综  述
中国医学装备2022年12月第19卷第12期  China Medical Equipment 2022 December V ol.19 No.12
①甘肃省人民医院放疗二科 甘肃 兰州 730000*通信作者：****************
作者简介：刘小军，男，(1976- )，博士，副主任医师，从事恶性肿瘤放射及内科工作。
[文章编号] 1672-8270(2022)12-0181-06  [中图分类号]  R814.2  [文献标识码] A
The latest research progress on FLASH-RT biological effect/LIU Xiao-jun, MA Wen//China Medical Equip
ment,2022,19(12):181-186.
[Abstract] High dose rates radiotherapy (FLASH-RT) is one kind of new technique which ultrahigh dose rate radiation is main characteristic, whose dose rate can reach to 40 Gy/s or higher that is obviously higher than 2-20 Gy/min of conventional radiotherapy. Many in vivo and in vitro researches have verified that FLASH-RT can shorten time of therapy, and better protect normal tissue as well as keep curative effect. At present, the effect of FLASH-RT radiobiochemistry has been gradually cleared, and the protective effect of that on normal tissue might be correlation with transience oxygen stripping caused by radiative oxygen consumption. The sources of FLASH RT ray included photon (X-ray), electron, proton and heavy ion, and the applications of the photon (X-ray) and electron of them are the most common. This research embraced the research progress of FLASH-RT biological effect to conduct a review.
[Key words] Malignant carcinoma; High dose rates radiotherapy (FLASH-RT); Proton radiotherapy; Photon radiotherapy; Radiation chemistry
[First-author’s address] The Second Division of Radiation Oncology, Gansu Provincial Hospital, Lanzhou 730000, China.
[摘要] 高剂量率放射(FLASH-RT)是一种以超高剂量率照射为主要特征的放射新技术，其剂量率可达40 Gy/s或更高，明显高于传统放射的2～20 Gy/min。多项体内及体外研究证实，FLASH-RT可缩短放射时间，在保持疗效的同时更好地保护正常组织。FLASH-RT放射生物化学效应逐步明确，其对正常组织的保护作用可能与辐射性氧消耗导致的短暂氧剥离相关。FLASH RT的射线来源包括光子(X射线)、电子、质子和重离子，并以光子(X射线)和电子的应用最为普遍，故围绕FLASH-RT的生物学效应研究进展进行综述。
