2025年 · 第45卷第11期

国际上诸多研究表明，电子线、X射线、质子和重离子都可以用于超高剂量率放疗，其中MV级X射线超高剂量率放疗具有广阔的临床前景。中国工程物理研究院应用电子学研究所基于其在强脉冲射线源领域多年的研究积累，在全球率先解决了兆伏级超高剂量率X射线的产生和计量(剂量测量)难题，助力中国走在相关领域的国际前列。本文主要介绍超高剂量率X射线产生、计量和防护领域的发展历程、现状和未来趋势。这些数据将为研究人员在临床和临床前试验、设备研发和标准制定等多个方面提供可靠的参考，以便实现更精确、更可靠的超高剂量率兆伏级X射线产生和计量，期望对超高剂量率放疗技术的深入研究和临床应用提供支持。

超高剂量率放疗(剂量率≥40 Gy/s)以其独特的"FLASH效应"引领放射肿瘤学革新，在高效杀灭肿瘤的同时显著减轻正常组织损伤。本期汇集最新研究，从多维度揭示其生物学机制：在分子层面，FLASH通过差异调控内质网应激、细胞周期阻滞、程序性细胞死亡及能量代谢重编程实现靶向杀伤；FLASH照射可能通过瞬时耗氧形成乏氧窗口，使正常组织高效清除自由基；多项动物实验证实，FLASH能显著减轻急性与远期放射损伤，并有效抑制肿瘤生长。物理与剂量学技术的研究解决超高剂量率精准实施与测量的核心挑战，以期为临床转化扫清障碍。FLASH放疗从机制探索到技术攻坚已奠定坚实根基，其临床转化进程亟待高质量规范化研究的深入推进，最终目标是将这一极具前景的FLASH效应安全、精准地应用于患者，实现肿瘤放疗疗效与生存质量的跨越式提升。

FLASH技术是指剂量率≥ 40 Gy/s的照射，与常规剂量率放疗相比，可显著减轻正常组织损伤，同时具备同样的肿瘤杀伤能力，并且缩短了放疗时间。X-FLASH是一种全新的放疗技术，为了加速其临床转化，相关临床前研究数量快速增长，但缺乏操作规范共识。本共识旨在建立一套标准化的X-FLASH临床前研究体系，涵盖辐射剂量学、细胞、健康小鼠与荷瘤小鼠模型辐照等全流程规范，为解析FLASH效应机制、验证设备性能及指导临床研究提供可复制的临床前研究操作流程。

目的 揭示束流时间结构与组织氧含量对自由基动力学的耦合作用机制，进而解释FLASH效应的潜在生物学基础，并为FLASH放疗的束流优化和计划设计提供参考。 方法 使用TOPAS-nBio v3.0模拟电子束在水中产生的物理与化学作用过程，建立涵盖羟基自由基(·OH)和水合电子(eaq-)等自由基生成、扩散、反应与猝灭的全尺度动力学模型。在不同束流时间结构(单脉冲、多脉冲、连续波照射)及不同氧浓度条件下，系统模拟自由基演化动态。同时，通过实验测试激光吸收光谱获取eaq-含量数据，验证模型预测的准确性。 结果 实验测得的eaq-浓度变化趋势与模拟结果高度一致，验证了所构建模型的可靠性。束流时间结构对自由基浓度峰值与持续时间具有显著影响，单脉冲结构可导致自由基短时间内快速升高后迅速猝灭，而连续或长脉冲结构则引起自由基浓度在较长时间内维持较高水平。·OH的演变对氧环境不敏感，而eaq-则受氧环境影响剧烈。低氧环境下eaq-自由基清除效率明显下降，导致生物大分子的氧化损伤累积增强。富氧环境下eaq-寿命快速缩短。 结论 自由基动力学受到束流时间结构和氧含量的双重调控。FLASH放疗可以利用单脉冲或多脉冲间隙期形成周期性窗口，正常组织通过高效抗氧化清除自由基降低损伤，而肿瘤组织中自由基持续累积并放大损伤，从而产生选择性保护效应。

