閃光放射治療（放療）是近年來國際腫瘤放療領域研究的熱點，其使用超高劑量率（通常大于 100 Gy/s）在極短時間（1～50 ms）內將全部放療劑量注入靶區。生物體進行閃光放療后會產生閃光效應，該效應可在不降低放療對腫瘤治療效果的情況下，給正常組織提供更好的保護。腫瘤組織和正常組織對射線的敏感性存在差異，使得閃光放療在腫瘤的治療上具有顛覆性的優勢。該文回顧了自 1959 年以來的多篇關于超高劑量率射線和閃光放療作用于細胞及生物體的研究，從超高劑量率的研究開始回顧閃光放療的萌芽及逐步發展過程。超高劑量率放療作為閃光放療的前身，對后來閃光放療的發展奠定了非常重要的基礎。
引用本文： 高峰, 羊奕偉, 戴堂知, 吳岱, 杜小波. 閃光放射治療綜述. 華西醫學, 2020, 35(2): 225-229. doi: 10.7507/1002-0179.201912078 復制
在極短時間內給予單次的照射劑量，從而得到一個極高的照射劑量率（通常情況下是在 50 ms 內給予平均劑量率超過 100 Gy/s 的照射），這種極高照射劑量率應用到生物細胞或組織的方法叫做閃光放射治療（放療）。目前已有研究還提出閃光放療必須要在極短的時間發放脈沖射線[1-2]，這是產生閃光效應的必要條件。這一超高劑量率射線對生物細胞的作用自 1959 年起就有被報道，隨后的十幾年間雖然有過短暫的研究熱潮，但最終未能持續。直到本世紀初有學者發現體外研究時，腫瘤組織細胞和正常組織細胞對射線的敏感性都下降，但到體內研究時卻出現了腫瘤組織對射線的敏感性依然存在而正常組織卻對射線出現抵抗，這種現象被定義為“閃光效應”[3]。正常組織的劑量限制性毒性是腫瘤放療發展的主要阻力之一。目前臨床放療技術的發展方向主要集中在改進放療機器的適形能力，最終達到盡可能精準地照射腫瘤組織而避免對正常組織的輻射損傷。但由于人體器官結構的特殊性，放療過程中正常組織必然會接受射線照射，尤其是與腫瘤組織緊鄰的正常組織，所以正常組織的最大耐受劑量限制了腫瘤組織的最高劑量。“閃光放療”的出現有可能既滿足射線對腫瘤組織的殺傷又保護正常組織的功能，從而使得利用射線治愈腫瘤成為一種可能。除此之外，由于“閃光放療”時間極短，還可以大大提高治療效率和避免治療過程中的移動誤差。對于這樣一種極具治療前景的放療方式，國內尚未見相關研究。因此，本文對國外既往 “閃光放療”的文獻進行綜述。
1 體外研究階段
和乏氧細胞相比，富氧細胞對射線更敏感。1959 年 Dewey 等[4]發現，在富氧環境中本來對射線敏感的細菌，當放射劑量率提高以后，其對射線的敏感性下降，提高放射劑量率起到和使組織缺氧類似的放射抵抗作用，但作者未能對這一現象進行進一步的解釋。自此，極高劑量率的科學研究被開啟。
1967 年 Town [5]通過脈沖波的形式得到射線，通過縮短時間提高放射劑量率，其研究結果與 Dewey 等[4]一致，即提高放射劑量率會使細胞的放射敏感性發生變化：在一定劑量率范圍內，隨著放射劑量率的提高，哺乳動物腫瘤細胞的敏感性增加；但隨著劑量率的進一步增加，細胞存活曲線會出現“拐點”，“拐點”之后，隨著劑量率的增加，哺乳動物腫瘤細胞對射線的敏感性反而下降。并且 Town [5]通過實驗方法驗證了氧的缺乏是使細胞生存曲線出現“拐點”的原因。