[关键词] 恶性肿瘤；高剂量率放射(FLASH-RT)；质子放射；光子放射；放射生物学；辐射化学DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2022.12.038
刘小军①  马 文①*
高剂量率放射生物学效应研究进展
恶性肿瘤患者在整个周期中通常需要接受放射，考虑到正常组织器官的毒性反应，相当部分
的放射剂量受到限制。高剂量率放射(high dose rates radiotherapy，FLASH-RT)是一种以超高剂量率照射为主要特征的放射新技术。与常规剂量率放射相比，FLASH-RT具有全新的放射生物学机制，对正常组织具有良好的保护作用，成为放射领域的新热点。FLASH-RT的发展历史可追
溯到20世纪50年代：1959年，Dewey和Boag两位科学家发现高剂量率照射可以保护细菌免受辐射损害，首次将这种现象命名为“FLASH效应”；70年代，Hornsey等证实了高剂量率放射引发的组织缺氧现象，以及正常组织和肿瘤组织对高剂量率照射的差异性反应；2014年，Favaudon将这种高剂量率放射正式命名为FLASH-RT [1]。传统放射的剂量率位于0.1～0.40 Gy/s之间，FLASH-RT最
初采用5 MeV脉冲的电子束，每个脉冲的剂量率达到106～107 Gy/s，平均剂量率达40 Gy/s或更高，且持
续时间＜500 ms。FLASH-RT的射线来源包括光子(X射线)、电子、质子和重离子，并以光子(X射线)和电子的应用最为普遍。
多项体外和动物研究表明，FLASH-RT能够在保护正常器官和组织的同时，保持与传统放射相同的疗效[1]。第一例接受FLASH-RT的患者为75岁的皮肤T细胞淋巴瘤患者，既往接受放射和系统后病情进展，其FLASH-RT靶区选择直径3.5 cm 的皮肤病灶，出束时间90 ms，单次剂量15 Gy，剂量验证采用胶片法和丙氨酸剂量仪，经FLASH-RT后3周出现Ⅰ度皮肤反应和瘤周软组织Ⅰ度水肿反应，光学相干断层扫描检查未发现表皮厚度减低，无基底膜中断，但血管新生轻度受限，同时肿瘤达到完全缓解，并在随访的5个月内未出现肿瘤再进展[2]。该
综  述
项验证了此前关于FLASH-RT的研究成果，增强了医生和患者信心，标志着FLASH-RT的成功转化。
当前，FLASH-RT的放射生物化学效应在一些细胞、组织和动物水平得到初步探索。辐射性氧消耗引起的组织短暂氧剥离被认为是FLASH效应组织保护作用的关键所在。为此，综述各类型FLASH-RT 对重要器官的保护作用，并分析FLASH-RT组织保护作用的分子机制。
1  FLASH-RT的放射生物化疗机制
对FLASH-RT组织保护作用的分子机制进行探索，有助于加深对放射生物和放射化学理论的认识，促进放射发展。
Spitz等[3]从放射生物和放射化学角度，推测FLASH-RT对正常组织形成保护作用的机制。首先，FLASH-RT可最大程度消耗肿瘤组织中的氧，形成过氧化物，但其对正常组织不产生该效应。FLASH-RT剂量率越大，消耗的氧越多，肿瘤组织与正常组织的差异越明显。正常组织具有高效调节内源性不稳定铁的能力，可发生芬顿反应，即过氧化氢与二价铁离子的混合溶液将有机化合物氧化为无机态，肿瘤组织则不能发生此反应。正常组织的代谢仅生成少量促氧化剂，但具有大量可以还原过氧化物的酶，正常组织可比肿瘤组织更快地清除组织中的过氧化物。当FLASH-RT的剂量率足够高时，则可转化正常组织及肿瘤组织中所有的氧，生成过氧化物，但正常组织可通过抗氧化途径，在芬顿反应或过氧化反应出
现前，清除所有过氧化物，而肿瘤组织不具有大量的过氧化物还原酶，因此不具有快速清除过氧化物的能力，如此造成肿瘤组织和正常组织对FLASH-RT的区别反应。在传统放射中，正常组织和肿瘤组织仅生成少量过氧化物；而在FLASH-RT时，正常组织的大量过氧化物快速出现并消失，肿瘤组织的大量过氧化物虽然可快速出现但不能很快消失。
多项体外研究和动物研究验证了FLASH-RT的原理。Cao等[4]采用磷光淬灭法和氧探针法检测水模中的氧含量变化，射线为10 MeV电子束，FLASH-RT
