《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Process intensification strategies in radiotherapy: Recent advances and challenges in cancer management
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摘要放疗仍然是癌症治疗中最广泛使用且最具成本效益的手段之一，超过半数的癌症患者接受放疗以进行根治性或姑息性治疗。本综述全面概述了传统和新兴的放疗模式，特别强调了近期的技术和放射生物学进展。在过程强化框架下，放疗创新大致分为基于仪器和基于生化两种策略，旨在增强肿瘤控制的同时将辐
摘要
放疗仍然是癌症治疗中最广泛使用且最具成本效益的手段之一，超过半数的癌症患者接受放疗以进行根治性或姑息性治疗。本综述全面概述了传统和新兴的放疗模式，特别强调了近期的技术和放射生物学进展。在过程强化框架下，放疗创新大致分为基于仪器和基于生化两种策略，旨在增强肿瘤控制的同时将辐射引起的正常组织毒性降至最低。本综述深入探讨了外部束放疗从高能光子治疗向高级模式的演进，包括FLASH放疗、近距离放疗、硼中子俘获治疗和质子重离子治疗。这些方法实现了更优的剂量一致性、更小的治疗体积和更短的治疗时间。此外，本综述还详细讨论了基于纳米材料的放射增敏策略，特别是利用金等高原子序数纳米颗粒，阐述其在增强局部能量沉积和活性氧生成中的多功能作用，从而克服肿瘤缺氧和固有放射抵抗性。总体而言，这些发展标志着放疗向个性化、生物学驱动的方向转变，具有更高的治疗效果和转化潜力。
引言
原子能的和平利用不仅限于发电，还在材料科学、环境修复、食品保鲜、工业加工、太空探索和医学领域做出了重大贡献。1-61–6由不稳定放射性原子核和加速器发射的电离辐射（IR）可诱导材料发生化学变化，可通过环保工艺用于改善聚合物性能。6,7 电离辐射也广泛用于降解污染物和修复受污染环境。在医学领域，电离辐射在医疗设备灭菌、各种病理状况诊断和癌症治疗中发挥着核心作用。8,9
在这些应用中，放疗（RT）代表了电离辐射最具影响力的医学应用之一。放疗主要通过诱导DNA损伤、扰乱细胞周期和触发细胞凋亡来发挥抗癌作用。10 根据辐射源的位置，放疗分为三种主要模式：外部束放疗（EBRT）、近距离放疗（内部放疗）和全身放疗。外部束放疗是最常用的模式，使用直线加速器或放射性源（60Co）从体外将高能光子、电子或质子束递送至肿瘤。11 近距离放疗是将放射源直接放置在体内肿瘤内或肿瘤附近。12 全身放疗使用放射性核素标记的载体分子（如单克隆抗体、肽或其他靶向制剂）将辐射递送至全身。13,14 在过去一个世纪中，放疗从早期使用镭源治疗宫颈癌发展到能够递送精确靶向肿瘤的一致性辐射剂量的先进技术。15 尽管取得了这些进展，由于非靶区暴露导致的正常组织毒性仍是制定放疗方案的主要顾虑。放疗的另一个主要临床挑战是在缺氧条件下发展出的放射抵抗性。16 解决这些挑战需要提高放疗的特异性。在此背景下，过程强化（PI）概念变得高度相关。过程强化旨在通过优化物理和分子相互作用来增强任何过程的性能。在放疗中，过程强化关注将辐射精确递送至肿瘤组织，同时将正常组织的暴露降至最低。17,18 此外，它旨在改善辐射相互作用及其在癌细胞内的能量沉积，从而增强放疗的治疗效果。总体而言，放疗中的过程强化可分为两大类方法。第一种是基于仪器的强化，涉及图像引导和剂量一致性等技术进步，以改善辐射递送。简而言之，现代技术发展——包括调强放疗、图像引导放疗（IGRT）、FLASH放疗、硼中子俘获治疗（BNCT）和质子重离子治疗——均体现了放疗中的仪器化过程强化。[17], [18], [19] 这些进展实现了更优的剂量一致性、更小的治疗体积、更短的治疗时间、更强的肿瘤控制和更低的毒性。1815 第二种是基于化学/生化的强化，涉及使用放射增敏剂（药物或纳米材料）和靶向制剂来改善肿瘤内的微观能量沉积，确保均匀的剂量分布，增强癌细胞杀伤并降低正常组织毒性（Scheme 1）。20,21