目的 基于国产X射线FLASH平台，评估FLASH照射与常规照射对健康小鼠脑组织辐射损伤的影响。 方法 将90只8周龄健康雄性C57BL/6J小鼠按随机数表法分为假照射(Sham)组、常规照射(CONV-RT)组及FLASH照射(FLASH-RT)组，每组30只。采用单次20 Gy的全脑照射，FLASH照射剂量率为339 Gy/s，常规照射为0.067 Gy/s。通过水迷宫实验、旷场实验、尼氏染色及免疫组织化学分析胶质纤维酸性蛋白(GFAP)、离子钙结合衔接分子1(Iba-1)，评估不同放疗对神经功能与神经炎症的影响。 结果 CONV组小鼠体质量与FLASH组小鼠在照后第8、9、10、11、12、24天差异具有统计学意义(q＝2.82~5.31，P < 0.05)。照后4个月时FLASH组逃避潜伏期、平台穿越次数、中央区跨越次数、贴壁距离占比与CONV组之间差异具有统计学意义(q＝3.72、2.92、3.28、2.97，P<0.05)。尼氏染色定量结果提示，CONV组与FLASH组在海马CA3和DG区差异具有统计学意义(q＝3.61、3.21，P<0.05)，在CA1区差异无统计学意义(P>0.05)。免疫组织化学结果显示，CONV组GFAP＋阳性区域占比与FLASH组之间差异有统计学意义(q＝2.28，P<0.05)，但Iba-1＋细胞数与FLASH组之间差异无统计学意义(P>0.05)。 结论 X-FLASH照射对脑组织造成的辐射损伤较常规剂量率轻，具有良好的临床转化潜力。

目的 探究超高剂量率(FLASH)较常规剂量率(CONV)X射线全腹照射(WAI)对小鼠急性放射性肠损伤的单次照射剂量-效应差异，进一步探索最佳剂量参数及潜在机制。 方法 将186只雄性C57BL/6J小鼠按简单随机化法分为未照射组(6只)、FLASH组(90只)及CONV组(90只)。以11、12、13、14和15 Gy X射线单次WAI建立急性放射性肠损伤模型(FLASH 200 Gy/s，CONV 4 Gy/min)。评估照射后9 d内小鼠体质量及大便性状、疾病活动指数(DAI)的变化；11、12和13 Gy照射后第7天取肠道观察外观并测量长度，选取小肠进行苏木精-伊红(HE)染色并定量分析各组小肠隐窝数目及黏膜上皮厚度。评估不同剂量WAI后15 d小鼠的生存情况。 结果 11、12和13 Gy单次WAI后FLASH组小鼠体质量高于CONV组(t＝10.17、12.65、10.16，P<0.05)，FLASH组平均DAI分别为1.00±1.10、3.17±0.75和2.83±1.17，低于CONV组的4.33±0.52、7.00±0和8.60±0.55(t＝8.70、11.71、14.99，P<0.05)。而14和15 Gy WAI后FLASH组与CONV组体质量及DAI比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。照射后第7天，在11、12和13 Gy相同单次剂量下，FLASH照射组小鼠较CONV组肠道充血、水肿及短缩程度轻。11和13 Gy剂量下FLASH组小肠长度与CONV组(t＝4.42、3.78，P<0.05)及11和12 Gy剂量下FLASH组结直肠长度与CONV组(t＝3.97、3.12，P<0.05)差异具有统计学意义。小肠HE染色显示FLASH组较CONV组小肠绒毛长、隐窝数目多、黏膜上皮厚、结构更完整，隐窝数目及黏膜上皮厚度差异均具有统计学意义(t隐窝＝13.10、23.80、11.90，t黏膜＝5.75、2.64、7.74，P <0.05)。照射后15 d，15 Gy FLASH组小鼠生存率(50%)高于CONV组(10%)(χ2 ＝ 5.39，P<0.05)，中位生存期延长6 d(HR＝0.340，95%CI：0.115 4 ~ 0.999 9)，而11、12、13和14 Gy剂量FLASH组与CONV组比较差异均无统计学意义(P>0.05)。 结论 11、12和13 Gy FLASH组较CONV组减轻了中等单次剂量X射线WAI诱导的急性放射性肠道损伤，并有提高15 Gy较高单次剂量WAI后小鼠生存率的潜力。该效应可能与肠隐窝保留相关，且存在剂量依赖性。