中国医学装备2022年12月第19卷第12期  高剂量率放射生物学效应研究进展-刘小军 等
剂量率为300 Gy/s，传统放射剂量率为0.1 Gy/s。结果表明，与传统放射相比，FLASH-RT可明显导致水模氧含量下降。
Kim等[5]通过Lewis肺癌裸鼠移植瘤模型比较FLASH-RT和传统放射照射对肿瘤微环境的影响，单次剂量为15 Gy，研究结果表明，与传统放射相比，FLASH-RT可减少血管闭塞，肌肉组织肌球蛋白轻链和γH2AX[磷酸化H2A组蛋白家族成员X，一种脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)双链降解产物]表达下降，表明其对肌肉和血管的损伤效应减少。
Buonanno等[6]对质子FLASH-RT对正常细胞的保护作用进行研究。结果显示，质子FLASH-RT对肺成纤
维细胞的克隆形成能力的影响并不明显，但随着剂量率的增加(0.05～1000 Gy/s)，DNA损伤标志物γ-H2AX焦点形成数目、衰老细胞数量及炎性因子表达(TGF-β)明显减少，反映了FLASH-RT对肺组织的远期保护作用ADDIN EN.CITE。
Jansen等[7]运用电子、质子和碳离子3种射线，采用超高剂量率照射水模，实时监测照射期间水模中的氧含量变化，发现3种FLASH-RT均可造成水模中氧含量下降，但并未完全消除氧，在体外模型中，3种射线的FLASH效应未见明显差异。
目前尚无重离子FLASH-RT的实验研究。活性氧(reactive oxygen species，ROS)对重离子的辐射效应具有重要意义[8]。根据径迹氧假说，在乏氧状态下暴露于高线性传能线(linear energy transfer，LET)射线径迹周围(如布拉格峰)的细胞会产生大量ROS，形成瞬时“氧化性”微环境，有利于抗肿瘤效应的发挥[9]；而在能量沉积的平坦区域(正常组织区域)，ROS 生成较少，所以难以发挥辐射损伤效应，这是重离子放射能够保护正常组织的主要原因。FLASH效应显示，高剂量率辐射快速消耗大量组织氧，造成“氧剥离”现象，并产生大量ROS和过氧化物，瞬时分布于受照肿瘤组织中并难以清除，造成辐射损伤，发挥抗肿瘤效应。因此，重离子放射与FLASH 效应有可能产生相加或协同作用。如可证实重离子
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FLASH-RT也通过“氧剥离”发挥组织保护效应，重离子放射和FLASH效应的优势将进一步放大[10-11]。
2  光子FLASH-RT对重要脏器的保护作用
2.1 光子FLASH-RT对脑的保护作用
FLASH-RT对脑功能的保护作用在体外和动物研究中得到了较多验证，为其在临床应用打下良好基础。Montay-Gruel等[12]使用x-线FLASH-RT对小鼠行全脑照射，单次剂量为10Gy，结果未发现小鼠记忆缺失，对海马神经元细胞分裂方面的损伤减少，继发性胶质细胞的增生反应降低，体现了FLASH-RT 良好的组织保护作用ADDIN EN.CITE。Montay-Gruel等[13]研究显示，增加放射剂量率(从0.1Gy/s 到100Gy/s)，可降低全脑放射所致的正常脑组织损伤，有助于保持记忆力。该研究者另一研究[14]比较了FLASH-RT(>100Gy/s)与传统放射(0.07～0.1Gy/s)的脑功能保护作用和分子机制，发现FLASH-RT未降低小鼠学习和记忆功能，而传统放射在6个月时出现了神经认知功能的改变；FLASH-RT未出现焦虑、抑郁或诱发记忆减退；该研究也显示，增加脑组织氧分压可逆转FLASH-RT的神经保护作用，表明FLASH效应的发生与氧关系密切；并且FLASH-RT与传统放射相比，生成的ROS减少，降低了神经炎症反应的发生机会，有助于神经保护。Simmons等[15]研究探索了两种放射方法对海马树突棘和炎症因子的影响，发现FLASH-RT在保护认知功能方面具有优势，并且有助于降低神经组织的炎症反应，减少胶质细胞增生。除单次分割外，Montay-Gruel等[16]在小鼠模型上证实了多次分割FLASH-RT的神经保护作用。ROS的生成与放射的抗肿瘤效应相关，因此，FLASH-RT对ROS的减少是否影响抗肿瘤的疗效值得关注，该研究则进一步证实，ROS的下降不会减低FLASH-RT疗效[16]。
