放療作為腫瘤治療的重要手段之一，實現治愈和治療不良反應之間的平衡一直是臨床放療追求的目標。近年來，超高劑量率放療（簡稱FLASH放療、閃療）作為放療的新模式，顯示出了巨大潛力，其使用比常規劑量率（conventional dose rate，簡稱CONV）放射治療（3~10 Gy/min）高幾百倍以上的劑量率（≥40 Gy/s）進行劑量輸送，可以在給出相似的腫瘤控制能力的前提下，減少輻射誘導的正常組織損傷。

在射線質的選擇上，電子 、光子、質子均有發現FLASH效應的相關研究報道，但是，電子束的深度劑量分布特點僅限于治療淺表腫瘤，光子在腫瘤下游的穿射劑量增加了周圍正常組織的暴露面積，而超高劑量率質子放射治療（FLASH proton radiotherapy，FLASH-PT）有機會克服上述局限成為更安全有效的FLASH放療解決方案。

因此，本文將從細胞、動物、臨床水平的研究，匯總FLASH-PT既往研究成果，歸納FLASH-PT效應機制的假說，旨在為推進FLASH-PT研究和臨床轉化提供參考。

FLASH-PT相關細胞實驗

在正常細胞體外實驗方面，Buonanno等關于人胚肺成纖維細胞（IMR90）的研究發現，相比于常規劑量率質子放射治療（CONV-PT），FLASH-PT在減輕長期不良反應方面具有優勢。將IMR90細胞的20 Gy分別以0.05、100、1000 Gy/s照射，1個月后測得衰老細胞的比例分別為80%、58%、39%；將IMR90細胞的20 Gy分別以0.2、1000 Gy/s照射，1個月后測得FLASH組（1000 Gy/s）與炎癥反應相關的轉化生長因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）僅增加0.4倍，而CONV組（0.2 Gy/s）組增加了2.7倍。但對于急性效應來說，只有在大劑量照射時，FLASH-PT才能夠增加IMR90細胞的存活率。這可能是在體外常氧（21%）條件下，細胞氧濃度遠高于體內正常細胞的氧濃度（3%~7%），因此需要更高的劑量才能誘導耐輻射的缺氧環境。

未來可以通過在不同的氧張力下進行體外研究來確定理想的FLASH放療照射條件。

FLASH-PT相關動物實驗

在過去的幾年中，FLASH-PT對腫瘤的控制和減少正常組織不良反應的能力已經在多種遺傳背景的臨床前模型中得到了證實。但也有部分研究給出了陰性結果，即FLASH-PT后組織損傷加重。

1. FLASH-PT與CONV-PT具有相似或者甚至更好的腫瘤控制

研究表明，FLASH-PT可以產生與CONV-PT相似或者更好的抗腫瘤反應。無論是在上皮源性腫瘤（口腔癌、胰腺癌）還是間葉源性腫瘤（肉瘤），FLASH-PT和CONV-PT均對腫瘤的控制相當。并且Sørensen等在皮下乳腺癌小鼠模型證實，FLASH-PT（51 Gy）和CONV-PT（49 Gy）之間的50%腫瘤控制的劑量（50% tumor control dose，TCD50）值相似。但Shukla等 在原位Lewis肺癌小鼠模型中，對荷瘤小鼠的肺進行18 Gy的單劑量照射，并于照射后第5天和第8天處死小鼠收獲肺組織，發現與CONV-PT（1 Gy/s）相比，FLASH-PT（60 Gy/s）后肺組織中腫瘤細胞數量更少，并且還觀察到接受FLASH-PT的小鼠腫瘤組織中募集了更多的CD8 +T細胞。這種FLASH介導的肺腫瘤免疫微環境的改變可能是在等劑量照射下FLASH-PT優于CONV-PT的原因之一。

2. FLASH-PT減輕皮膚不良反應

質子束掃描（CONV）雖然具有高精度，但在頭頸部鱗狀細胞癌和乳腺癌患者中經常觀察到皮膚損傷，從急性皮炎到晚期纖維化不等，不僅使患者日常活動受限，還可能導致治療延遲。相比于CONV-PT，FLASH-PT在降低皮膚不良反應方面顯示出了巨大潛力。Cunningham等用FLASH-PT和CONV-PT照射小鼠后肢，結果表明，在相同劑量（35 Gy）照射后，FLASH組（47%）出現濕性脫屑的小鼠顯著少于CONV組（100%），FLASH-PT還能夠減少促炎因子的累積，如FLASH組皮膚中TGF-β1在照射后第4天恢復到正常水平，而CONV組TGF-β1在照射后第4天仍在持續增加。Sørensen等以50%小鼠皮膚發生濕性脫屑所需的劑量為生物學終點證實FLASH-PT需要比CONV-PT多44%~58%的劑量才能造成相同的損傷。Velalopoulou等在接受30 Gy照射的小鼠腿部病理學切片看到，CONV-PT后炎癥和壞死侵入真皮層和皮下組織，FLASH-PT組小鼠皮膚損傷多表現為表皮輕度潰瘍，并保留了更多的毛囊。