目的 探讨超高剂量率(FLASH)与常规剂量率(CONV)脉冲X射线照射对小鼠小肠组织损伤模式的差异，为超高剂量率脉冲X射线在胃肠放疗中的应用提供依据。 方法 将32只C57BL/6J小鼠按随机数表法分为假照射组(SHAM)、常规剂量率组(CONV0.067和CONV0.1组)和超高剂量率组(F215组)，接受12 Gy单次腹部X射线照射，剂量率分别为0、0.067、0.1、215 Gy/s，每组8只。在辐射后第3天进行组织病理学(苏木精-伊红染色)、免疫组织化学和Western blot分析，评估肠道组织的病理标志物、氧化应激指标及相关信号通路蛋白。 结果 照射后第3天，所有辐射组小鼠均出现不同程度的肠组织变性坏死、上皮脱落、绒毛缩短和隐窝消失(t＝5.75、8.79、5.71，P< 0.05)。在氧化应激方面，照后第3天，CONV0.067组和CONV0.1组的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、谷胱甘肽(GSH)和总抗氧化能力(T-AOC)水平较F215组显著降低(t＝7.06~10.64，P< 0.01)，丙二醛(MDA)水平显著升高(t＝11.06、8.31，P< 0.01)，而SHAM组与F215组差异无统计学意义(P>0.05)。免疫组织化学和Western blot结果显示，第3天时，与SHAM组相比，各辐射组的Nrf2和HO-1蛋白水平呈上升趋势，Keap1蛋白水平呈下降趋势，其中F215组与两常规剂量率组差异有统计学意义(t＝4.89~20.95，P< 0.05)，这些结果均与前期抗氧化指标变化一致。 结论 超高剂量率X射线照射通过减轻氧化应激与调控Keap1-Nrf2-HO-1通路表达，降低肠道急性放射损伤。

目的 研究碳离子FLASH照射(FLASH-RT)和常规剂量率照射(CONV-RT)后小鼠的急性肠损伤差异及调控机制。 方法 将健康C57BL/6J小鼠27只按随机数表法抽取分为对照组(Control组)、FLASH-RT组(100 Gy/s)与CONV-RT组(0.1 Gy/s)，每组9只，进行碳离子全腹照射。通过磷酸化组蛋白H2AX(γ-H2AX)、细胞核相关抗原67(Ki67)免疫组织化学检测DNA双链断裂(DSB)及细胞增殖；末端脱氧核苷酸转移酶介导dUTP缺口末端标记法(TUNEL)分析凋亡；结合转录组测序解析FLASH-RT和CONV-RT后分子通路差异。 结果 与CONV-RT组相比，FLASH-RT组照射后3 h，肠道γ-H2AX信号显著降低(t＝3.80，P<0.01)；照射后6 h肠道隐窝基底Ki67表达显著增加(t＝4.30，P<0.001)；照射后12 h TUNEL阳性细胞数减少(t＝3.08，P<0.01)。转录组测序分析显示，FLASH-RT特异性激活胰岛素样生长因子(IGF)通路，避免CONV-RT诱导的核因子κB(NF-κB)、B细胞受体炎症通路过度激活及能量代谢抑制。 结论 相较于CONV-RT，碳离子FLASH-RT可以减少DSB损伤，保留肠道干细胞增殖活性，且激活IGF通路及炎症、调控免疫及代谢通路，从而显著减轻急性肠道上皮损伤。其中，DSB减少介导的修复通路调控与炎症通路抑制是潜在的正常组织保护机制。

目的 探究质子FLASH照射(FLASH-IR)和常规照射(CONV-IR)对肾癌细胞周期、细胞凋亡和细胞焦亡的影响。 方法 分别给予人肾癌细胞株769-P 8 Gy质子照射，FLASH-IR的剂量率为40 Gy/s, CONV-IR的剂量率为0.4 Gy/s，对照(Ctrl)组不照射。照射后24 h收集细胞，采用流式细胞术检测细胞周期变化。采用实时荧光定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)和蛋白免疫印迹实验，检测肾癌细胞周期、凋亡和焦亡信号通路相关基因与蛋白表达情况。 结果 质子FLASH-IR使G0/G1期肾癌细胞比例增加[FLASH-IR组vs.Ctrl组：(67.01±0.44)% vs.(38.68±0.63)%，t ＝ -63.99，P <0.05]，而CONV-IR使G2/M期肾癌细胞比例增加[CONV-IR组vs.Ctrl组：(56.65±1.52)% vs.(23.67±0.51)%，t ＝ -29.17，P <0.05]。质子FLASH-IR和CONV-IR均导致肾癌细胞发生凋亡(tFLASH ＝ -16.24~-5.01，P <0.05；tCONV＝-20.08~6.11，P <0.05)并且CONV-IR激活P53/P21通路(t ＝ -16.86~-9.74，P <0.05)。质子FLASH-IR和CONV-IR同样诱导肾癌细胞发生焦亡(tFLASH ＝ -23.36~20.18，P <0.05；tCONV＝-41.62~13.95，P <0.05)，且与CONV-IR相比，质子FLASH-IR使肾癌细胞发生焦亡的程度更高(FLASH-IR组vs.CONV-IR：0.96±0.01 vs. 0.68±0.44，t ＝ -10.46，P <0.05)。 结论 质子FLASH照射和常规照射均会影响肾癌细胞周期变化，促进细胞凋亡和焦亡，但两者存在差异，其机制有待进一步探索。质子FLASH照射在肾癌治疗中有潜在应用价值。