Alaghband等[17]以年幼小鼠为研究对象，采纳多个行为量表进行评分，以期证明FLASH-RT对儿童脑肿
瘤的神经保护功能。两组均采用全脑放射，单次剂量均为8Gy，使用目标追踪、新物体识别、恐惧记忆消退实验、黑白箱实验、社会交互作用等行为量表，结果显示，与传统放射相比，FLASH-RT在保持认知功能、保护未成熟和成熟神经元、减少小胶质细胞增生以及维持血浆生长激素水平方面具有明显优势。尤其是FLASH-RT未减少成熟(双皮质素阳性)和未成熟神经元(神经元特异核蛋白阳性)数量，也未诱导出现神经元炎症现象。FLASH-RT对认知和情感功能的保护作用，有利于髓母细胞瘤等儿童肿瘤的。
FLASH-RT的脑保护作用机制尚未清晰。星形胶质细胞增生对FLASH-RT和传统放射的差异反应，可能是FLASH-RT更少发生脑损伤的原因所在，但未能得到研究证实。Montay-Gruel等[18]检测两种放射情况下，星形胶质细胞和免疫信号通路激活的标志物包括胶质纤维酸性蛋白和Toll样受体未显示出差别；两组的补体C1q和C3改变也未显示出差异[18]。Allen等[19]以脑组织特有的血脑屏障为切入点，比较两种放射方法的血管扩张现象和紧密连接蛋白claudin-5的表达，发现FLASH-RT对微血管完整性具有保护作用，有可能是其脑保护作用的机制所在。FLASH-RT脑保护作用的分子机制仍需进一步探索。
2.2 光子FLASH-RT对肺的保护作用
肺泡对辐射较为敏感，肺损伤是胸部肿瘤放射的主要考量因素。放射肺损伤的小鼠模式多采用
C57BL/6J小鼠，单次剂量全胸照射。肺辐射损伤的病理改变表现多种多样，主要包括DNA损伤、氧化应激、细胞衰老、炎症等，临床表现为急性肺炎和慢性纤维化[20-21]。Fouillade等[22]研究发现，FLASH-RT较传统放射减少了肺组织正常细胞的DNA损伤，更有利于保护肺组织祖细胞和干细胞，同时减轻对端粒酶的损伤，减少多次复制所致的细胞衰老。2.3 光子FLASH-RT对皮肤的保护作用
放射所致的皮肤损伤非常普遍。炎症反应和氧化应激反应被认为是放射性皮肤损伤的病理基础。根据发病时间，放射性皮肤损伤又分为急性损伤和慢
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性损伤。根据皮肤损伤的分级，可考虑给予皮质激素药膏外敷、护手霜外敷或水凝胶等。慢性皮肤损伤可能出现溃疡、血管扩张、硬化等，可考虑进行间充质干细胞、高压氧、超氧化物歧化酶及低强度激光等手段[23]。Soto等[24]在小鼠模型采用单次30～40Gy的剂量照射胸部皮肤，与一般放射相比，FLASH-RT不仅减少了放射性皮肤炎的发生，还可减轻皮肤溃疡的严重程度。Vozenin等[25]以高等哺乳动物(猪和猫)为研究对象，以脱毛反应和皮肤纤维化为观察指标，再次证实了FLASH-RT的皮肤保护优势。
2.4 光子FLASH-RT对血液的保护作用
将FLASH-RT用于白血病并保护骨髓的研究较少。Chabi等[26]使用急性淋巴母细胞白血病患者的骨髓液和脐带血来源的造血干细胞，将其接种于裸鼠，建立白血病裸鼠移植模型，以Oriatron eRT6直线加速器(法国PMB-Alcen公司)为平台，接受4Gy FLASH-RT或传统的全身放射，结果表明FLASH-RT降低了造血干细胞的功能损伤，且白血病得以缓解。该研究体现了FLASH-RT对骨髓的保护优势及其对白血病的作用。Jin等[27]研究提示，FLASH-RT对循环免疫细胞同样具有保护作用。2.5 光子FLASH-RT对胃肠道的保护作用
