FLASH放疗与认知功能保留：全脑照射后脑保护机制

《Medical Sciences》：FLASH Radiotherapy and Cognitive Preservation: Mechanisms of Brain Protection After Whole-Brain Irradiation

　　

FLASH放疗（FLASH-rt）是一种新兴的癌症治疗方法，在临床前研究中展现出良好的正常组织保护效应。这一特性对于全脑照射尤为重要，因为常规放疗（CONV-rt）可导致远期认知缺陷。本叙述性综述总结了全脑照射后FLASH-rt认知保留效应的临床前证据，并探讨了可能构成这些效应的神经生物学机制。近期研究表明，FLASH-rt在单次和分次照射后均能保留啮齿类动物的陈述性记忆（declarative memory）。与CONV-rt相比，FLASH-rt与氧化应激减轻、神经炎症减弱以及神经发生和突触可塑性保留相关。总之，这些发现提示，FLASH-rt的认知保留效应可能源于对辐射诱导脑损伤所涉多条通路的协同减弱。理解这些机制如何相互作用，可能有助于阐明FLASH-rt在维持有效肿瘤控制的同时降低辐射诱导认知功能障碍的潜力。

1. 引言

FLASH放疗（FLASH-rt）采用超高剂量率（ultra-high dose rate, UHDR）照射，通常定义为平均剂量率≥40 Gy/s。临床前研究显示，FLASH-rt可在多种物种和器官中增强正常组织保护，同时对肿瘤的杀伤效果与常规放疗（CONV-rt）相当；这种正常组织与肿瘤组织之间的差异反应被称为FLASH效应。脑肿瘤尤其胶质母细胞瘤是研究FLASH效应的重要模型。CONV-rt虽仍是多种癌症的标准治疗，但可引起急性及远期毒性，颅脑照射后最令人担忧的晚期效应之一是神经认知功能下降。

2. FLASH-rt保留啮齿类动物陈述性记忆

陈述性记忆涉及事实、事件和经验的编码、存储与提取。啮齿类动物常用新物体识别（novel object recognition, NOR）任务和物体位置更新（object-in-updated-location, OUL）任务评估。2.1 单次剂量：已有研究显示，平均剂量率为100和500 Gy/s的FLASH-rt照射后2个月，小鼠识别记忆与未照射对照无显著差异；单次10 Gy FLASH-rt在1和2个月时未引起可检测的NOR缺陷；在OUL任务中，幼年小鼠在单次8 Gy全脑FLASH-rt后仍能更新物体位置记忆。单次25 Gy质子FLASH-rt可预防CONV-rt造成的记忆损伤；单次30 Gy电子FLASH-rt在10周后保留新物体位置（novel object location, NOL）和NOR表现。然而，有研究在大鼠中报告单次18 Gy质子FLASH-rt未较CONV-rt减少认知毒性。这些矛盾结果提示，总剂量、射线类型或单一剂量率阈值不能预测认知保留。2.2 分次照射方案：在2×10 Gy分次全脑照射后，FLASH-rt组小鼠在OUL和NOR测试中的长期行为表现与未照射对照无统计学差异，而CONV-rt组雄性和雌性小鼠均出现明显认知缺陷；3×10 Gy的低分次方案也支持FLASH-rt的保护效应。在原位H454胶质母细胞瘤模型中，2×7 Gy CONV-rt降低了识别比，而FLASH-rt保留甚至提高了识别比。不同研究在物种、年龄、性别、肿瘤状态、照射参数和行为终点上差异较大，需要跨实验室的独立重复。