目的 研究质子FLASH与常规剂量率(CONV)照射下对人肝细胞WRL68与人肝癌细胞HepG2的差异作用。 方法 使用100 MeV强流质子回旋加速器对WRL68与HepG2细胞分别开展常规剂量率(0.8 Gy/min)与超高剂量率(40 Gy/s)的质子4 Gy照射，照射后在不同时间点检测细胞增殖、凋亡与周期阻滞变化，并通过转录组测序对不同细胞的基因表达谱变化进行分析。 结果 对于人肝细胞，相较于常规照射，质子FLASH照射提高了细胞增殖活力(t＝10.18~16.67，P<0.05)，降低了细胞凋亡率(t＝3.21~8.30，P<0.05)，同一时间点细胞G2期阻滞占比有所降低(t＝34.08~65.16，P<0.05)。对于肝癌细胞，相较于常规照射，质子FLASH照射显著抑制了细胞增殖(t＝2.57~9.39，P<0.05)，细胞凋亡水平有所提升(t＝3.25~66.70，P<0.05)，周期变化同样集中于G2期阻滞(t＝10.87~27.47，P<0.05)。转录组测序结果显示对于WRL68细胞，在FLASH组与CONV组间共发现906个差异表达基因；对于HepG2细胞，在FLASH组与CONV组间共发现1 243个差异表达基因，差异表达基因的基因本体(GO)与京都基因与基因组百科全书(KEGG)分析表明，细胞黏附、氧效应等可能是FLASH-RT的重要微观作用机制。 结论 质子FLASH照射下人肝细胞放射损伤显著降低，而肝癌细胞损伤加重，相关差异表达基因涉及了多类放射生物学功能通路。

目的 通过直接检测氧含量法对比分析FLASH照射和常规照射的氧消耗与氧效应。 方法 采用磷光探针检测小鼠不同组织和器官氧含量情况。构建小鼠皮下移植瘤模型，实施不同剂量和剂量率电子线照射，分析肿瘤和正常组织氧消耗，观察肿瘤控制情况。采用体外模型分析常规照射和FLASH照射氧消耗水平。不同氧分压下，应用克隆形成实验观察正常细胞常规照射和FLASH照射后存活分数(SF)，拟合氧增强比(OER)曲线。 结果 小鼠皮下移植瘤平均氧含量为1.28%，处于乏氧状态，正常组织平均氧含量为3.51%~6.53%，处于生理氧含量状态。动物实验中，常规照射时未能观察到氧消耗；高剂量率(20 Gy/s)和超高剂量率(FLASH，40 Gy/s)照射伴随氧消耗；FLASH照射时，随着氧含量的增加，肿瘤随组织氧消耗约为0.1~0.2 mm Hg/Gy，而皮肤组织氧消耗为0.19~0.21 mm Hg/Gy，趋于稳定水平。FLASH和常规照射肿瘤控制率相同，随着组织氧含量升高，肿瘤杀伤作用显著增强(t＝3.46，P<0.01)。体外实验中，常规照射氧消耗率约为0.16 mm Hg/Gy，FLASH照射氧消耗平均速率约为0.16~0.18 mm Hg/Gy，随氧含量的增加变化不明显。FLASH照射存在氧效应，当氧分压由生理氧含量转为乏氧时，OER值显著减小。 结论 正常组织和器官处于生理氧含量状态，低于空气氧含量。FLASH照射能够消耗部分氧，存在氧效应；当氧含量降低时，FLASH照射后氧消耗速率下降。

