线粒体对常规剂量率及超高速剂量率辐射的反应

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：Mitochondrial Responses to Conventional and Ultra-high Dose Rate (FLASH) Radiation

　　

艾米丽·G·卡吉亚诺|玛丽亚姆·E·埃利松多|艾伦·洛佩兹·埃尔南德斯|特雷·沃尔德罗普|凯文·刘|亨利·加蒂卡-古铁雷斯|索菲娅·瓦尔加斯-埃尔南德斯|内费蒂蒂·米姆斯|阿丽亚娜·阿塞韦多-迪亚兹|布雷特·贝拉斯克斯|德娜伊·尼尔|埃德加多·阿吉拉尔|马修·D·迈耶|格洛丽亚·V·埃切维里亚|阿尔伯特·C·库恩|迈克尔·T·斯皮奥托|安娜-卡琳·古斯塔夫松|埃米尔·舒勒

德克萨斯大学MD安德森癌症中心放射物理学系，德克萨斯州休斯顿市

摘要

研究目的

超高剂量率（＞40 Gy/s，FLASH）放射治疗相比传统剂量率放射治疗能够在控制肿瘤的同时降低对正常组织的毒性。然而，FLASH效应的机制尚未明确。我们推测，FLASH放射治疗能够保护非肿瘤细胞中的线粒体结构完整，这一特性可能是降低正常组织毒性并改善治疗效果的关键因素。

研究方法

我们通过检测代谢流、线粒体膜电位、线粒体活性氧水平、线粒体DNA损伤与拷贝数、线粒体形态以及肿瘤生长和存活情况，从体外、离体及体内层面研究了传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗对线粒体健康与功能的影响。

研究结果

在体外实验中，小鼠胰腺癌细胞对传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗的线粒体损伤程度相似，但非肿瘤性胰腺细胞能免于损伤。离体实验结果与体外一致，而在体内实验中，患有皮下KPC肿瘤的小鼠在接受FLASH放射治疗和传统剂量率放射治疗后的肿瘤生长抑制效果相当，不过FLASH治疗能延长小鼠生存时间，这更多是由于减少了放射引起的毒性，而非更强的肿瘤控制效果。

研究结论

总体而言，这些结果表明，与传统剂量率放射治疗相比，FLASH放射治疗能保护非肿瘤细胞中的线粒体功能，但对胰腺癌细胞则无此作用。非肿瘤细胞线粒体结构的保持可能是FLASH放射治疗能降低正常组织毒性的关键机制。

引言

超高剂量率（＞40 Gy/s，FLASH）的放射治疗能够在控制肿瘤的同时，相比传统剂量率放射治疗（0.01-0.40Gy/s）减少对正常组织的损伤，这一现象被称为FLASH效应。FLASH放射治疗是一种独特的治疗方式，它能够在不增加周围组织毒性的情况下实现更高强度的放射治疗。然而，FLASH效应的机制至今仍不清楚。

传统剂量率放射治疗会严重破坏线粒体功能，干扰氧化磷酸化过程，产生活性氧并引发氧化应激。相比之下，FLASH放射治疗对线粒体健康与功能的影响研究较少，相关认知也较为有限。有研究提出，FLASH放射治疗能够保护正常组织，可能与活性氧的产生及其代谢途径有关。由于线粒体是细胞内活性氧的主要生成器官，因此FLASH放射治疗与传统剂量率放射治疗相比，线粒体功能的差异可能是FLASH效应的成因，但目前这一可能性尚未得到验证。

胰腺导管腺癌是一种可从FLASH效应研究中受益的肿瘤类型，这类肿瘤生长迅速、易早期转移，几乎所有病例都会致命。目前尚无针对胰腺导管腺癌的特效疗法，且由于其免疫环境较为“冷淡”，免疫疗法的效果也十分有限。目前可用的治疗手段仅为手术，但由于肿瘤扩散较快，适合手术的患者数量很少；化疗作为单药治疗的效果也较为有限，还常常会降低患者的生活质量。虽然放射治疗可作为局部胰腺导管腺癌的一种治疗选择，但由于胰腺靠近胃、肠道等对放射敏感的组织，放射剂量往往受到限制，而这些组织很容易出现溃疡、穿孔等放射损伤。因此，迫切需要为胰腺导管腺癌患者提供更多更有效的治疗方案。对于那些很难达到治愈剂量的胰腺导管腺癌患者而言，FLASH放射治疗尤为重要，它能够显著降低放射引起的胃肠道毒性，从而有可能提高放射剂量，进而改善治疗效果。

本研究旨在比较传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗对胰腺导管腺癌细胞以及非肿瘤性胰腺导管细胞的线粒体功能的影响。我们通过离体、体内实验来验证体外实验的结果，进一步评估两种放射治疗方式对线粒体健康的影响。我们推测，尽管两种治疗方式对胰腺导管腺癌细胞的效应相似，但FLASH放射治疗能减少非肿瘤细胞中的线粒体损伤与应激，进而提升线粒体功能并改善整体治疗效果。

内容片段

细胞系与试剂

与C57BL/6小鼠同源的小鼠上皮细胞系LSL-KRAS^G12D; Trp53^fl/+; Ptf1? Cre（KPC细胞）以及鳞状细胞系LSL-KRAS^G12D; Trp53^fl/+; Ptf1? Cre（HY24160细胞）均在含有10%胎牛血清、1%青霉素/链霉素、2mM GlutaMAX、1mM丙酮酸钠以及预防性血浆菌素的RPMI-1640培养基中培养。KPC细胞培养基还额外添加了7μg/mL胰岛素。小鼠Trp53^fl/fl; Ptf1? Cre（IK3025）胰腺导管细胞则在含有15mM HEPES的DMEM/F12培养基中培养，该培养基还添加了5mg/mL的某种成分。

胰腺导管腺癌细胞中的线粒体功能在传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗后的变化相似

为了检测放射治疗后的线粒体功能，我们测量了线粒体膜电位和氧化磷酸化速率。在KPC细胞中，传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗均会在治疗72小时后显著降低线粒体膜电位（见图1A）。而在HY24160细胞中，线粒体膜电位则相对对照组有所上升（见图1B）。两种细胞系对传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗的反应并无差异。

接下来，我们检测了氧化磷酸化速率。在KPC细胞中，传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗均显著

讨论

据我们所知，这是首项研究，探讨了传统剂量率放射治疗和FLASH放射治疗对正常胰腺细胞与胰腺导管腺癌细胞线粒体功能及应激状态的差异影响。我们首先在两种不同的胰腺导管腺癌细胞系——KPC细胞和HY24160细胞上，研究了这两种放射治疗方式对线粒体生物学的影响。尽管这两种细胞的基因组成相同，均为LSL-KRAS^G12D; Trp53^fl/+; Ptf1? Cre，但KPC细胞属于上皮细胞系，而HY24160细胞则为鳞状细胞系。

数据可用性

如需获取数据，可向相应作者提出申请，我们将予以提供。

利益冲突

GVE获得了Chimerix, Inc公司的研究资助，同时还从Chimerix, Inc公司以及德国先导发现中心获得了实验研究用化合物。

致谢与资金支持

我们感谢德克萨斯大学MD安德森癌症中心放射肿瘤科的Christine F. Wogan女士，她对本篇文章的编辑工作做出了贡献。KPC细胞是由MD安德森癌症中心的Anirban Maitra慷慨提供的。HY24160细胞和IK3025细胞则由MD安德森癌症中心的Haoqiang Ying慷慨提供。本研究部分得到了美国国立卫生研究院国家癌症研究所的资助，资助编号为R01CA269565。