[论文解读] 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 156

一句话总结

本研究通过光子、质子和碳离子在高达340 Gy/s的剂量率下，实验研究了FLASH放疗过程中水中的氧气耗竭。利用3D打印的、密闭透明的水模体中的非侵入式光学氧传感器，发现每10 Gy的耗氧量在0.04%至0.25% atm之间，且随着剂量率升高而减少，这是由于自由基自反应所致，且从未达到完全耗竭——这挑战了氧气耗竭理论作为FLASH效应唯一解释的观点。

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.

研究动机与目标

• 实验评估FLASH照射是否在不同辐射类型下耗竭水中的溶解氧。
• 评估氧气消耗对剂量率、总剂量和线能量传递（LET）的依赖性，适用于光子、质子和碳离子。
• 确定氧气耗竭是否可解释健康组织中FLASH效应的放射保护益处。
• 验证或挑战现有关于纯水中辐射分解氧气消耗的理论与模拟模型。

提出的方法

• 使用嵌入3D打印、密闭、透明水模体中的TROXSP5光学传感器，实现非侵入式、实时氧气监测。
• 使用225 kV光子、224 MeV质子和12C离子在2 Gy/min至340 Gy/s的剂量率下进行照射。
• 采用FireStingO2系统进行光学激发和荧光读出，时间分辨率达约400 ms。
• 测量单位剂量的氧气消耗量（dO/dD）随剂量率和辐射类型的变化。
• 通过改变模体体积和初始氧浓度，控制实验以评估线性关系及初始条件的独立性。
• 应用反幂律模型（a + b·(dD/dt)^−0.5）描述氧气消耗的非线性剂量率依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FLASH照射在光子、质子和碳离子照射下是否耗竭水中的氧气？
• RQ2 在纯水中，氧气消耗如何随剂量率、总剂量和辐射品质（LET）变化？
• RQ3 观测到的氧气消耗是否与理论模型和先前实验数据一致？
• RQ4 仅靠氧气耗竭是否足以解释FLASH效应在正常组织与肿瘤组织中差异性放射保护的机制？
• RQ5 在超高速剂量率下，自由基自反应（如e⁻aq + e⁻aq）在调节氧气消耗中起何作用？

主要发现

• 对于225 kV光子，每10 Gy的氧气消耗量在0.04%至0.18% atm之间；对于224 MeV质子，为0.04%至0.25% atm；对于碳离子，为0.09%至0.17% atm，具体取决于剂量率。
• 氧气消耗随剂量率升高而减少，符合反幂律关系，表明自由基自反应降低了稳态自由基浓度。
• 在高剂量率下氧气消耗减少，归因于水合电子（e⁻aq）和氢原子（H）的自反应，这些反应与氧气竞争自由基。
• 在任何辐射类型下，即使在最高剂量率下，10 Gy照射后也未发生完全氧气耗竭。
• 实验结果与先前实验和建模研究高度一致，证实了纯水中氧气消耗对剂量率的非线性依赖性。
• 研究结果挑战了氧气耗竭是FLASH效应主要机制的假设，因为氧气耗竭程度不足，且在FLASH剂量率下反而减少。