γ射线光谱技术在宠物硼中子捕获治疗中的应用

《Applied Radiation and Isotopes》：Application of the prompt γ-ray spectroscopy in the boron neutron capture therapy of pets

硼中子俘获治疗（BNCT）中应用实时γ射线光谱法评估硼吸收与清除动力学，研究显示不同个体间硼剂量及清除时间差异显著（剂量差10倍，清除时间差6倍），且硼浓度与肿瘤体积无相关性，肿瘤硼清除比血液慢（3-17小时 vs 1-3小时），提示需结合γ射线光谱技术优化临床治疗剂量评估。

　　

维多利亚·D·马尔采娃（Victoria D. Maltseva）| 蒂莫菲·A·比科夫（Timofey A. Bykov）| 伊莉娅·L·切斯诺科娃（Yiliia L. Chesnokova）| 拉哈夫·迪布（Rahaf Deeb）| 玛丽娜·A·德格佳列娃（Marina A. Degtyareva）| 埃卡捷琳娜·S·德米特里耶娃（Ekaterina S. Dmitrieva）| 安娜·I·卡萨托娃（Anna I. Kasatova）| 德米特里·A·卡萨托夫（Dmitrii A. Kasatov）| 乌莉娅·塔斯卡耶娃（Iuliia Taskaeva）| 谢尔盖·A·乌斯彭斯基（Sergey A. Uspenskii）| 谢尔盖·尤·塔斯卡耶夫（Sergey Yu. Taskaev）

俄罗斯新西伯利亚布德克尔核物理研究所（Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia）

摘要

硼中子俘获疗法（BNCT）包括将硼-10选择性地积聚在肿瘤细胞中，并进行针对性的中子辐照。临床应用中的一个关键挑战是准确实时测量吸收的硼剂量。本研究首次应用了即时γ射线光谱技术，来评估十只患有自发性肿瘤的宠物在接受BNCT治疗过程中的硼摄取和清除动态。研究使用基于加速器的中子源和高纯度锗γ射线光谱仪进行，该光谱仪经过屏蔽处理，能够检测到硼中子俘获反应过程中释放的478 keV光子。该方法成功实现了对辐照区域内硼浓度的直接、无创监测。结果表明，不同动物之间的硼摄取反应强度存在显著差异（相差10倍），硼清除时间也相差6倍。更重要的是，研究发现测得的硼中子俘获事件强度与肿瘤体积或血液中的硼浓度无关。此外，肿瘤中的硼清除时间（3–17小时）明显长于血液中的清除时间（1–3小时）。这些发现表明，仅依赖血液分析进行治疗计划是不够的。因此，强烈建议在临床BNCT中整合即时γ射线光谱技术，以确保精确的剂量测量、优化治疗时间并改善治疗效果。

引言

硼中子俘获疗法（BNCT）被认为是一种治疗肿瘤疾病的有前景的方法（Sauerwein等人，2025年；《硼中子俘获疗法进展》，2023年）。该方法利用了非放射性硼-10核吸收热中子的独特能力，以及核反应产物几乎将所有反应能量沉积在单个细胞大小的小体积内的独特性质。硼-10（^10B）与中子（n,α）^7Li反应的截面为3835 barn，对于热中子而言，这一数值比构成人体的氢、碳、氮和氧原子核的中子俘获截面高出数千到数万倍。硼-10核吸收中子后会发生即时核反应（^10B(n,α)^7Li），释放出2.79 MeV的能量。在6.1%的情况下，能量仅分布在锂核和α粒子之间；在93.9%的情况下，锂核处于激发态并释放出能量为0.478 MeV的γ量子。核反应的产物——锂核和α粒子在水中或人体组织中的传播距离较短，分别为5.2 μm和7.5 μm。γ量子的阻止能力较低，其在水中的平均自由路径约为10 cm。因此，硼-10(n,α)^7Li核反应释放的主要能量（84%）局限于单个细胞的范围内。因此，通过选择性地将硼-10积聚在肿瘤细胞内并随后进行中子辐照，应能破坏肿瘤细胞，同时对周围健康细胞的损伤相对较小。

为了实现成功的BNCT治疗，需要：i) 以至少20 ppm的浓度将硼输送到肿瘤细胞中，并使其与健康器官细胞的对比度至少达到3:1；ii) 使用强度至少为5 × 10^8 中子/平方厘米·秒的表层中子通量进行辐照，持续时间约为1小时。目前，第一个目标是通过使用硼苯丙氨酸（(L)-4-二羟基硼基苯丙氨酸，BPA）来实现的；第二个目标则是通过使用多种基于加速器的中子源来实现的（《硼中子俘获疗法进展》，2023年）。

