放疗作为肿瘤治疗的重要手段之一，实现治愈和治疗不良反应之间的平衡一直是临床放疗追求的目标。近年来，超高剂量率放疗（简称FLASH放疗、闪疗）作为放疗的新模式，显示出了巨大潜力，其使用比常规剂量率（conventional dose rate，简称CONV）放射治疗（3~10 Gy/min）高几百倍以上的剂量率（≥40 Gy/s）进行剂量输送，可以在给出相似的肿瘤控制能力的前提下，减少辐射诱导的正常组织损伤。

在射线质的选择上，电子 、光子、质子均有发现FLASH效应的相关研究报道，但是，电子束的深度剂量分布特点仅限于治疗浅表肿瘤，光子在肿瘤下游的穿射剂量增加了周围正常组织的暴露面积，而超高剂量率质子放射治疗（FLASH proton radiotherapy，FLASH-PT）有机会克服上述局限成为更安全有效的FLASH放疗解决方案。

因此，本文将从细胞、动物、临床水平的研究，汇总FLASH-PT既往研究成果，归纳FLASH-PT效应机制的假说，旨在为推进FLASH-PT研究和临床转化提供参考。

FLASH-PT相关细胞实验

在正常细胞体外实验方面，Buonanno等关于人胚肺成纤维细胞（IMR90）的研究发现，相比于常规剂量率质子放射治疗（CONV-PT），FLASH-PT在减轻长期不良反应方面具有优势。将IMR90细胞的20 Gy分别以0.05、100、1000 Gy/s照射，1个月后测得衰老细胞的比例分别为80%、58%、39%；将IMR90细胞的20 Gy分别以0.2、1000 Gy/s照射，1个月后测得FLASH组（1000 Gy/s）与炎症反应相关的转化生长因子β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）仅增加0.4倍，而CONV组（0.2 Gy/s）组增加了2.7倍。但对于急性效应来说，只有在大剂量照射时，FLASH-PT才能够增加IMR90细胞的存活率。这可能是在体外常氧（21%）条件下，细胞氧浓度远高于体内正常细胞的氧浓度（3%~7%），因此需要更高的剂量才能诱导耐辐射的缺氧环境。

未来可以通过在不同的氧张力下进行体外研究来确定理想的FLASH放疗照射条件。

FLASH-PT相关动物实验

在过去的几年中，FLASH-PT对肿瘤的控制和减少正常组织不良反应的能力已经在多种遗传背景的临床前模型中得到了证实。但也有部分研究给出了阴性结果，即FLASH-PT后组织损伤加重。

1. FLASH-PT与CONV-PT具有相似或者甚至更好的肿瘤控制

研究表明，FLASH-PT可以产生与CONV-PT相似或者更好的抗肿瘤反应。无论是在上皮源性肿瘤（口腔癌、胰腺癌）还是间叶源性肿瘤（肉瘤），FLASH-PT和CONV-PT均对肿瘤的控制相当。并且Sørensen等在皮下乳腺癌小鼠模型证实，FLASH-PT（51 Gy）和CONV-PT（49 Gy）之间的50%肿瘤控制的剂量（50% tumor control dose，TCD50）值相似。但Shukla等 在原位Lewis肺癌小鼠模型中，对荷瘤小鼠的肺进行18 Gy的单剂量照射，并于照射后第5天和第8天处死小鼠收获肺组织，发现与CONV-PT（1 Gy/s）相比，FLASH-PT（60 Gy/s）后肺组织中肿瘤细胞数量更少，并且还观察到接受FLASH-PT的小鼠肿瘤组织中募集了更多的CD8 +T细胞。这种FLASH介导的肺肿瘤免疫微环境的改变可能是在等剂量照射下FLASH-PT优于CONV-PT的原因之一。

2. FLASH-PT减轻皮肤不良反应

质子束扫描（CONV）虽然具有高精度，但在头颈部鳞状细胞癌和乳腺癌患者中经常观察到皮肤损伤，从急性皮炎到晚期纤维化不等，不仅使患者日常活动受限，还可能导致治疗延迟。相比于CONV-PT，FLASH-PT在降低皮肤不良反应方面显示出了巨大潜力。Cunningham等用FLASH-PT和CONV-PT照射小鼠后肢，结果表明，在相同剂量（35 Gy）照射后，FLASH组（47%）出现湿性脱屑的小鼠显著少于CONV组（100%），FLASH-PT还能够减少促炎因子的累积，如FLASH组皮肤中TGF-β1在照射后第4天恢复到正常水平，而CONV组TGF-β1在照射后第4天仍在持续增加。Sørensen等以50%小鼠皮肤发生湿性脱屑所需的剂量为生物学终点证实FLASH-PT需要比CONV-PT多44%~58%的剂量才能造成相同的损伤。Velalopoulou等在接受30 Gy照射的小鼠腿部病理学切片看到，CONV-PT后炎症和坏死侵入真皮层和皮下组织，FLASH-PT组小鼠皮肤损伤多表现为表皮轻度溃疡，并保留了更多的毛囊。

