果表明，與劑量率為（0.9±0.08） Gy/s 的常規放療相比，FLASH 質子放療導致的急性和晚期腸道不良反應極少。但Venkatesulu 等[35]分別對小鼠行腹腔單次16 Gy FLASH放療（劑量率為35 Gy/s）和常規放療（劑量率為0.1 Gy/s），發現FLASH 放療比常規放療更容易誘發急性胃腸道綜合征。 Smyth 等[36]的研究結果也顯示，劑量率為37～41 Gy/s的同步加速器寬束放療（SBBR）對小鼠的正常組織沒有保護作用，這提示FLASH 放療對正常組織保護效應的觸發需要一定的劑量閾值。Zhou 等[37]通過量綱分析估計觸發超短輻射脈沖 FLASH放療保護效應所需的每脈沖最小劑量及最小劑量率的數量級，結果表明，觸發FLASH 放療保護效應的最小劑量為每脈沖3 Gy，最小劑量率可能為57 Gy/s，其非常接近臨床實驗中劑量率＞40 Gy/s 的結論。Zhang 等[29]建立了雙散射系統用于研究FLASH 質子放療對小鼠不同組織和器官的保護效應，其初步研究結果表明，劑量率＞120 Gy/s時，FLASH放療才能對腹部組織產生保護效應。FLASH 放療沒有產生保護效應的原因可能與相關研究中放療的劑量率偏低有關，低劑量率不足以觸發FLASH 放療的保護效應，因此對于誘發FLASH 放療保護效應的條件還需要進行更多的研究。Zhang 等[38]使用＞100 Gy/s 的劑量率對C57BL/6j 和Rag1-/-/C57 品系小鼠（基因敲除小鼠缺乏成熟的T 細胞和B 細胞）進行腹部部分照射，但并未觸發FLASH 的保護效應，反而使2 種品系小鼠的死亡數量增加，這提示物理、化學和生物等相關因素可能獨立或共同影響FLASH 保護效應的激發。

FLASH 放療對小鼠皮膚和軟組織也具有很強的保護作用[30-33,39]。除此之外， Cunningham 等[31]發現，FLASH 質子照射還可減少小鼠腿部攣縮的發生。

2 FLASH 放療對腫瘤治療的效果

在腫瘤細胞的體外實驗方面，Pierre 等[21]使用FLASH（≥100 Gy/s）和常規劑量率（0.07～0.1 Gy/s）分別對小鼠膠質母細胞瘤H454 細胞系進行10 Gy 照射，結果表明，使用兩種劑量率照射的細胞的存活率的差異無統計學意義。當照射劑量提高至20 Gy 時，FLASH 照射可以顯著降低DNA損傷的程度，提高細胞的存活率[34]。而免疫標記的轉化生長因子β1 和衰老標志物的測定結果也表明，照射劑量＞20 Gy時，FLASH 照射組較常規劑量率照射組誘導的炎癥反應顯著減輕。FLASH 放療可減少輻射引起的長期效應的發生，如衰老等[21,34]。Adrian 等[40]發現，與常規放療相比，7 種細胞系（人乳腺癌細胞系MCF7 和 MDA-MB-231、人胚肺細胞系 MRC-5 、人宮頸癌細胞系 HeLa 早期傳代細胞和HeLa 高傳代亞克隆細胞、人結腸癌細胞系 WiDr、鱗狀細胞癌細胞系LU-HNSCC4）中有4 種細胞系（人乳腺癌細胞系MCF7 和 MDA-MB-231、人宮頸癌細胞系 HeLa 早期傳代細胞和HeLa 高傳代亞克隆細胞、鱗狀細胞癌細胞系LU-HNSCC4）在體外常氧條件下存在FLASH 效應，并且細胞系之間的FLASH 效應不同。