3. FLASH-rt后认知保留的潜在机制

海马及其传入通路对陈述性记忆至关重要，且海马易受辐射损伤。3.1 氧化应激：颅脑照射后可产生过量活性氧（reactive oxygen species, ROS）并损害内源性抗氧化防御，导致脂质过氧化。CONV-rt后齿状回中丙二醛（malondialdehyde, MDA）和4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal, 4-HNE）升高，谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPX）、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）活性下降。在FLASH-rt期间给予高氧混合气（95% O₂, 5% CO₂）可消除认知保护，提示认知保留具有氧依赖性；但氧耗竭假说尚未在脑组织中得到直接证实。有研究表明，20 Gy照射后FLASH-rt较CONV-rt具有更低的MDA水平和更高的SOD、GPX活性。无细胞体系中UHDR电子或质子照射水产生的过氧化氢（H₂O₂）更少。这些发现提示氧化还原调节是认知保留的可能贡献因素，但尚不能确定为已证实的介导机制。3.2 神经炎症：CONV-rt通过ROS激活核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）信号，上调肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）、白介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）、白介素-6（interleukin-6, IL-6）和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1）等炎症介质。FLASH-rt在单次8或10 Gy后长达6个月内未诱导明显的星形胶质细胞增生，并显著减弱小胶质细胞活化；单次30 Gy后海马IL-1β和IL-6水平低于CONV-rt；3×10 Gy分次照射后CD68、离子钙结合适配器分子1（ionized calcium-binding adapter molecule 1, Iba1）和Toll样受体4（Toll-like receptor 4, TLR4）表达降低；全脑照射后2个月齿状回胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）表达亦显著降低。这些炎症标志物的变化与认知保护同时出现，提示存在关联，但因果关系仍需通过选择性干预验证。3.3 神经发生：成年海马神经发生存在于齿状回和侧脑室下区。CONV-rt可造成神经干细胞和祖细胞DNA损伤、激活促凋亡通路、破坏神经发生微环境，从而减少新神经元生成。FLASH-rt后观测到更多BrdU阳性细胞簇、doublecortin（DCX）阳性未成熟神经元以及BrdU⁺/NeuN⁺细胞，表明海马细胞增殖和神经元谱系标志物得到一定保留。但这些标志物尚不能证明新生成神经元已功能整合入海马环路；需要结合神经发生的选择性操作与行为学检测来检验其因果作用。3.4 突触可塑性：海马长时程增强（long-term potentiation, LTP）是学习和记忆的重要细胞机制，其诱导依赖于谷氨酸能传递和NMDA受体激活，并通过Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II, CaMKII）增强AMPA受体功能。CONV-rt可抑制LTP，并降低海马锥体神经元固有兴奋性。FLASH-rt在2×10 Gy或3×10 Gy低分次方案、10×3 Gy常规分次方案以及单次10 Gy照射后均能维持LTP，使场兴奋性突触后电位（field excitatory postsynaptic potential, fEPSP）增强水平与未照射对照相当。此外，FLASH-rt保留海马突触末梢和囊泡结构，维持突触前/后蛋白的邻近关系；空间转录组分析显示海马神经元中AMPA受体信号相关基因表达模式得到维持。这些结构和分子证据与电生理层面的突触保留相互印证。

4. 结论

现有证据主要来自临床前模型，尚不能确立FLASH-rt对患者认知的保护作用。除陈述性记忆外，亦有研究报道空间工作记忆得到保护，提示可能涉及多个认知域。氧化应激减轻、神经炎症减弱、神经发生相关指标保留和突触可塑性维持可能是认知保护的候选机制，但其因果地位和相互协同关系尚未明确。认知保留的可重复性可能依赖于平均剂量率、脉冲剂量、脉冲结构、总照射时间和分次方案等参数，而非单一剂量率阈值。未来研究需结合时间分辨的生物学测量、选择性通路抑制、遗传操作或挽救实验，并在临床转化中关注照射几何、分次方案、靶区覆盖以及经过验证的认知终点。在脑转移瘤全脑放疗患者中，海马回避联合美金刚（memantine）已在NRG CC001随机III期试验中显示可降低认知失败风险，可作为FLASH-rt临床评价的当代对照基准。