3. FLASH-PT减轻肠道损伤

许多接受腹部或骨盆质子放疗的肿瘤患者可能会面临因光束远端射程不确定性和肠道运动的影响，使得肠道发生出血、穿孔、纤维化的风险增加。相比于CONV-PT，FLASH-PT在减轻肠道急性和晚期损伤方面均存在优势。Diffenderfer等发现，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肠道再生隐窝细胞，而再生隐窝细胞作为各类型肠道细胞的库来源，在维持肠道稳态和功能中发挥重要作用。此外，在18 Gy的局部肠道照射后8周收集的肠段中，发现FLASH-PT明显减少了肠道纤维化，FLASH-PT组肠纤维化程度与未照射组相似。

4. FLASH-PT减少认知不良反应

在脑肿瘤患者中，质子治疗虽可以通过最大限度地减少正常脑的暴露来降低放疗后的神经认知障碍，但这种益处仅在治疗局灶性靶点时实现，在全脑照射时，产生的不良反应与光子放疗相似，尤其在儿童患者治疗后更为显著。相比于CONV-PT，FLASH-PT在降低脑肿瘤治疗过程中脑不良反应方面具有潜在优势。Iturri等在大鼠原位胶质瘤模型中证实，接受25 Gy FLASH-PT的大鼠对熟悉物体有良好的记忆，而同等剂量下CONV组的大鼠无法识别熟悉的物体。Williams等的研究也在幼年大鼠脑组织中证实了FLASH-PT对记忆功能的保护。此外，Dokic等研究发现，FLASH-PT通过减少正常脑组织照射后的DNA损伤、微血管结构破坏、炎症小体的激活，降低小胶质细胞信号来减轻放疗后的脑不良反应。

5. FLASH-PT减少肌肉和骨骼损伤

研究表明，相较于CONV-PT，FLASH-PT在减少肌肉和骨骼损伤方面同样具有优势。Velalopoulou等分析了接受30 Gy CONV-PT和FLASH-PT的小鼠，在辐照后27 d腿部肌肉和骨骼变化。在小鼠腿组织学切片中发现，CONV-PT组显示出了更多肌肉和骨损伤证据，如肌纤维横截面直径明显减小（萎缩）、肌细胞的胞质空泡化、胞核内化，骨骼出现了大面积含活化破骨细胞和成骨细胞的骨吸收区域。通过对CONV组和FLASH组小鼠骨进行RNA测序，发现CONV-PT能够上调脊索发育、关节发育、骨重塑相关途径，但FLASH-PT不会对这些途径造成影响。

6. FLASH-PT的阴性结果：FLASH放疗主要通过保留正常组织来增加放疗的适应证，但一些研究发现FLASH放疗对组织的保护存在一定的阈值，当超过这一限度，过高的物理剂量可能会对健康组织造成严重损伤。Mascia等的研究表明，对于小鼠皮肤组织来说：在剂量低于45 Gy时，FLASH组表现为湿性脱屑的小鼠明显少于CONV组（25%比80%）；但当剂量为45 Gy时，FLASH组和CONV组湿性脱屑的比例差异没有统计学意义。另一项研究发现，对于出生11 d的大鼠脑组织来说，5 Gy FLASH-PT能很好地保护大鼠记忆和认知能力，而8 Gy FLASH-PT的保护作用消失。在临床放疗前，为了最大限度地保护正常组织，应仔细评估不同组织的剂量阈值，可以扩展到与人类更相近的动物模型，如猪和狗。同时，由于儿童肿瘤患者独特的身体特征，在放疗后更容易出现严重和持续的并发症，研究不同年龄段FLASH-PT对组织的阈值也是必要的。

