【原】2021FRPT：FLASH的物理机制

ProtonCN 2022-04-07

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2021FRPT会议期间，来自意大利罗马大学的Alessio Sarti、英国Surrey大学的Chiara De Lucia、加拿大多伦多大学Francesco Giuseppe Cordoni、意大利圣拉斐尔大学的Antonello Spinelli、美国得克萨斯西南大学Lixiang Guo、瑞士洛桑大学的Flore Chappuis分别就《FLASH的物理机制》进行了报告，小编将报告内容整理后与大家分享。

术中FLASH使用基于GPU的快速蒙卡的可行性研究

来自意大利罗马大学的Alessio Sarti进行了题为《术中FLASH使用基于GPU的快速蒙卡的可行性研究》的报告，介绍了他们在GPU计算机上用蒙卡计算乳腺癌的术中FLASH剂量研究。

照射装置采用蔡司术中放疗可移动X源，蒙卡能在不到一分钟的时间通过模拟1兆个电子轨迹计算出足够鲁棒的剂量分布。他们认为因为使用GPU而带来短的计算时间，可以使病人在手术台上时花几分钟进行术中图像模拟不同能量和限光筒组合的剂量分布，进行DVH评估，从而找出最佳组合。这种剂量分布加上FLASH对正常组织的损伤减小，有利于他们将这种术中FLASH推广到前列腺胰腺癌、胰腺癌等癌种。

通过放射生物学实验和蒙卡模拟研究FLASH效应假设，评估器官芯片的使用

来自英国Surrey大学的Chiara De Lucia进行了题为《通过放射生物学实验和蒙卡模拟研究FLASH效应假设，评估器官芯片的使用》的报告。

该报告是她的博士论文，采用蒙卡模拟揭示G值【译者注：G值是辐射分解产率，定义为在给定时间内沉积每100 eV能量的分子数】与剂量率和质子LET的相关性，用常规的放射生物实验方法探究常规照射和FLASH的生物效应差别，并进一步证实这样的差别是否有益并带来新方法。器官芯片模拟了人类器官的一个功能微单元，实验用器官芯片微通道的上层有肝窦内皮细胞(LSEK)和Kuper细胞，下层为肝细胞(Hepatocytes)。照射实验在相同条件下分两天照射两组芯片，第一组在3天后进行存活/死亡染色计数，0剂量的芯片为对照组；另一组照射1小时后进行抗体成像测定DNA的损伤。图中淡绿色的点表示存活的集落，这与剂量有关，它们的计数随着剂量增加而减少；单位Gy导致由53BP1蛋白表达的DNA双链断裂计数在肝细胞和肝细胞中分别为22和11。本研究的结论是组织芯片实验很好地对应了DNA损伤计数，表明它能用于FLASH的生物效应的探究。

用描述快速化学反应扩散动力学揭示FLASH效应的多维度扩展广义随机微剂量模型(GSM²)

来自加拿大多伦多大学Francesco Giuseppe Cordoni进行了题为《用描述快速化学反应扩散动力学揭示FLASH效应的多维度扩展广义随机微剂量模型(GSM²)》的报告。

本题目意在建立一个兼顾DNA损伤在时间和空间(细胞间、细胞内)的随机性和电离辐射在物理和生物上随机性的概率模型，如果这个模型需要定量描述FLASH效应，还需要加上极端情形下介质内化学损伤的弥散。GSM2方法是从系统各维度随机性的概率描述开始导出概率分布微分方程的时间演变：随机的亚致死损伤和致死损伤关于微剂量学的分布。模型假设某些自由基的高浓度会降低单位剂量的DNA损伤产量，这取决于自由基浓度，导致诱导的DNA损伤数量减少，从而导致正常组织的保护，因此这是一个物理、生物、化学的协同效应–物理微剂量学追踪集中细胞核的能量；化学自由基的弥散，弥散的重叠区域代表了DNA损伤的减少。这个模型的化学反应-弥散不均匀性还在完善中。

