基于宏基因组学分析高能X射线FLASH放疗通过肠道微生物群缓解急性放射性肠损伤的作用机制

《Frontiers in Microbiology》：Exploring the role of intestinal microbiota in mitigating acute radiation-induced intestinal injury through high-energy X-ray FLASH radiotherapy via metagenomic analysis

本文通过宏基因组学分析，首次揭示了高能X射线FLASH放疗（FLASH-RT）对肠道微生物群的重编程作用及其与放射保护效应的关联。研究发现，相较于常规放疗（CONV-RT），FLASH-RT（333?Gy/s）可显著改善小鼠存活率，减轻肠道组织病理损伤，并富集有益菌群（如Weissella、Ligilactobacillus ruminis）。机制上，FLASH-RT可能通过调控糖胺聚糖降解、PI3K/Akt信号通路和阿拉伯半乳聚糖生物合成等途径发挥肠黏膜保护作用，为FLASH效应的微生物学机制提供了新视角。

　　

引言

放射治疗是恶性肿瘤的主要治疗手段之一，约60-70%的癌症患者在不同阶段需要接受放疗。然而，放射剂量增加在提高肿瘤局部控制率的同时，也会导致照射野内正常组织副作用风险升高，尤其是腹部和盆腔放疗时易引发急性放射性肠损伤。FLASH放疗（FLASH-RT）作为肿瘤放疗领域的革命性技术，能以超高速率（≥40?Gy/s）在毫秒至微秒级时间内完成照射，在保持相同肿瘤杀伤效力的同时，对正常组织具有显著保护作用。尽管已有研究提示FLASH效应可能与氧化应激、DNA损伤修复等机制相关，但其具体分子机制尚未完全阐明。本研究首次采用临床级紧凑高能X射线源（CHEXs）FLASH-RT设备，通过宏基因组学分析探讨肠道微生物群在FLASH-RT肠保护作用中的潜在角色。

材料与方法

研究使用CHEXs设备进行FLASH-RT实验，剂量率为333?Gy/s，常规放疗（CONV-RT）采用6?MV直线加速器（0.07?Gy/s）。通过EBT-XD放射性铬胶片和快速电流变压器进行绝对剂量和脉冲束流特性测量。对正常C57BL/6J雌鼠进行全腹部照射（10/12/14?Gy），照射后72小时收集肠道内容物进行宏基因组分析。肠道组织病理学评估采用H&E染色和改良瑞士卷法隐窝计数。宏基因组测序使用Illumina NovaSeq 6000平台，数据进行质控、组装和功能注释，通过LEfSe分析筛选差异菌群和通路。

结果

FLASH-RT对肠道组织的保护作用

在12?Gy照射剂量下，FLASH组28天存活率（80%）高于CONV组（50%），虽然统计学差异不显著（p=0.17），但呈现明确保护趋势。组织学分析显示，CONV组出现广泛上皮坏死、绒毛脱落和隐窝结构破坏，伴显著炎症细胞浸润；FLASH组上述病变显著减轻，隐窝数量/毫米显著高于CONV组（p<0.05）。绒毛长度在FLASH组与CONV组间无显著差异。

肠道微生物群结构与功能变化

宏基因组分析显示，三组间微生物群落结构存在显著分离（PCoA）。在门水平上，FLASH组变形菌门（Proteobacteria）相对丰度升高，而CONV组拟杆菌门（Bacteroidota）增加。LEfSe分析发现，FLASH组显著富集Weissella、Ligilactobacillus ruminis和Lactobacillus taiwanensis等有益菌（LDA>2）。值得注意的是，对结肠炎和肝脏炎症具有保护作用的Alistipes属在CONV组中显著耗竭，而在FLASH组中相对保留。功能预测分析表明，FLASH组糖胺聚糖降解、PI3K/Akt信号通路和阿拉伯半乳聚糖生物合成分枝杆菌信号通路显著上调。

讨论

本研究首次将高能X射线FLASH-RT与肠道微生物组学相结合，发现FLASH照射后肠道菌群的重编程可能通过多机制参与放射保护：Weissella产生的抗菌胞外多糖和有机酸可增强肠上皮屏障功能；Ligilactobacillus ruminis通过调节炎症因子和短链脂肪酸（SCFAs）水平缓解肠炎；保留的Alistipes可能通过色氨酸代谢维持肠道免疫稳态。通路分析提示，PI3K/Akt通路的激活可能促进肠上皮细胞增殖修复，而阿拉伯半乳聚糖的抗氧化特性可能减轻氧化应激损伤。值得注意的是，FLASH组内微生物群α多样性变异系数较高，可能与个体菌群恢复能力的差异相关，这种异质性本身可能是FLASH效应个体化反应的重要特征。

结论

高能X射线FLASH放疗通过调节肠道微生物群组成及相关信号通路（PI3K/Akt、糖胺聚糖降解等），对放射性肠损伤产生保护作用。该研究为FLASH效应的微生物学机制提供了新证据，为优化放射治疗策略提供了新思路。