Mascia等研究发现，射野的数量、多野照射时射野间的时间间隔也会对FLASH-PT产生负面影响。相比于用单野FLASH笔形线束照射，在30、35 Gy照射下，两野（2×15 Gy或2×17.5 Gy）FLASH-PT对皮肤的保护作用下降，三野（3×10 Gy或3×11.6 Gy）FLASH-PT对皮肤的保护作用彻底消失。这可能是在多野照射时每野之间设有2 min的间隔，照射总时间延长使得剂量率降低，不足以产生FLASH效应。此外，每野的剂量低于单野照射，导致剂量较低不足以诱发FLASH效应。在将来或许可以采用笔形线束放射治疗和调强放射治疗组合的形式来实现精确的剂量输送，同时最大限度地减少辐射暴露的持续时间。

FLASH-PT相关临床试验

2020年，美国辛辛那提儿童医院首次开展了FLASH-PT人体临床试验FAST-01，用质子束入口区域对10名肿瘤患者的12个四肢骨转移灶进行单次FLASH-PT（8 Gy，51~61 Gy/s），结果显示：FLASH-PT后疼痛总体缓解率（67%）与之前CONV-PT（8 Gy，0.03 Gy/s，65%）相似，不良反应多为皮肤短暂色素沉着和瘙痒。这项前瞻性研究证实FLASH-PT在临床上是可行的，并且在该患者群体中是安全的。

由于该研究的人群为癌症晚期，很难观察到FLASH所致的长期不良反应，后续临床研究可对患者进行更长时间的随访，观察FLASH-PT对晚期不良反应的效果。并且该研究治疗部位仅限于四肢骨转移，对正常组织影响的评估仅限于皮肤、骨骼、肌肉、淋巴、血管。对于体内更重要脏器的影响处于未知。

因此，2022年辛辛那提儿童医院提出招募10名在肋骨、锁骨、肩胛骨、胸骨中有1~3个部位需要治疗的患有疼痛性骨转移瘤的患者参加第二项临床试验FAST-02。通过FLASH-PT治疗胸部骨转移瘤，进一步研究胸部骨转移瘤的适应证、评估治疗效果、观察FLASH-PT对肺部和心脏等重要器官的不良反应（未发表数据）。

FLASH-PT的机制研究进展

FLASH-PT自2019年首次报道至今，众多研究团队试图揭示其作用机制，主要包括氧耗竭假说、免疫假说、DNA损伤假说等。众多假说都有其试验依据，有些也存在一定的局限性。

1.氧耗竭假说

众所周知，氧作为一种放射增敏剂，照射时氧的存在可增加放射效应。氧耗竭假说认为，在FLASH照射条件下，组织消耗氧气的速度快于再氧合的速度，这使正常组织处于短暂缺氧状态，敏感性降低，更耐辐射 。对于这一假说的验证，多是在补氧后发现组织损伤加重，如Iturri等仅在大鼠单侧脑FLASH-PT（25 Gy）期间增加吸入麻醉中的氧气浓度，发现50%的富氧组大鼠在FLASH-PT后出现永久性记忆改变。但通过直接测量FLASH-PT时的氧耗，发现无论是在密封的3D打印水模型中还是小鼠腿部肌肉组织，FLASH-PT的确比CONV-PT消耗更多的氧，但不足以耗尽所有氧。此外，Zhang等比较了在不同氧浓度条件下，FLASH-PT和CONV-PT对小鼠皮肤的影响，发现仅在常氧组小鼠（呼吸正常空气）观察到了FLASH-PT对皮肤的保护作用，而吸氧组小鼠（呼吸纯氧至少6 min）和低氧组小鼠（低氧浓度）FLASH和CONV之间差异没有统计学意义。因此，FLASH照射对正常组织的保护可能是氧消耗降低了组织张力，进而降低了辐射的生物效应。

2.免疫假说

免疫假说也被认为是FLASH放疗对组织保护的机制之一，主要基于以下两点。一方面，受益于照射时间极短，FLASH放疗可以显著减少循环血液中受照射的免疫细胞数量，进而减轻免疫系统损伤。近期，Galts等 使用剂量血流量模型对脑胶质母细胞瘤调强质子治疗（intensity modulated proton therapy，IMPT）期间循环淋巴细胞进行定量测量，发现CONV IMPT比FLASH IMPT多照射了大约45%的循环血量。另一方面，FLASH照射通过调节免疫因子的表达影响机体免疫应答能力，例如，能够减少与炎症反应相关的TGF-β1、趋化因子配体1的表达，促进增强机体防御能力的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、白细胞介素-6的表达。

