本所声明  |  联系方式  |  中国科学院  |  数字认证(OA)   |  ARP  |  English  |  邮箱
新闻动态 > 科研动态

上海光机所在超高瞬时剂量率激光驱动质子 FLASH 放疗研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室宾建辉研究员团队，联合中国科学院合肥物质科学研究院健康所（中国科学院合肥肿瘤医院）黄青研究团队、山东大学贾向红研究团队，在超高瞬时剂量率激光驱动质子 FLASH 放疗研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Nanosecond Laser-Driven Proton FLASH Spares Normal Tissue Cells by Sustaining Mitochondrial Homeostasis and Attenuating Ferroptosis”为题，发表于医学交叉研究期刊 iMed。

FLASH 放疗是一种以极高瞬时剂量率（通常大于 40 Gy/s）实施照射的新型放疗技术，此前研究表明其能在保持肿瘤杀伤效果的同时显著降低正常组织的辐射损伤，这一现象被称为“FLASH 效应”。然而，以往 FLASH 研究多依赖传统射频加速器或回旋加速器，工作在微秒剂量率区间，受限于加速器原理，辐射作用时间难以进一步压缩，因而无法回答在更极端时间尺度上“FLASH 效应”是否仍然成立、其生物学机制又是什么。

激光驱动质子加速为突破这一限制提供了新的物理途径。该团队依托上海光机所 200 太瓦级激光驱动质子平台（SIOM HLDP），在国内首次以 12.9 纳秒的离散脉冲方式递送质子，单发剂量 0.25 Gy，瞬时剂量率高达 1.94×10⁷ Gy/s，比常规 FLASH 系统高出多个数量级，为研究超快时间尺度下的辐射生物学效应提供了新的实验平台。研究团队以人肺腺癌细胞 A549 和正常支气管上皮细胞 BEAS-2B 为模型，系统比较了纳秒激光驱动质子 FLASH（LPA-FLASH-RT）与临床常规剂量率（0.08 Gy/s）质子照射（CONV-RT）的生物学效应。

克隆存活实验显示，两种照射方式对 A549 肿瘤细胞的杀伤效果无显著差异，致死 α 值分别为 0.46 Gy⁻¹ 和 0.55 Gy⁻¹；但 LPA-FLASH-RT 使正常 BEAS-2B 细胞的致死 α 值降低近 90%（从 0.47 降至 0.052 Gy⁻¹），α/β 值由 11.87 Gy 降至 1.35 Gy，显示出显著的正常组织保护效应。γ-H2AX 焦点分析进一步表明，在 5 Gy 这一临床相关剂量点，FLASH 照射后正常细胞的初始 DNA 双链断裂明显少于肿瘤细胞，说明这种保护作用在辐射损伤的极早期即已出现。

进一步研究发现，这种保护效应并不是由初始 DNA 损伤差异单独决定的，而是与铁死亡通路的调控密切相关。团队发现，应激转录因子 ATF3 是其中的关键分子：在常规剂量率照射下，ATF3 在正常细胞中明显上调，进而抑制抗氧化转运体 SLC7A11，导致活性氧积累、脂质过氧化增强和游离铁蓄积，最终触发铁死亡；而纳秒激光 FLASH 脉冲由于作用时间极短，使正常细胞来不及启动这一应激程序，从而避开了致死性级联反应。

图 1 FLASH 照射维持线粒体网络拓扑结构和体积稳态

在此基础上，研究还发现，FLASH 照射后正常细胞的线粒体嵴结构和整体网络形态能够得到较好保留，同时伴随代偿性 ATP 升高；相比之下，常规照射则会导致线粒体结构破坏和网络碎片化。透射电镜和三维光片荧光显微成像进一步验证了这一差异，提示维持线粒体稳态是纳秒激光驱动 FLASH 放疗实现正常组织保护的重要机制之一。

图 2 机制示意图

该研究为理解 FLASH 效应提供了新的机制线索。研究表明，在这种极端时间尺度下，超快辐射化学过程与细胞应激响应之间可能出现时间错位，从而形成有利于正常组织保护的极限时间窗口。这一发现不仅有助于深化对 FLASH 放疗物理化学基础的认识，也为后续开发更精准、更安全的放疗策略提供了参考。另外，能量沉积密度（ΔE）而非单纯的平均剂量率，可能是决定细胞命运走向凋亡或铁死亡等不同死亡通路的关键物理开关，这为基于生物标志物的放疗优化提供了新方向。

文章链接

附件下载：

copyright 2000- 中国科学院上海光学精密机械研究所 沪ICP备05015387号-1
主办：中国科学院上海光学精密机械研究所 上海市嘉定区清河路390号(201800)

转载本站信息，请注明信息来源和链接。 沪公网安备 31011402010030号


上海光机所
微信公众号

尚光聚力
微信公众号