[논문 리뷰] Does FLASH deplete Oxygen? Experimental Evaluation for Photons, Protons and Carbon Ions

Jeannette Jansen, Jan Knoll외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 25.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 29인용 수 156

한 줄 요약

이 연구는 340 Gy/s까지의 피드레이트에서 포톤, 프로톤, 탄소 이온을 사용하여 플래시 방사선 치료 중 수중 산소 고갈을 실험적으로 조사한다. 3D 프린팅된 양초체에 비침습적 광학 산소 센서를 사용하여, 10 Gy당 산소 소비는 0.04%에서 0.25% atm 사이이며, 라디칼 자가반응으로 인해 피드레이트가 증가함에 따라 감소하고, 총 고갈에 도달하지는 않음을 발견한다—이것은 플래시 효과의 유일한 설명으로서 산소 고갈 이론을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플래시 방사선 치료 시 포톤, 프로톤, 탄소 이온을 사용할 때 수소화된 산소가 고갈되는지 실험적으로 평가하기 위해.
• 포톤, 프로톤, 탄소 이온에 대해 산소 소비가 피드레이트, 총 피드레이트, 선형 에너지 전달(LET)에 따라 어떻게 달라지는지 평가하기 위해.
• 산소 고갈이 정상 조직에서 플래시 효과의 방사선 보호 효과를 설명할 수 있는지 판단하기 위해.
• 순수한 물에서 방사선 분해 산소 소비에 대한 기존 이론적 및 시뮬레이션 모델을 검증하거나 도전하기 위해.

제안 방법

• 3D 프린팅된 기밀성 있고 투명한 물 양초체에 내장된 비침습적 실시간 산소 감지기(TROXSP5 광학 센서)를 사용한 산소 모니터링.
• 225 kV 포톤, 224 MeV 프로톤, 12C 이온을 사용하여 피드레이트 2 Gy/min에서 340 Gy/s까지 방사선 조사.
• 약 400 ms 시간 해상도를 가진 FireStingO2 시스템을 사용해 광학 자극 및 형광 측정.
• 피드레이트 및 방사선 유형에 따라 산소 소비량(dO/dD)을 단위 피드레이트 당로 측정.
• 양초체 부피와 初기 산소 농도를 변화시켜 선형성 및 초기 조건에 대한 독립성을 평가하기 위한 제어 실험.
• 산소 소비의 비선형 피드레이트 의존성을 기술하기 위해 역수법칙 모델(a + b·(dD/dt)^−0.5) 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플래시 방사선 치료 시 포톤, 프로톤, 탄소 이온을 사용할 때 수중 산소가 고갈되는가?
• RQ2 순수한 물에서 산소 소비는 피드레이트, 총 피드레이트, 방사선 품질(LET)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 관측된 산소 소비는 이론 모델 및 이전 실험 데이터와 일치하는가?
• RQ4 산소 고갈만으로 플래시 효과가 정상 조직과 종양 조직 간에 차별화된 방사선 보호 효과를 설명할 수 있는가?
• RQ5 초고속 피드레이트에서 라디칼 자가반응(e.g., e⁻aq + e⁻aq)이 산소 소비를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 225 kV 포톤의 경우 10 Gy당 산소 소비는 0.04%에서 0.18% atm이며, 224 MeV 프로톤은 0.04%에서 0.25% atm, 탄소 이온은 0.09%에서 0.17% atm까지 변화하며, 이는 피드레이트에 따라 달라진다.
• 산소 소비는 피드레이트가 증가함에 따라 감소하며, 역수법칙 관계를 따르며, 이는 라디칼 자가반응으로 인해 안정 상태 라디칼 농도가 감소하기 때문임을 시사한다.
• 고피드레이트에서 산소 소비 감소는 수용된 전자(e⁻aq)와 수소 원자(H)의 자가반응으로 인해 발생하며, 이들은 산소와 라디칼을 경쟁적으로 소모한다.
• 모든 방사선 유형에서 10 Gy 조사 시에도 최고 피드레이트 조건에서도 총 산소 고갈이 발생하지 않았다.
• 실험 결과는 이전 실험 및 모델링 연구와 양호한 일치를 보이며, 순수한 물에서 산소 소비의 비선형 피드레이트 의존성을 확인한다.
• 이러한 발견은 산소 고갈이 플래시 효과의 주요 메커니즘이라는 가설을 도전하며, 고갈은 충분치 않으며 오히려 플래시 피드레이트에서 감소함을 시사한다.