在本综述中，我们试图详细概述放疗的最新进展，特别强调了纳米材料在增强治疗效果强化同时最小化正常细胞损伤中的作用。为更好地理解这些进展，我们首先简要概述了电离辐射如何与物质相互作用以及如何诱导生物损伤从而导致癌细胞死亡或生长抑制。随后简要介绍了不同的放疗技术，以及可与这些技术联合使用的各类制剂以调节辐射诱导效应，从而促进对癌细胞的优先损伤而非正常组织。最后讨论了未来的挑战和该领域新创新的范围。
章节摘要
电离辐射与物质的相互作用
辐射是一种从源发射并穿越空间或物质的电磁能。太阳是主要的自然辐射源，对地球上的生命至关重要。然而，根据其能量不同，辐射暴露可能有害，需要采取保护措施。根据能量，辐射分为非电离和电离两类。非电离辐射是低能量（数eV范围）辐射，通常引起物理变化且
辐射化学—放射生物学界面
如前所述，电离辐射的能量沉积模式因LET而异。相应地，在细胞水平上，辐射诱导的损伤通过生物分子的直接电离或通过与辐射裂解产物的间接反应产生。为了比较不同辐射对细胞活性的效率，使用相对生物学效应（RBE），它表示观察到给定生物效应所需的剂量比
传统EBRT与肿瘤放射生物学
传统EBRT主要通过使用低LET电离辐射（高能光子和电子）给予41,42 如前一节所述，低LET辐射的生物学效应很大程度上取决于细胞内的氧浓度。43 常氧条件（基础氧浓度约30 μM）有助于将辐射裂解产生的还原性物种（如氢自由基和热化电子）转化为强氧化性物种，从而提高放疗效率。由于
现代放疗技术及新兴进展
如前几节所述，实现更高的治疗指数是放疗的主要目标。这需要将优化的物理剂量分布、适当的辐射质量和增强的生物学效应进行整合。为满足这些要求，近年来放疗技术经历了显著进步，有望将优化的物理剂量递送至肿瘤组织。同时，多种放疗辅助制剂也被证明可以增强
FLASH放疗
尽管分次照射、图像引导和强度调制等进展极大地改善了传统放疗的空间精度，但并未从根本上改变肿瘤控制与正常组织毒性之间的生物学权衡。以超高剂量率（UHDR）在极短时间内照射（通常在毫秒内超过40 Gy），称为FLASH-RT，是解决该问题的最新进展之一。50 临床前研究表明FLASH-RT
未来方向
在放疗中，将能够精确沉积剂量的先进仪器与径迹结构物理、水辐射裂解、DNA损伤与修复机制及纳米级修饰剂的机理性理解相结合，为下一代放疗策略提供了统一框架。基于仪器的进展，如FLASH放疗、质子重离子治疗和BNCT，在改善癌症患者生活质量方面展现了巨大前景，然而其大规模推广
未引用参考文献
[[1], [2], [3], [4], [5],50,70,81,[114], [115], [116],136]
CRediT作者贡献声明
Sucheta Mandal：初稿撰写、形式分析、数据整理。 Koushik Majee：初稿撰写、数据整理。 Apeksha Jagdale：数据整理。 Geeta K Sharma：形式分析、数据整理。 Amit Kunwar：撰写——审阅与编辑、监督。 Beena G. Singh：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
Sucheta Mandal|Koushik Majee|Apeksha Jagdale|Geeta K Sharma|Amit Kunwar|Beena G. Singh
原子辐射与光化学部门，巴布亚原子能研究中心，孟买Trombay，印度，400085
