综述：超高剂量率放疗对肺损伤的影响及潜在机制：一篇综述

《Radiation Oncology》：Effects and potential mechanisms of the ultra-high dose rate radiotherapy on lung injury: a review

本综述系统探讨了FLASH放疗（超高剂量率放疗）在减轻放射性肺损伤（RILI）方面的显著效果及潜在机制。文章指出，相较于常规剂量率（CONV）放疗，FLASH放疗（剂量率>40 Gy/s）能在有效控制肿瘤的同时，显著保护正常肺组织，减轻放射性肺炎（RP）和放射性肺纤维化（RPF）。其潜在保护机制涉及DNA损伤修复、活性氧（ROS）与氧化应激、炎症免疫反应、细胞衰老、快速氧耗、铁死亡及线粒体稳态等多个生物学过程，为FLASH放疗的临床转化提供了重要的理论依据和研究方向。

　　

引言

放射治疗是现代癌症治疗的基石，约半数癌症患者在其治疗过程中会接受放疗。虽然常规放疗在肿瘤控制方面取得了令人满意的疗效，但其对正常组织的辐射损伤和肿瘤固有的放射抵抗性仍是限制其临床应用的关键因素。近年来，超高剂量率（FLASH）放疗作为一种新兴的放疗模式，以其在有效杀灭肿瘤的同时，能显著减轻正常组织毒性的独特优势（即FLASH效应），引起了广泛关注。放射性肺损伤（RILI）是胸部肿瘤放疗中最常见且致命的并发症，严重影响患者的生活质量和生存结局。本综述旨在总结FLASH放疗在减轻肺损伤方面的临床前研究证据，并从RILI的发病机制角度深入探讨FLASH效应的潜在生物学基础。

放射性肺损伤（RILI）

放射性肺损伤是胸部放疗中不可避免的副作用，其病理进展可分为两个动态连续的阶段：放射性肺炎（RP）和放射性肺纤维化（RPF）。

放射性肺炎（RP）通常发生在放疗后1-3个月内，是一种急性反应。其病理特征包括肺泡-毛细血管屏障破坏、炎性渗出以及大量促炎因子分泌，伴随肺泡I型上皮细胞（ATI）的广泛凋亡坏死和肺泡II型上皮细胞（ATII）的过度增殖。若急性损伤未能得到有效控制，机体修复机制失衡，则可能进展为放射性肺纤维化（RPF）。RPF通常出现在放疗后6个月，在1-2年后趋于稳定，但部分患者会呈现进行性加重。电离辐射诱导肺组织炎性细胞浸润，促进成纤维细胞异常活化，进而刺激肌成纤维细胞的分化和增殖，最终导致细胞外基质（ECM）沉积。同时，肺泡结构塌陷引起间质胶原沉积，形成致密瘢痕组织和蜂窝样改变，严重损害肺组织的正常结构和生理功能。

FLASH放疗对肺损伤的影响

FLASH放疗的核心优势在于其对正常组织的选择性保护作用，即FLASH效应。在肺损伤管理方面，多项临床前研究一致证实了FLASH放疗的保护效力。

研究表明，FLASH放疗能引起轻微的急性放射性肺炎，而CONV放疗则导致更严重的炎性细胞浸润、肺泡间隔增厚和明显的间质出血。在长期副作用方面，FLASH放疗也能有效缓解放射性肺纤维化。例如，研究显示FLASH照射（17 Gy, 60 Gy/s）的小鼠未出现肺纤维化，而常规照射（17 Gy, 0.031 Gy/s）则诱发了明显的纤维化。此外，FLASH放疗还能保护肺泡结构，降低小鼠死亡风险，并减轻肺内血管、支气管平滑肌细胞和支气管上皮细胞的急性凋亡。

照射参数，如剂量率（通常认为平均剂量率超过40 Gy/s是触发FLASH效应的条件）、分次剂量、脉冲数和照射野大小等，都可能影响FLASH效应的强弱。甚至FLASH微束放疗（FLASH-MRT）通过额外的空间分割，能进一步增强正常肺组织的辐射抗性。然而，这些研究多采用小动物模型和单次高剂量照射，与临床常用的低剂量分次照射存在差异，其结论向更大动物和临床的转化仍需进一步验证。

基于RILI发病机制的FLASH效应潜在机制

RILI的发病机制涉及复杂的细胞和细胞因子网络相互作用，包括DNA损伤、氧化应激、炎症免疫反应等。这些机制为阐释FLASH对正常肺组织的保护作用提供了重要线索。

DNA损伤与修复

DNA损伤是RILI的核心机制。辐射可直接或通过产生活性氧（ROS）间接造成DNA损伤，如DNA单链断裂（SSB）和双链断裂（DSB）。修复不准确或未修复的DNA损伤会导致细胞死亡或衰老，加速肺损伤。研究表明，FLASH照射倾向于降低DNA损伤水平或错误修复产物，并更好地维持DNA修复能力。例如，FLASH质子照射（1000 Gy/s）能在正常肺成纤维细胞中减弱DNA损伤灶的形成。在体实验也发现，FLASH照射小鼠正常肺细胞的DNA损伤显著减少，并且这种保护作用在端粒极短且缺乏端粒酶活性的Terc^-/-小鼠中被消除，提示端粒在FLASH效应中可能起关键作用。

活性氧（ROS）与氧化应激

ROS是导致间接DNA损伤的关键分子，并参与细胞生长、分化、进展和死亡等生物学过程。辐射诱导的ROS过度产生通过炎症、血管生成、程序性细胞死亡和自噬等生物反应促进RILI的进展。