FLASH放疗临床前的前沿剂量学和生物物理模型

来自意大利圣拉斐尔大学的Antonello Spinelli进行了题为《FLASH放疗临床前的前沿剂量学和生物物理模型》的报告。

该研究有几个要点：根据测量在高剂量率下的线性响应、微米级的空间分辨率和纳秒级的时间分辨率特性，选择切伦科夫辐射作为X线和电子线、放射发光作为质子和低能光子的剂量测量方法；为了建立FLASH的生物物理模型，他们归结了DNA损伤的4种动力学和放射化学假设，分别为：氧耗竭、有机自由基-自由基复合效应、轨迹间效应和免疫系统；临床前的在体和离体实验如图所示，实验的肿瘤细胞为脑胶质瘤和鼠黑色素瘤细胞，正常细胞为人类正常星型胶质细胞和鼠黑色素细胞。用4 Gy/min的常规束流和100 Gy/sec的FLASH束流照射，然后对样本进行DNA损伤/修复、凋亡、克隆存活率和耗氧率观测。研究团队的结论是外照射中的FLASH效应会在很大程度上改善和改变未来的放射治疗，特别是提升肿瘤剂量和改变分割方案，他们还将致力于剂量学和生物物理模型的研究。FLASH需要前期的离体和在体试验以揭示其生物机制，他们的临床前结果有利于常规放疗向FLASH的转化。

在体氧气输运模型描述FLASH的生理影响

来自美国得克萨斯西南大学生物医学影像与放射技术实验室Lixiang Guo进行了题为《在体氧气输运模型描述FLASH放疗的生理影响》的报告。

讲者从氧增强比出发提出一个关于放射敏感性下降的模型关系

，如图所示，并且讨论了血流速度、毛细血管间距、毛细血管半径和长度、剂量与剂量率对

的影响并列举了大鼠心脏FLASH放疗的数据。结论是这个在体的氧输运模型表明生理参数能通过氧调节影响FLASH放疗，这些参数影响了氧供应和氧消耗，从而改变了细胞的放射敏感性，组织FLASH损伤下降效应对毛细血管间距改变的参数很敏感，但从这个模型无法推出FLASH放疗有阈值(>40 Gy/sec)的现象，但能预见组织FLASH损伤下降对剂量和剂量率的饱和现象。

在Geant4-DNA中为水在超高剂量率电子束(FLASH)下的射解建模

最后以瑞士洛桑大学放射物理研究所Flore Chappuis进行了题为《在Geant4-DNA中为水在超高剂量率电子束(FLASH)下的射解建模》的视频报告。

Geant4-DNA是一个蒙卡放射生物工具包，含对物理、物理化学和化学过程的模拟。一般情况下，Geant4-DNA模拟下限为1毫秒，但这个时间分辨率对研究FLASH是不够的，因此他们将化学过程再延伸出3个子阶段，在第一个Microscopic阶段中依然继续Geant4对粒子的逐步模拟；在接下来的Mesoscopic子阶段中将模拟体积细分为体积元，物理-化学过程中产生的射解物质在体积元内均匀分布并被散射，体积元的大小在这个子阶段中逐渐增大并在到达第三个Homogeneous子阶段，射解物质又从不均匀回到均匀，时间跨度从几秒钟到几分钟。他们用这个扩展的Geant4-DNA工具包来模拟在3微米水立方体中1 MeV超高剂量率(1~20 Gy)和常规剂量率(~0.01 Gy)脉冲电子束。模拟结果发现随着单脉冲内剂量的提高，射解物质的浓度增加以至于他们之间的作用时间因为相互靠近而缩短，导致H*、OH*、和H3O⁺的早期减少，在100纳秒内的自由基反应大多源自同一电子轨迹，而这之后源自不同电子轨迹上的的自由基化学反应才变得明显。

氧效应是研究FLASH的一个重要的参数，肿瘤组织缺氧，不像正常组织，而解释FLASH现象的假设也基于氧分子，Geant4-DNA把氧模拟为射解清除体，射解物质的化学反应消耗和产生氧，氧的浓度随时间发生变化。下图显示了在不同的单脉冲剂量下不同射解物浓度和氧分压随时间变化的模拟结果：和氢自由基被氧清除，因此水时间的演变与脉冲剂量无关。在高剂量率下，氢氧自由基和超氧离子的寿命较短，这与射解产物的密度有关，并且产生。单脉冲超过10 Gy时，我们看不到氢氧自由基有影响，当然更多的氧带来更强的清除功能，和氢自由基减少得更早，也与氧的总量有关。

一些对FLASH的解释中包括了放射引发的缺氧趋势，我们从模型中也意识到不同脉冲剂量下的氧消耗，氧消耗的时间约在1毫秒内，但在这之后下图所示的4个化学反应过程又会进一步耗氧。(质子中国编辑报道)

信息来源：2021 FRPT