在動物體內實驗方面，Favaudon 等[17]建立了人乳腺癌HBCx-12A 和頭頸癌Hep-2 的小鼠模型，結果證實FLASH放療和常規放療均可有效控制腫瘤。 隨后，他們對同基因C57BL/6J 小鼠原位移植肺腫瘤的腫瘤生長曲線進行分析，結果表明，15 Gy FLASH 放療組和15 Gy 常規放療組的治療效果相當，且劑量增加到23～28 Gy 后FLASH 放療組的治療效果更好，不良反應更少。Vozenin等[32]對6 只患有鱗狀上皮細胞癌的貓行FLASH 放療和常規放療，結果表明，行FLASH 放療的貓沒有出現急性不良反應，其中5 只貓的無進展生存期達到16 個月，證實了FLASH 放療具有潛在的優勢。一項FLASH 放療治療人急性T 型淋巴細胞白血病（T-ALL）的研究結果也證實了FLASH 放療具有潛在優勢[41]。在胰腺癌和卵巢癌模型小鼠中，FLASH 放療與常規放療對腫瘤的抑制作用的差異無統計學意義[27-28]。Pierre 等[23]進一步采用更為接近臨床治療模式的分次FLASH 放療和常規放療治療小鼠原位膠質母細胞瘤，結果同樣證實FLASH 放療與常規放療對腫瘤的控制率的差異無統計學意義。值得一提的是，Shi 等[42]發現，當FLASH 放療與免疫檢查點抑制劑聯合使用時，其抗腫瘤免疫反應的效果與常規放療一致，為FLASH 放療聯合免疫治療的開展提供了理論依據。

在人體臨床試驗方面，2019 年，瑞士洛桑大學醫院的Bourhis 等[43]為1 例經過多次治療的75 歲皮膚淋巴瘤患者實施了FLASH 放療，這也是全球首例接受人體FLASH 放療的病例。患者接受放療的部位為1 個長徑為3.5 cm 的腫瘤潰瘍病灶，放療總劑量為 15 Gy，共10 個脈沖，每個脈沖帶寬1 μs，治療劑量率＞106 Gy/s。研究結果表明，行FLASH 放療10 d 后患者的腫瘤開始縮小，36 d 后有潰瘍的腫瘤消失。FLASH 放療過程中僅有照射部位的皮膚毛囊減少、上皮層增厚和皮膚皺褶增多等輕微不良反應，提示FLASH 放療具有理想的療效。

2023 年，辛辛那提兒童醫院/辛辛那提大學醫學中心質子治療中心宣布， FLASH 質子放療首個人體臨床試驗項目——FAST-01 取得臨床試驗成果。FAST-01 臨床試驗對10 例腫瘤患者（年齡27～81 歲）的12 個四肢骨轉移病灶行姑息性FLASH 放療，結果表明，其中8 個病灶（67%）的疼痛癥狀得到了緩解，6 個病灶（50%）的疼痛癥狀實現了完全緩解（無疼痛），其療效和不良事件的發生情況與常規放療一致[44]。目前，FAST-02 臨床試驗也已開展，該臨床試驗主要評估FLASH 放療對正常組織的損傷，以及FLASH 放療在治療胸骨轉移中的應用。FLASH 放療在抑制腫瘤生長方面與常規放療同樣有效。FLASH 放療對腫瘤治療效果的相關研究見表2。

表2 超高劑量率放療對腫瘤治療效果的相關研究Table 2 Researches on the therapeutic effects of ultra-high dose rate radiotherapy on tumor tissues

3 FLASH 效應的生物學機制

3.1 氧耗竭學說

研究人員從放射生物學角度出發，基于FLASH 放療和常規放療對正常組織影響的差異提出了氧耗竭學說。氧耗竭學說認為FLASH 放療的超高劑量率可能會導致受照射組織發生放射性氧耗竭，出現急性的缺氧期，并因此產生短暫的輻射抗性[8,36,46]。具體來說，就是射線粒子與DNA 分子周圍其他的化學物質 （主要是水分子）發生作用，產生大量高反應活性的羥基自由基，羥基自由基結合DNA 引起的損傷很容易被修復。但在富氧環境中，羥基自由基會與氧分子反應生成氫過氧自由基，氫過氧自由基可能會對DNA 造成永久性的損傷[47]。在FLASH 放療中，局部組織在極短的時間內接受大劑量輻射，人體內的水分解產生羥基，導致氧分子耗盡，而新的氧還來不及補充，因此產生了缺氧窗口期，并因此產生瞬態輻射電阻。這種現象在常規放療中不會出現，因為常規放療采用的是比FLASH 放療小得多的脈沖和更長的照射時間。因此，常規放療消耗的氧氣有限，而且有足夠長的時間讓氧氣擴散到被照射區域，以補充已消耗的氧氣。