BNCT临床应用需要解决的主要问题之一是测量吸收剂量，该剂量包括硼剂量、热中子剂量、快中子剂量和γ射线剂量的总和（Sauerwein等人，2012年）。硼剂量来自硼-10(n,α)^7Li反应产生的α粒子和锂核；应尽量在肿瘤细胞中最大化这一剂量。热中子剂量来自氮核（^14N(n,p)^14C）与中子俘获反应产生的反冲核。快中子剂量来自中子与原子核（主要是氢核）的弹性散射产生的反冲核。γ射线剂量来自γ射线对原子的电离，其来源包括带电粒子加速器、中子生成靶、中子束成形装置和被辐照对象（患者）；这三个剂量成分都应尽量降低。

硼剂量可以通过硼-10(n,α)^7Li反应本身直接测量，因为在93.9%的情况下，反应产物之一是释放出能量为0.478 MeV的γ量子。通过测量478 keV光子的发射强度，可以确定观察体积内发生的核反应数量。这种方法称为即时γ射线光谱技术，已被广泛知晓；其应用于BNCT的方法已在文献中提出并描述（Kobayashi等人，1983年）。尽管这种方法已知，但实际上并未得到广泛应用。难点在于γ射线光谱仪必须置于中子通量中，并具有良好的能量分辨率，但由于质子与锂核的非弹性散射，锂靶也会发射相同能量的光子。如果使用相对抗中子通量的γ射线光谱仪，其能量分辨率将无法区分478 keV线和更强的511 keV线。HPGe γ射线光谱仪可以区分这两条线，但无法抵抗中子的影响。换句话说，尽管有人尝试过应用这种方法，但并未取得成功。正因如此，目前大量研究致力于测量硼浓度（在关于中子俘获疗法的书籍中详细描述了8种方法（Sauerwein等人，2012年），以便通过中子传输的数值建模重建硼剂量值。

本研究的目的是实现即时γ射线光谱技术的实际应用，将其用于测量患有自发性肿瘤的大型宠物的硼剂量，并为在肿瘤诊所进行BNCT治疗时使用该技术提供建议。

实验设施和测量方法

研究在布德克尔核物理研究所的基于加速器的中子源进行（Taskaev，2024年）。该设施包括一个专门设计的串联静电带电粒子加速器——真空绝缘串联加速器VITA，可产生能量高达2.25 MeV、电流高达10 mA的稳定单能质子或氘子束；一个用于产生中子的锂靶；以及用于形成所需中子束的束成形装置。

案例1

即时γ射线光谱技术首次应用于2023年6月27日对一只猫的治疗过程中。图4显示了检测到的辐射特征谱线。478 keV光子线较为宽，但可以可靠地测量。由于使用铅砖对锂靶进行了屏蔽，并采取了其他措施，因此几乎完全抑制了来自^7Li(p,p'γ)^7Li反应的单色478 keV光子，从而实现了对^10B(n,α)^7Li反应光子的良好检测。

讨论

在本研究中，我们未对治疗效果进行临床评估。然而，可以观察到BNCT确实导致了肿瘤体积的减小，并且动物的状况持续得到改善。然而，由于动物通常处于严重或危重状态且年龄较大，主人往往不得不对它们实施安乐死。

此外，本研究也未进行定量剂量评估。

总结与结论

本研究首次应用即时γ射线光谱技术，评估了十只宠物在接受硼中子俘获疗法（BNCT）过程中的硼摄取和清除动态。结果表明，不同动物之间的硼中子俘获核反应强度和硼清除时间存在显著差异：前者相差10倍，后者相差6倍。研究发现，测量到的硼中子俘获反应强度与肿瘤体积或血液中的硼浓度无关。

<红色列作者贡献声明> 拉哈夫·迪布（Rahaf Deeb）： 数据可视化、研究。 玛丽娜·A·德格佳列娃（Marina A. Degtyareva）： 文稿撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、概念设计。 蒂莫菲·A·比科夫（Timofey A. Bykov）： 数据可视化、软件开发、研究。 伊莉娅·L·切斯诺科娃（Yiliia L. Chesnokova）： 数据可视化、项目管理、数据管理。 埃卡捷琳娜·S·德米特里耶娃（Ekaterina S. Dmitrieva）： 文稿撰写——审阅与编辑、资源协调、研究、数据分析。 安娜·I·卡萨托娃（Anna I. Kasatova）： 文稿撰写——初稿撰写、验证、数据分析。 德米特里·A·卡萨托夫（Dmitrii A. Kasatov）： 文稿撰写——审阅与编辑。 <未引用的参考文献>

《硼中子俘获疗法进展》，2023年；Kobayashi和Kanda，1983年；SEG-1KP半导体γ射线能量光谱仪。

<利益冲突声明> < />