[論文レビュー] Does FLASH deplete Oxygen? Experimental Evaluation for Photons, Protons and Carbon Ions

Jeannette Jansen, Jan Knoll+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 29被引用数 156

ひとこと要約

本研究は、最大340 Gy/sの線量率で、光子、陽子、炭素イオンを用いたFLASH放射線治療における水の中の酸素消費を実験的に調査した。3Dプリンティングで作製した封止型で透明なアーティファクトに非侵襲的光学酸素センサーを埋め込み、10 Gyあたりの酸素消費量は0.04%〜0.25 atmであり、線量率が上昇するにつれて反応性ラジカル同士の自己反応により減少し、完全な酸素消費には至らないことが判明した。これは、酸素消費理論がFLASH効果を唯一説明するものであるという仮説に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Purpose: To investigate experimentally, if FLASH irradiation depletes oxygen within water for different radiation types such as photons, protons and carbon ions. Methods: This study presents measurements of the oxygen consumption in sealed, 3D printed water phantoms during irradiation with X-rays, protons and carbon ions at varying dose rates up to 340 Gy/s. The oxygen measurement was performed using an optical sensor allowing for non-invasive measurements. Results: Oxygen consumption in water only depends on dose, dose rate and linear energy transfer (LET) of the irradiation. The total amount of oxygen depleted per 10 Gy was found to be 0.04 - 0.18 % atm for 225 kV photons, 0.04 - 0.25 % atm for 224 MeV protons and 0.09 - 0.17 % atm for carbon ions. consumption depends on dose rate by an inverse power law and saturates for higher dose rates because of self-interactions of radicals. Higher dose rates yield lower oxygen consumption. No total depletion of oxygen was found for clinical doses. Conclusions: FLASH irradiation does consume oxygen, but not enough to deplete all the oxygen present. For higher dose rates, less oxygen was consumed than at standard radiotherapy dose rates. No total depletion was found for any of the analyzed radiation types for 10 Gy dose delivery using FLASH.

研究の動機と目的

• FLASH照射が異なる放射線種において水中の溶解酸素を消費するかどうかを実験的に評価すること。
• 光子、陽子、炭素イオンについて、酸素消費が線量率、総線量、線形エネルギー移譲（LET）にどのように依存するかを評価すること。
• 酸素消費が、正常組織におけるFLASH効果の放射線保護的効果を説明できるかどうかを検証すること。
• 純水における放射分解的酸素消費に関する既存の理論的・シミュレーションモデルを検証または検証し直すこと。

提案手法

• 3Dプリンティングで作製した気密性で透明な水アーティファクトに埋め込んだ非侵襲的でリアルタイムの酸素モニタリングを実施。TROXSP5光学センサーを用いた。
• 225 kVの光子、224 MeVの陽子、12Cイオンを用い、線量率は2 Gy/minから340 Gy/sの範囲で照射した。
• FireStingO2システムを用いて光学励起と蛍光測定を実施し、約400 msの時間分解能を達成した。
• 線量率および放射線種の関数として、単位線量あたりの酸素消費量（dO/dD）を測定した。
• アーティファクトの体積や初期酸素濃度を変化させた制御実験を実施し、線形性および初期条件への依存性を評価した。
• 非線形な線量率依存性を記述するため、逆べき乗則モデル（a + b·(dD/dt)^−0.5）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLASH照射が光子、陽子、炭素イオンを用いて水中の酸素を消費するか？
• RQ2 純水において、酸素消費は線量率、総線量、放射線の質（LET）にどのように依存するか？
• RQ3 観察された酸素消費は、理論的モデルおよび先行実験データと整合性があるか？
• RQ4 酸素消費が、正常組織と腫瘍組織におけるFLASH効果の差別的放射線保護効果を説明できるか？
• RQ5 超高速線量率下で、反応性ラジカル同士の自己反応（例：e⁻aq + e⁻aq）が酸素消費に与える影響は何か？

主な発見

• 225 kVの光子では10 Gyあたり0.04%〜0.18% atm、224 MeVの陽子では0.04%〜0.25% atm、炭素イオンでは0.09%〜0.17% atmの範囲で酸素消費が認められ、線量率に依存した。
• 酸素消費は線量率が上昇するにつれて減少し、逆べき乗則的関係に従うことが判明した。これは、反応性ラジカルの定常状態濃度が低下していることを示唆する。
• 高線量率での酸素消費の低下は、溶媒化電子（e⁻aq）および水素原子（H）の自己反応が酸素と競合するためであると特定された。
• どの放射線種に対しても、10 Gyの線量で最も高い線量率を測定したにもかかわらず、完全な酸素消費は発生しなかった。
• 実験結果は、先行する実験的およびモデル化研究と良好に一致しており、純水における酸素消費の非線形な線量率依存性を裏付けた。
• これらの結果は、酸素消費がFLASH効果の主なメカニズムであるという仮説を疑問視するものであり、酸素消費は不十分であり、むしろFLASH線量率では減少しているからである。