3. FLASH-PT減輕腸道損傷

許多接受腹部或骨盆質子放療的腫瘤患者可能會面臨因光束遠端射程不確定性和腸道運動的影響，使得腸道發生出血、穿孔、纖維化的風險增加。相比于CONV-PT，FLASH-PT在減輕腸道急性和晚期損傷方面均存在優勢。Diffenderfer等發現，接受15 Gy腹部FLASH-PT［（78±9）Gy/s）］的小鼠比接受CONV-PT［（0.9±0.08）Gy/s）］的小鼠保留了更多的腸道再生隱窩細胞，而再生隱窩細胞作為各類型腸道細胞的庫來源，在維持腸道穩態和功能中發揮重要作用。此外，在18 Gy的局部腸道照射后8周收集的腸段中，發現FLASH-PT明顯減少了腸道纖維化，FLASH-PT組腸纖維化程度與未照射組相似。

4. FLASH-PT減少認知不良反應

在腦腫瘤患者中，質子治療雖可以通過最大限度地減少正常腦的暴露來降低放療后的神經認知障礙，但這種益處僅在治療局灶性靶點時實現，在全腦照射時，產生的不良反應與光子放療相似，尤其在兒童患者治療后更為顯著。相比于CONV-PT，FLASH-PT在降低腦腫瘤治療過程中腦不良反應方面具有潛在優勢。Iturri等在大鼠原位膠質瘤模型中證實，接受25 Gy FLASH-PT的大鼠對熟悉物體有良好的記憶，而同等劑量下CONV組的大鼠無法識別熟悉的物體。Williams等的研究也在幼年大鼠腦組織中證實了FLASH-PT對記憶功能的保護。此外，Dokic等研究發現，FLASH-PT通過減少正常腦組織照射后的DNA損傷、微血管結構破壞、炎癥小體的激活，降低小膠質細胞信號來減輕放療后的腦不良反應。

5. FLASH-PT減少肌肉和骨骼損傷

研究表明，相較于CONV-PT，FLASH-PT在減少肌肉和骨骼損傷方面同樣具有優勢。Velalopoulou等分析了接受30 Gy CONV-PT和FLASH-PT的小鼠，在輻照后27 d腿部肌肉和骨骼變化。在小鼠腿組織學切片中發現，CONV-PT組顯示出了更多肌肉和骨損傷證據，如肌纖維橫截面直徑明顯減小（萎縮）、肌細胞的胞質空泡化、胞核內化，骨骼出現了大面積含活化破骨細胞和成骨細胞的骨吸收區域。通過對CONV組和FLASH組小鼠骨進行RNA測序，發現CONV-PT能夠上調脊索發育、關節發育、骨重塑相關途徑，但FLASH-PT不會對這些途徑造成影響。

6. FLASH-PT的陰性結果：FLASH放療主要通過保留正常組織來增加放療的適應證，但一些研究發現FLASH放療對組織的保護存在一定的閾值，當超過這一限度，過高的物理劑量可能會對健康組織造成嚴重損傷。Mascia等的研究表明，對于小鼠皮膚組織來說：在劑量低于45 Gy時，FLASH組表現為濕性脫屑的小鼠明顯少于CONV組（25%比80%）；但當劑量為45 Gy時，FLASH組和CONV組濕性脫屑的比例差異沒有統計學意義。另一項研究發現，對于出生11 d的大鼠腦組織來說，5 Gy FLASH-PT能很好地保護大鼠記憶和認知能力，而8 Gy FLASH-PT的保護作用消失。在臨床放療前，為了最大限度地保護正常組織，應仔細評估不同組織的劑量閾值，可以擴展到與人類更相近的動物模型，如豬和狗。同時，由于兒童腫瘤患者獨特的身體特征，在放療后更容易出現嚴重和持續的并發癥，研究不同年齡段FLASH-PT對組織的閾值也是必要的。