目的 探究不同剂量下电子线超高剂量率照射(FLASH-IR)和常规剂量率照射(CONV-IR)对三阴性乳腺癌细胞(MDA-MB-231)能量代谢影响随时间的变化。 方法 使用Seahorse XF Pro细胞代谢分析仪对比了MDA-MB-231细胞和MCF-10A细胞的基础代谢差异。基于热阴极电子加速器(6 MeV)辐照平台，将MDA-MB-231细胞分别以2 Gy与14 Gy的剂量暴露在FLASH-IR(106 Gy/s)和CONV-IR(0.1 Gy/s)下，同时设置相同培养条件下的假照射组，在照射后4、24、48 h分析线粒体代谢和糖酵解代谢。 结果 乳腺癌细胞MDA-MB-231相较于正常乳腺细胞MCF-10A更倾向于糖酵解代谢。与假照射组相比，2 Gy的CONV-IR在辐照后4、24及48 h均上调MDA-MB-231细胞ATP相关联呼吸水平(t＝2.69~3.70，P<0.05)；而仅在4 h上调糖酵解水平和糖酵解潜力，并在48 h后下调(t＝2.79、-4.44，P<0.05)；相比之下，FLASH组相对CONV组在以上这些指标中的差异没有统计学意义(P>0.05)，但在受照后4 h相对下调细胞质子渗漏水平，并在24 h和48 h后显著上调(t＝-2.45、3.19、6.51，P<0.05)。14 Gy辐照条件下，CONV组在各时间点逐渐提升细胞线粒体代谢及糖酵解代谢水平(t＝2.48~12.14，P<0.05)，其中FLASH组相对CONV组在基础呼吸、ATP相关联呼吸和非线粒体氧消耗中均表现出更大程度的上调(t＝2.56~6.51，P<0.05)，并且在辐照后24 h表现出更高的糖酵解潜力(t＝2.86，P<0.05)。 结论 低剂量(2 Gy)FLASH-IR会使乳腺癌细胞MDA-MB-231在24 h后相对上调质子渗漏水平，高剂量(14 Gy)FLASH-IR会使乳腺癌细胞MDA-MB-231产生强烈的线粒体代谢应激，表现出更强的能量代谢需求。

目的 比较FLASH照射(FLASH-RT)与常规照射(CONV-RT)在小鼠乳腺癌模型中的抗肿瘤效应，并分析各自影响的代谢物和代谢途径。 方法 将进行乳腺癌荷瘤的雌性BALB/c小鼠用随机数表法随机分为3组：FLASH-RT(625 Gy/s，23.64 Gy)、CONV-RT(0.54 Gy/s，21.33 Gy)和假照射组(Sham-RT，0 Gy/s)，单次照射。在2周内监测肿瘤体积，随后对小鼠实施安乐死，并收集肿瘤样本进行代谢组学分析。 结果 FLASH照射与常规照射小鼠体质量变化差异无统计学意义(P>0.05)，与假照射组组相比，FLASH-RT(P<0.05)组和CONV-RT组(P<0.05)肿瘤体积变化差异均有统计学意义，表明无论是FLASH-RT还是CONV-RT均能有效抑制肿瘤生长。代谢组学分析表明，FLASH-RT显著下调了不饱和脂肪酸油酸(VIP＝1.867，FC＝0.091)和脂类代谢物心磷脂(VIP＝1.374，FC＝0.419)的水平，同时上调了饱和脂肪酸棕榈酸(VIP＝1.592，FC＝3.234)和磷脂酰胆碱(VIP＝2.784，FC＝4.116)的水平。差异代谢物主要富集在脂质代谢和氨基酸代谢通路中，提示在肿瘤模型中存在能量代谢重编程及膜结构重塑的现象。通路富集分析显示，甘油磷脂代谢途径被显著扰动(KEGG通路富集P<0.01)，相关代谢物磷脂酰胆碱含量显著升高，达到CONV-RT组的4.12倍(VIP＝2.784)，这种代谢紊乱可能反映癌细胞膜流动性改变或信号转导的异常。 结论 FLASH-RT和CONV-RT均能有效抑制乳腺癌小鼠模型的肿瘤生长，其中FLASH-RT表现出独特的代谢调节特性，显示出FLASH-RT在乳腺癌治疗中的临床潜力。