| 孙健涵,孔祥慧,吕建锋,等.FLASH放疗中不同氧含量下束流时间结构驱动的自由基动力学研究[J].中华放射医学与防护杂志,2025,45(11):1061-1068.Sun Jianhan,Kong Xianghui,Lyu Jianfeng,et al.Study on the radical kinetics driven by the beam time profile under different oxygen contents in FLASH radiotherapy[J].Chin J Radiol Med Prot,2025,45(11):1061-1068 |
| FLASH放疗中不同氧含量下束流时间结构驱动的自由基动力学研究 |
| Study on the radical kinetics driven by the beam time profile under different oxygen contents in FLASH radiotherapy |
| 投稿时间:2025-06-24 |
| DOI:10.3760/cma.j.cn112271-20250624-00213 |
| 中文关键词: FLASH放射治疗 自由基 蒙特卡罗模拟 束流物理 |
| 英文关键词:FLASH radiotherapy Free radicals Monte Carlo simulation Beam physics |
| 基金项目:国家自然科学基金(12275012,12475309,12411530076,12375334,12581360004,82202941);北京市自然科学基金(Z210008);国家重点研发计划项目(2019YFF01014402);北京大学肿瘤医院临床研究青年基金(QNJJ2023018);中央高校基本科研业务费/北京大学临床医学+X青年专项(PKU2025PKULCXQ014);教育部内地与港澳高等学校师生交流计划项目(万人计划7111400072);内蒙古自治区科技计划项目(2022YFSH0064) |
| 作者 | 单位 | E-mail | | 孙健涵 | 北京大学核物理与核技术国家重点实验室 北京大学物理学院, 北京 100871 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室, 北京 100142 | | | 孔祥慧 | 香港理工大学医疗科技及资讯学系, 香港 999077 | | | 吕建锋 | 北京大学核物理与核技术国家重点实验室 北京大学物理学院, 北京 100871 北京激光加速创新中心, 北京 101407 | | | 王景辉 | 北京激光加速创新中心, 北京 101407 广东省新兴激光等离子体技术研究院, 广州 510540 | | | 刘小冬 | 中国石油大学(华东)化学化工学院应用化学系, 青岛 266580 | | | 林晨 | 北京大学核物理与核技术国家重点实验室 北京大学物理学院, 北京 100871 北京激光加速创新中心, 北京 101407 | | | 黎田 | 香港理工大学医疗科技及资讯学系, 香港 999077 | | | 张艺宝 | 北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所放疗科 恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室, 北京 100142 | | | 黄森林 | 北京大学核物理与核技术国家重点实验室 北京大学物理学院, 北京 100871 | huangsl@pku.edu.cn |
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| 中文摘要: |
| 目的 揭示束流时间结构与组织氧含量对自由基动力学的耦合作用机制, 进而解释FLASH效应的潜在生物学基础, 并为FLASH放疗的束流优化和计划设计提供参考。方法 使用TOPAS-nBio v3.0模拟电子束在水中产生的物理与化学作用过程, 建立涵盖羟基自由基 ( ·OH) 和水合电子(eaq-)等自由基生成、扩散、反应与猝灭的全尺度动力学模型。在不同束流时间结构(单脉冲、多脉冲、连续波照射)及不同氧浓度条件下, 系统模拟自由基演化动态。同时, 通过实验测试激光吸收光谱获取eaq-含量数据, 验证模型预测的准确性。结果 实验测得的eaq-浓度变化趋势与模拟结果高度一致, 验证了所构建模型的可靠性。束流时间结构对自由基浓度峰值 与持续时间具有显著影响, 单脉冲结构可导致自由基短时间内快速升高后迅速猝灭, 而连续或长脉冲结构则引起自由基浓度在较长时间内维持较高水平。·OH的演变对氧环境不敏感, 而eaq-则受氧环境影响剧烈。低氧环境下eaq-自由基清除效率明显下降, 导致生物大分子的氧化损伤累积增强。富氧环境下eaq-寿命快速缩短。结论 自由基动力学受到束流时间结构和氧含量的双重调控。FLASH放疗可以利用单脉冲或多脉冲间隙期形成周期性窗口, 正常组织通过高效抗氧化清除自由基降低损伤, 而肿瘤组织中自由基持续累积并放大损伤, 从而产生选择性保护效应。 |
| 英文摘要: |
| Objective To reveal the coupling mechanism of beam temporal profile and tissue oxygen content on radical kinetics, further explain the potential biological basis of the FLASH effect, and provide a reference for beam optimization and treatment planning design of FLASH radiotherapy (FLASH-RT). Methods TOPAS-nBio v3.0 was used to simulate the physical and chemical processes of electron beams in water, and a full-scale kinetic model was established covering the generation, diffusion, reaction, and quenching of free radicals such as hydroxyl radical (·OH) and hydrated electrons (eaq-). Under different beam temporal profiles (single pulse, multi-pulses, continuous wave irradiation) and different oxygen concentration conditions, the evolution dynamics of free radicals were systematically simulated. At the same time, the data on eaq- content were obtained by experimental measurement of laser absorption spectroscopy to verify the accuracy of the model prediction. Results The changing trend of eaq- concentration measured in the experiment was highly consistent with the simulation result, verifying the reliability of the constructed model. The beam time structure had a significant impact on the peak value and duration of free radical concentration. The single-pulse structure can cause the free radicals to rapidly increase and then quickly quench in a short time, while the continuous or long-pulse structure can cause the radical concentration to remain at a high level for a long time. The evolution of ·OH was not sensitive to the oxygen environment, while eaq- are greatly affected by the oxygen environment. The scavenging efficiency of free radicals in a hypoxic environment was significantly decreased, leading to an enhanced accumulation of oxidative damage to biological macromolecules. The lifespan of eaq- in an oxygen-rich environment decreased rapidly. Conclusions Radical kinetics are regulated by both the beam temporal profile and oxygen content. FLASH-RT can utilize single-pulse or multi-pulses intervals to form periodic windows, reducing normal tissue damage by efficiently scavenging free radicals through antioxidants, while free radicals in tumor tissues continuously accumulate and amplify damage, thus generating a selective protective effect. |
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