Mascia等研究發現，射野的數量、多野照射時射野間的時間間隔也會對FLASH-PT產生負面影響。相比于用單野FLASH筆形線束照射，在30、35 Gy照射下，兩野（2×15 Gy或2×17.5 Gy）FLASH-PT對皮膚的保護作用下降，三野（3×10 Gy或3×11.6 Gy）FLASH-PT對皮膚的保護作用徹底消失。這可能是在多野照射時每野之間設有2 min的間隔，照射總時間延長使得劑量率降低，不足以產生FLASH效應。此外，每野的劑量低于單野照射，導致劑量較低不足以誘發FLASH效應。在將來或許可以采用筆形線束放射治療和調強放射治療組合的形式來實現精確的劑量輸送，同時最大限度地減少輻射暴露的持續時間。

FLASH-PT相關臨床試驗

2020年，美國辛辛那提兒童醫院首次開展了FLASH-PT人體臨床試驗FAST-01，用質子束入口區域對10名腫瘤患者的12個四肢骨轉移灶進行單次FLASH-PT（8 Gy，51~61 Gy/s），結果顯示：FLASH-PT后疼痛總體緩解率（67%）與之前CONV-PT（8 Gy，0.03 Gy/s，65%）相似，不良反應多為皮膚短暫色素沉著和瘙癢。這項前瞻性研究證實FLASH-PT在臨床上是可行的，并且在該患者群體中是安全的。

由于該研究的人群為癌癥晚期，很難觀察到FLASH所致的長期不良反應，后續臨床研究可對患者進行更長時間的隨訪，觀察FLASH-PT對晚期不良反應的效果。并且該研究治療部位僅限于四肢骨轉移，對正常組織影響的評估僅限于皮膚、骨骼、肌肉、淋巴、血管。對于體內更重要臟器的影響處于未知。

因此，2022年辛辛那提兒童醫院提出招募10名在肋骨、鎖骨、肩胛骨、胸骨中有1~3個部位需要治療的患有疼痛性骨轉移瘤的患者參加第二項臨床試驗FAST-02。通過FLASH-PT治療胸部骨轉移瘤，進一步研究胸部骨轉移瘤的適應證、評估治療效果、觀察FLASH-PT對肺部和心臟等重要器官的不良反應（未發表數據）。

FLASH-PT的機制研究進展

FLASH-PT自2019年首次報道至今，眾多研究團隊試圖揭示其作用機制，主要包括氧耗竭假說、免疫假說、DNA損傷假說等。眾多假說都有其試驗依據，有些也存在一定的局限性。

1.氧耗竭假說

眾所周知，氧作為一種放射增敏劑，照射時氧的存在可增加放射效應。氧耗竭假說認為，在FLASH照射條件下，組織消耗氧氣的速度快于再氧合的速度，這使正常組織處于短暫缺氧狀態，敏感性降低，更耐輻射 。對于這一假說的驗證，多是在補氧后發現組織損傷加重，如Iturri等僅在大鼠單側腦FLASH-PT（25 Gy）期間增加吸入麻醉中的氧氣濃度，發現50%的富氧組大鼠在FLASH-PT后出現永久性記憶改變。但通過直接測量FLASH-PT時的氧耗，發現無論是在密封的3D打印水模型中還是小鼠腿部肌肉組織，FLASH-PT的確比CONV-PT消耗更多的氧，但不足以耗盡所有氧。此外，Zhang等比較了在不同氧濃度條件下，FLASH-PT和CONV-PT對小鼠皮膚的影響，發現僅在常氧組小鼠（呼吸正常空氣）觀察到了FLASH-PT對皮膚的保護作用，而吸氧組小鼠（呼吸純氧至少6 min）和低氧組小鼠（低氧濃度）FLASH和CONV之間差異沒有統計學意義。因此，FLASH照射對正常組織的保護可能是氧消耗降低了組織張力，進而降低了輻射的生物效應。

2.免疫假說

免疫假說也被認為是FLASH放療對組織保護的機制之一，主要基于以下兩點。一方面，受益于照射時間極短，FLASH放療可以顯著減少循環血液中受照射的免疫細胞數量，進而減輕免疫系統損傷。近期，Galts等 使用劑量血流量模型對腦膠質母細胞瘤調強質子治療（intensity modulated proton therapy，IMPT）期間循環淋巴細胞進行定量測量，發現CONV IMPT比FLASH IMPT多照射了大約45%的循環血量。另一方面，FLASH照射通過調節免疫因子的表達影響機體免疫應答能力，例如，能夠減少與炎癥反應相關的TGF-β1、趨化因子配體1的表達，促進增強機體防御能力的粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、白細胞介素-6的表達。