氧耗竭學說解釋了FLASH 放療對正常組織具有保護效應的原因，但其很難解釋為何FLASH 放療與常規放療有相同的腫瘤治療效果。雖然與正常組織相比腫瘤組織相對缺氧，但大多數腫瘤組織并不完全缺氧[48]。行FLASH 放療后，由于腫瘤組織也會發生放射性氧耗竭反應，因此推測腫瘤組織也會產生輻射抗性。但目前的研究結果似乎并沒有顯示腫瘤產生了輻射抗性。

3.2 免疫學說

與常規放療相比，FLASH 放療激活的免疫應答方式也被認為是其具有正常組織保護效應的潛在機制[7,48]。常規放療常采用分次照射，與一次完成所有劑量的照射模式相比，其會導致更大比例的外周血淋巴細胞被照射[49]。如典型的 60 Gy 腦部放療計劃（2 Gy ×30 次）會導致98.8%的循環血液受到劑量＞0.5 Gy 的照射。有文獻報道，被射線照射的血池總體積可以決定循環血池中染色體畸變的情況，即輻射損傷情況[50]。由于FLASH 放療的照射時間極短，因此它只能導致很少的淋巴細胞被照射，并減少隨后的染色體畸變的發生[8,49]。盡管被照射的淋巴細胞的數量較少，但FLASH 放療會使淋巴細胞受照的劑量增加。假如上述這種獨特的免疫應答機制有助于FLASH 放療保護效應作用的發揮，那么分次模式的FLASH 放療可能在一定程度上影響這種保護效應。

一項關于FLASH 放療和常規放療后小鼠全基因組微陣列分析的對比研究進一步證實了免疫學說[51]。上述研究結果表明，相較于常規放療，行FLASH 放療的小鼠的免疫系統的廣泛激活和免疫細胞的成熟受到抑制。另有研究結果表明，FLASH 放療后腫瘤微環境中T 淋巴細胞的聚集情況有所改善[45]。在FLASH 放療與常規放療對被植入腫瘤細胞的免疫功能低下的動物治療效果的對比研究中，2 種放療方法治療腫瘤的效果的差異無統計學意義[23]。然而，雖然免疫作用與FLASH 放療保護效應相互關聯，但并不存在因果關系；目前尚不清楚在FLASH 照射后的差異性免疫反應是否有利于FLASH 放療產生保護效應。此外，在缺乏免疫功能的細菌和細胞培養模型中可以觀察到FLASH 放療保護效應，這說明任何免疫機制都可能是FLASH 放療保護效應底層機制的一部分。今后還需要進行更多的研究以明確FLASH 放療和常規放療保護效應的差別是否是因為免疫反應或其他生物反應（如DNA 損傷反應或炎癥反應）的不同造成的，且它們是否只是FLASH 放療保護效應潛在機制的一部分。

3.3 其他機制

有研究人員提出，FLASH 放療的保護效應還可以通過限制活性氧的產生來實現[21]。目前已有的初步證據表明，常規放療引起的部分正常組織損傷是由活性氧增加導致的，而FLASH 放療后活性氧含量減少[52]。但該類研究受限于無法直接測量活性氧含量，因此無法進行活體試驗。Vozenin 等[53]認為，正常組織與腫瘤組織對FLASH 放療的不同反應是由于正常組織較低的促氧化劑負荷造成的。他們還發現，FLASH 放療對皮膚干細胞的影響最小，這與文獻報道中FLASH 放療對神經[19]和腸道干細胞的[27]影響較小的結果一致。因此FLASH 放療對干細胞的保護可能也是正常組織損傷減少的潛在機制之一。Yang 等[54]首次揭示了FLASH 放療中腫瘤干細胞和癌細胞的殺傷作用和凋亡途徑，這有助于未來臨床上對FLASH 放療方案的優化。FLASH放療的其他生物學效應還包括可顯著減少促炎癥基因的誘導、表達，減少DNA 的持續性損傷，抑制照射導致的細胞衰老以及促進輻射損傷的修復等[33,55-56]。

4 小結與展望

綜上所述，盡管FLASH 放療具有巨大的臨床應用潛力，并且有希望成為一種新型的放療手段，但目前其生物學機制尚不清楚，技術條件也不成熟，因此如何使FLASH放療的正常組織保護效應可靠、穩定地發揮作用還需要進行更多的研究。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明 陳歡負責綜述的撰寫、文獻的收集與分析；郇福奎、門闊、戴建榮負責綜述的修改；任雯廷負責撰寫思路的指導、綜述的審閱和最終版本的修訂