FLASH放疗的生物学效应被认为源于其体内瞬时自由基生成和氧化应激的诱导。对于相同的吸收剂量，FLASH照射能在极短时间内沉积极高能量，触发数量级更多的电离事件。重要的是，FLASH放疗能促进组织补充清除照射过程中产生的大量有机氢过氧化物的细胞系统，这可能是其保护正常组织的原因之一。实验发现，CONV放疗后正常细胞内ROS浓度显著增加，而FLASH放疗后则无显著变化。此外，FLASH照射小鼠肺中特定氧脂素（Oxylipins）的下调，也提示靶向调节脂质过氧化物代谢可能减轻辐射诱导的肺损伤。

炎症与免疫反应

异常的细胞因子表达和免疫细胞激活是导致RILI的关键因素。

在早期（RP阶段），辐射损伤的肺细胞释放损伤相关分子模式（DAMPs），招募大量免疫细胞（如中性粒细胞、巨噬细胞）聚集，并释放白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和转化生长因子-β（TGF-β）等促炎因子，引发炎症反应。在后期（RPF阶段），M2型巨噬细胞通过分泌TGF-β和成纤维细胞生长因子，促进成纤维细胞增殖分化为肌成纤维细胞，导致胶原合成和ECM沉积，最终形成肺纤维化。

FLASH放疗可通过影响循环免疫细胞、肿瘤免疫微环境、细胞因子产生和炎症反应，发挥其保护作用。研究显示，FLASH放疗能降低小鼠肺组织中促炎基因的诱导和促炎细胞因子（如TGF-β、TNF-α）的分泌，从而减轻辐射诱导的肺部炎症。例如，FLASH电子照射（60 Gy/s）可抑制小鼠体内TGF-β/SMAD信号通路的激活及相关蛋白的表达。这种保护作用不仅限于照射局部，还可能影响全身性炎症反应。

细胞衰老

细胞衰老以永久性生长停滞为特征，常由DNA损伤或氧化应激引发。辐射诱导的肺泡上皮祖细胞衰老会降低受损肺的再生能力，是RILI的重要致病因素。衰老细胞伴随衰老相关分泌表型（SASP），释放TGF-β、IL-1、IL-6、IL-8等介质，不仅促进实质细胞衰老，还驱动巨噬细胞向促纤维化的M2表型极化，阻碍辐射损伤后的细胞再生，加剧肺纤维化进展。研究表明，FLASH放疗能最大限度减少促炎基因的诱导，避免肺祖细胞过度损伤，并降低复制性衰老的风险，显示出更高的肺再生潜力。端粒作为细胞衰老的生物标志物和触发时钟，也被证实参与了FLASH效应的实现。

快速氧耗

正常组织中氧的存在会增强辐射对细胞的损伤。FLASH效应最广为考虑的假说之一是FLASH照射期间大量的氧气消耗，导致组织瞬时缺氧，从而增加组织的辐射抗性。然而，近期观察表明，在常氧组织中，超高剂量率脉冲照射期间的氧耗可以忽略不计，并不能完全解释FLASH效应。因此，FLASH减轻RILI是否与快速氧耗有关，仍需进一步研究。

铁死亡

铁死亡是一种铁依赖性的调节性细胞死亡方式，在放疗诱导的细胞死亡中起重要作用。研究发现，铁死亡是辐射诱导结构性肺损伤、出血和肺纤维化的关键。FLASH照射诱导正常组织氧耗，从而抑制脂质过氧化，减少脂质ROS积累，最终可能抑制铁死亡。这为探索FLASH效应的潜在机制提供了新方向，但以肺为靶器官的相关研究尚缺乏。

线粒体稳态

线粒体是细胞氧化呼吸链的场所和能量工厂。其结构和功能完整性与ROS产生密切相关。辐射后线粒体电子传递链中的电子泄漏和细胞内氧化还原失衡会促进内源性ROS的产生。过量ROS可诱导线粒体DNA（mtDNA）损伤，增加蛋白质羰基化、脂质过氧化和氧化代谢，改变线粒体正常代谢和功能，最终导致细胞衰老或死亡。

研究表明，FLASH质子放疗（100 Gy/s）能保护正常人肺成纤维细胞免受线粒体损伤，主要体现在形态、功能（包括线粒体膜电位MMP、mtDNA拷贝数和氧化酶水平）和氧自由基产生方面的变化。其分子机制可能涉及磷酸化动力蛋白相关蛋白1（p-Drp1）介导的线粒体动力学平衡。CONV放疗后，p-Drp1发生去磷酸化并在线粒体聚集，导致线粒体分裂和 subsequent 细胞死亡；而FLASH放疗后p-Drp1蛋白水平无显著变化，突出了p-Drp1介导的线粒体稳态在FLASH保护正常肺组织效应中的潜在贡献。

FLASH放疗临床应用的挑战

尽管FLASH放疗前景广阔，但其临床转化仍面临诸多挑战，包括不同束流模式（电子、光子、质子）下效应的可重复性、超高剂量率下剂量设定与测量的准确性、针对呼吸运动肺组织的照射技术难题（如与传统门控技术不兼容、实现高度适形的剂量分布）、FLASH效应精确生物学机制的阐明以及大规模临床试验的缺乏等。

结论

FLASH放疗作为一种革命性的放疗新模式，在减轻放射性肺损伤方面展现出巨大潜力。临床前研究证实，其在保护肺泡上皮、肺血管和支气管结构，以及缓解放射性肺炎和肺纤维化方面均优于常规放疗。从机制上讲，FLASH效应可能通过影响DNA损伤修复、抑制促炎细胞因子释放、减少线粒体损伤和细胞衰老等多条途径，相互作用，共同实现对正常肺组织的保护。然而，FLASH效应的完整机制、其在肿瘤控制与正常组织保护之间的差异效应基础，以及最终安全、有效地应用于临床，仍需更深入、广泛的研究和验证。