但免疫假說同樣受到了挑戰，Zhang等在小鼠FLASH-PT和CONV-PT照射后第7、14、21天收集血樣進行分析，結果發現FLASH組和CONV組之間的淋巴細胞數量差異沒有統計學意義。這可能是只有大約2%的全身淋巴細胞分布在血液中，在FLASH照射期間循環淋巴細胞的損失被腸道、脾臟實體組織淋巴細胞的損失所掩蓋。并且免疫假說多是基于FLASH-PT后結果觀察到的，免疫假說可能需要從FLASH-PT如何改變腫瘤微環境、如何影響基因表達等更為基礎的層次進行探索。

3. DNA損傷假說

經典靶理論認為DNA是電離輻射的主要靶點，尤其是DNA雙鏈的斷裂是細胞突變和死亡的主要原因，嚴重威脅著基因組穩定性。并且高傳能線密度（linear energy transfer，LET）射線（質子）更容易造成復雜且難修復的損傷。因此，了解FLASH-PT后DNA損傷反應對于理解FLASH效應是極其重要的。Ohsawa等將pBR322 質粒DNA溶于1×TE緩沖液中暴露于27.5 MeV質子，發現與COVN-PT（0.05 Gy/s）相比，FLASH-PT（40 Gy/s）組的單鏈DNA斷裂明顯減少。由于單鏈DNA斷裂在活細胞中修復更為容易，有理由推測FLASH照射可以減少導致細胞衰老、基因組不穩定這些與晚期效應相關的非致命性損傷來保護正常組織。

展 望

1.臨床前模型的制備

現有研究使用的動物模型多為皮下腫瘤模型，不能很好地模擬腫瘤發生發展的自然微環境，并且這些模型都是移植了在體外長期培養的細胞系，可能低估了耐FLASH放療的患者群體，需要更多的原位腫瘤臨床前模型進行探索。由于動物模型和人類的差異，需要進一步的研究重新定義對健康組織的劑量限制以及腫瘤根治性的照射劑量。

2. FLASH-PT放射生物學

目前，臨床前研究證實，在FLASH-PT時，健康組織的耐受性增加，確定FLASH-PT時組織α/β值的變化對于后續的臨床治療也是重要的。此外，當用展寬布拉格峰照射組織時，由于布拉格峰及其前后的LET增加，將會導致DNA損傷譜和和放射生物學效應的變化，確定FLASH-PT時組織相對生物學效應（relative biological effect，RBE）值的變化也是必不可少的。

3. FLASH-PT的設備及治療計劃

對于質子FLASH放療，以往的研究大多局限于將質子束通過散射的方式擴展到更大視野范圍，這種方式簡單，容易實現，但存在射野范圍較小、劑量分布無法調節的缺點，很難轉換為人體FLASH臨床治療。用質子筆形線束照射患者時，雖然能夠為每個點提供超高劑量率，但執行此操作所需時間會延長，產生的平均劑量率降低可能不足以產生FLASH效應，可考慮通過增大束斑直徑、減少束斑的數量或者筆形線束掃描搭配靜態束流傳輸設備進行改善。到目前為止，臨床前FLASH-PT研究幾乎沒有使用治療計劃，只采用了簡單的標準化單場治療，但三維治療對放療的成功至關重要，可以推測預測性的治療計劃將成為FLASH放療臨床轉化的關鍵。

4. FLASH-PT的機制

關于FLASH效應背后的生物機制有很多猜測，目前多聚焦于FLASH-PT對正常組織的保護。腫瘤和正常組織差異反應的機制、等效腫瘤抑制的機制尚不清楚。研究這些觀察結果背后的潛在機制不僅可以提高治療效果，還可以進一步完善FLASH放療的安全性和有效性。三維細胞培養模型和類器官代表了體內器官結構和功能的簡化模型，可以為研究FLASH-PT后腫瘤和正常組織中的復雜細胞反應提供支持。

5.適合FLASH-PT的患者

相信在未來許多腫瘤患者將會從FLASH-PT中受益，特別是腫瘤位于深部、靠近危及器官的患者，以及正常組織放射敏感性高、腫瘤具有輻射抗性的患者。FLASH-PT后續相關的臨床試驗可以從適合大分割照射的腫瘤開展。

來源：左曉鑫，張安航，劉琦,等.質子超高劑量率(FLASH)放療研究進展.中華放射腫瘤學雜志，2025，34(02):201-205.DOl:10.3760/cma.j.cn11303020240306-00090