小肠对放射较为敏感，限制了放射剂量的提高。Eggold等[28]以转移性卵巢癌小鼠为研究对象，切除其腹部转移灶后照射全腹部，比较FLASH-RT和传统放射对小肠损伤的优势。结果发现FLASH-RT胃肠道损伤反应较小，有利于保护胃肠道正常功能和维持上皮细胞完整性，保护隐窝基底柱状细胞免受放射损伤。两种放射在抗肿瘤疗效方面一致。Ruan等[29]在小鼠模型中比较了FLASH-RT与传统放射对小鼠肠管的损伤反应，发现FLASH-RT可保护小肠，并且可减少对肠道菌的影响；FLASH-RT对肠管的保护效应与剂量率直接相关，即剂量率越高保护效应越明显；保护效应不仅与剂量率有关，也与射线的时序脉冲传递结构(单位脉冲的吸收剂量和脉冲间隔)有关。上述研究显示了FLASH-RT对胃肠道的保护优势。
3  重离子FLASH-RT和质子FLASH-RT
上述研究所使用的FLASH-RT的射线为光子或电子束，属于低LET射线，无布拉格峰，相对生物效应低，氧增强比高。重离子(如碳离子)射线属于高LET射线，其与FLASH-RT的结合具有重要意义。目前尚无将重离子用于FLASH-RT的研究报道。未来重离子FLASH的剂量率有望达到100Gy/s，使用重离子设备产生FLASH-RT可能成为未来的重要发展方向。质子射线同样属于高LET射线，但用于FLASH-RT时的相对生物学效应研究较少[30]。
目前，有动物研究使用了质子束FLASH-RT。Diffenderfer等[31]首次验证了质子FLASH-RT的腹部保护作用，该研究的辐射源采用双向散射质子束，使用不同深度的水膜进行绝对剂量测定，使用法拉第杯对绝对积分电荷进行验证，并使用碘化钠检测仪分析实时剂量率，构建胰腺癌小鼠动物模型，分析放射后发生小肠纤维化的情况和干细胞的再分布情况。FLASH-RT和普通放射的剂量率分布为78Gy/s 和0.9Gy/s。结果显示，质子束FLASH-RT降低了经18Gy照射后的小肠急性细胞丢失和纤维化水平；两种放射的肿瘤控制率无差别。
Zhang等[32]建立了质子束FLASH-RT以及剂量测定和验证系统，采用双散射质子束照射小鼠，剂量率在布拉格峰的入射方向达到138Gy/s，剂量和剂量率通过辐射发光胶片和法拉第杯两种方法的验证，获得了满意的剂量分布，并发现辐射所致的纤维化等副作用明显降低，再次证实了质子FLASH-RT的正常组织保护作用。
Cunningham等[33]使用更为新颖的笔形束质子作为FLASH-RT辐射源，使用不同剂量率(50～115Gy/s)照射小鼠腿部，结果显示质子FLASH-RT对肺、皮肤和肌肉的良好保护作用。该研究也探索了FLASH- RT和普通放射分子损伤机制的差异，包括DNA 损伤和修复、炎症反应、免疫调节等。两种放射在树突细胞成熟、T细胞蛋白激酶C信号通路、原始T 细胞的分化和凋亡等方面显示出差异性。reactive oxygen species名词解释
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综  述
在重离子放射中，正常组织落在能量沉积
的平坦区域，肿瘤组织落在能量沉积的布拉格峰区
域，使重离子放射具有“天然”的组织效应，
与FLASH-RT产生一致效应。因此，重离子和
FLASH-RT的结合将产生组织保护的协同作用，可
能具有更为优良的生物学效应。
4  展望
FLASH-RT从改变射线的物理性能出发，提高
放射对重要组织的保护作用。FLASH-RT始于
设想，经过体外模型和动物模型验证，最终转化为临
床实践，并逐步显示出背后的放射生物化学机制，是
医学研究从理论到实践再到理论的典范。为此，介绍
FLASH-RT的历史演变、分类、对重要脏器的保护
作用及具体机制。当前，电子束和光子FLASH-RT
的研究在各国得以逐步开展，质子FLASH-RT方兴
未艾，重离子FLASH RT呼之欲出。同时，FLASH-
RT的分子机制基本明确，氧剥离假说逐步收到认可。
其中，肿瘤组织和正常组织对放射生物化学效应的差
异性反应，是FLASH-RT组织保护作用的关键所在。
FLASH-RT独特的组织保护作用，具有广阔的应用前
景和研究价值。
中国医学装备2022年12月第19卷第12期高剂量率放射生物学效应研究进展-刘小军等
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