但免疫假说同样受到了挑战，Zhang等在小鼠FLASH-PT和CONV-PT照射后第7、14、21天收集血样进行分析，结果发现FLASH组和CONV组之间的淋巴细胞数量差异没有统计学意义。这可能是只有大约2%的全身淋巴细胞分布在血液中，在FLASH照射期间循环淋巴细胞的损失被肠道、脾脏实体组织淋巴细胞的损失所掩盖。并且免疫假说多是基于FLASH-PT后结果观察到的，免疫假说可能需要从FLASH-PT如何改变肿瘤微环境、如何影响基因表达等更为基础的层次进行探索。

3. DNA损伤假说

经典靶理论认为DNA是电离辐射的主要靶点，尤其是DNA双链的断裂是细胞突变和死亡的主要原因，严重威胁着基因组稳定性。并且高传能线密度（linear energy transfer，LET）射线（质子）更容易造成复杂且难修复的损伤。因此，了解FLASH-PT后DNA损伤反应对于理解FLASH效应是极其重要的。Ohsawa等将pBR322 质粒DNA溶于1×TE缓冲液中暴露于27.5 MeV质子，发现与COVN-PT（0.05 Gy/s）相比，FLASH-PT（40 Gy/s）组的单链DNA断裂明显减少。由于单链DNA断裂在活细胞中修复更为容易，有理由推测FLASH照射可以减少导致细胞衰老、基因组不稳定这些与晚期效应相关的非致命性损伤来保护正常组织。

展 望

1.临床前模型的制备

现有研究使用的动物模型多为皮下肿瘤模型，不能很好地模拟肿瘤发生发展的自然微环境，并且这些模型都是移植了在体外长期培养的细胞系，可能低估了耐FLASH放疗的患者群体，需要更多的原位肿瘤临床前模型进行探索。由于动物模型和人类的差异，需要进一步的研究重新定义对健康组织的剂量限制以及肿瘤根治性的照射剂量。

2. FLASH-PT放射生物学

目前，临床前研究证实，在FLASH-PT时，健康组织的耐受性增加，确定FLASH-PT时组织α/β值的变化对于后续的临床治疗也是重要的。此外，当用展宽布拉格峰照射组织时，由于布拉格峰及其前后的LET增加，将会导致DNA损伤谱和和放射生物学效应的变化，确定FLASH-PT时组织相对生物学效应（relative biological effect，RBE）值的变化也是必不可少的。

3. FLASH-PT的设备及治疗计划

对于质子FLASH放疗，以往的研究大多局限于将质子束通过散射的方式扩展到更大视野范围，这种方式简单，容易实现，但存在射野范围较小、剂量分布无法调节的缺点，很难转换为人体FLASH临床治疗。用质子笔形线束照射患者时，虽然能够为每个点提供超高剂量率，但执行此操作所需时间会延长，产生的平均剂量率降低可能不足以产生FLASH效应，可考虑通过增大束斑直径、减少束斑的数量或者笔形线束扫描搭配静态束流传输设备进行改善。到目前为止，临床前FLASH-PT研究几乎没有使用治疗计划，只采用了简单的标准化单场治疗，但三维治疗对放疗的成功至关重要，可以推测预测性的治疗计划将成为FLASH放疗临床转化的关键。

4. FLASH-PT的机制

关于FLASH效应背后的生物机制有很多猜测，目前多聚焦于FLASH-PT对正常组织的保护。肿瘤和正常组织差异反应的机制、等效肿瘤抑制的机制尚不清楚。研究这些观察结果背后的潜在机制不仅可以提高治疗效果，还可以进一步完善FLASH放疗的安全性和有效性。三维细胞培养模型和类器官代表了体内器官结构和功能的简化模型，可以为研究FLASH-PT后肿瘤和正常组织中的复杂细胞反应提供支持。

5.适合FLASH-PT的患者

相信在未来许多肿瘤患者将会从FLASH-PT中受益，特别是肿瘤位于深部、靠近危及器官的患者，以及正常组织放射敏感性高、肿瘤具有辐射抗性的患者。FLASH-PT后续相关的临床试验可以从适合大分割照射的肿瘤开展。

来源：左晓鑫，张安航，刘琦,等.质子超高剂量率(FLASH)放疗研究进展.中华放射肿瘤学杂志，2025，34(02):201-205.DOl:10.3760/cma.j.cn11303020240306-00090