1969 年，Berry 等[6]采用微秒量級的脈沖射線，同樣采用縮短射線發放時間提高放射劑量率方法，發現不論是哺乳動物正常細胞還是人類腫瘤細胞，其各自的細胞存活曲線隨著放射劑量率的提高都會出現“拐點”。但對于為什么會出現“拐點”，其基于前人對細菌的研究的解釋是：非常短時間高劑量率的射線，會使得細胞內的氧瞬間被消耗掉，但在如此短的時間內，細胞外的氧濃度通過壓力差滲透到細胞內很難；所以細胞內是一個缺氧環境，這就導致了細胞對射線的殺傷不敏感，出現乏氧細胞射線抵抗的相似表現。
Berry 等[6]基于自己完成的體外實驗的研究結果，也認為采用氧消耗學說來解釋閃光放療的機制并不完美，原因是：① 對于哺乳動物細胞來說，實驗中在 5～10 Gy 的放射總劑量時就出現“拐點”，但這一劑量對應的劑量率顯然是不足以消耗盡所有氧氣。② 單看平均劑量率是不合適的，除非要考慮脈沖發放時間對應的劑量。如單發脈沖的劑量率極高，但脈沖之間的間隔時間太長，以秒為單位計算平均劑量率后實際上算出來的平均劑量率是變小了。這也可以用來解釋為什么其實驗中采用 30 ns 和 50 ns 發放的脈沖射線，關于細胞的生存曲線卻得到不一樣的結果。因此，Berry 等[6]提出一個更可能的假設是，在均一性好的極高劑量率照射條件下，局部會產生很多的自由基，由于自由基之間的相互作用，真正游離的自由基減少，從而減弱氧自由基對生物靶點造成損傷導致細胞死亡。如果說在極高劑量率照射的條件下，細胞對射線的敏感性和環境中的氧無關，而是與游離的氧自由基有密切的關系，那么腫瘤乏氧細胞對射線抵抗的問題也許可以從中找到突破口。
在 Berry 等[6]的研究之后，閃光放療的進展非常緩慢，另外在 1972 年、1974 年和 1978 年相繼有學者進行體外細胞暴露在極高劑量率射線的相關研究[7-9]，研究的內容都集中在不同氧濃度條件下，體外細胞暴露在極高劑量率射線照射后出現的細胞生存曲線的差別。研究者們都嘗試用氧消耗學說來解釋提高放射劑量率出現細胞對射線敏感性下降的原因，但最終也未能發現更有突破性意義的結果，未能提出更有實用價值的假說。
2 小型哺乳動物體內研究階段
自 2014 年以來，閃光放療從體外研究階段轉向到小型哺乳動物的體內研究階段。研究者們采用極短時間發放的脈沖射線，平均劑量率在 40 Gy/s 以上。2014 年 Favaudon 等[2]采用脈沖發放時間小于 500 ms、劑量率大于 40 Gy/s 射線分別作用于哺乳動物正常組織和腫瘤組織進行研究。這一研究發現，與常規劑量率放療相比，閃光放療使得正常肺組織免于肺纖維化，在總照射劑量相同的前提下，大大減輕了早期由射線損傷導致的細胞壞死；在抗腫瘤作用相同的前提下，皮膚組織被射線照射后副反應的嚴重程度下降。該研究表明，閃光放療可以使正常組織和腫瘤組織對于射線的作用差異進一步擴大，可以在不損失射線抗腫瘤作用的前提下更大程度地保護正常組織。在組織切片上發現與傳統劑量率放療相比，閃光放療減少了肺部血管和支氣管放療早期的急性細胞凋亡。另外，閃光放療和傳統劑量率放療在控制小鼠異種移植腫瘤生長的能力上沒有差別[2]。
Favaudon 等[2]的研究還建造了小鼠同種移植腫瘤模型，發現與常規劑量率放療相比，閃光放療可以更好地治愈腫瘤，而減少正常組織的毒性反應。Favaudon 等[2]認為根據先前的體外細胞的研究結果，要想得到閃光放療效應一定是脈沖發放時間為毫秒量級[2，10-11]；并提出研究中觀察到的正常組織和腫瘤組織對于射線敏感性的差異，單純用氧自由基學說來解釋也有一定困難[2]。因為在體內實驗中，閃光放療并未降低對腫瘤組織的殺傷能力，那么氧自由基對組織的損傷能力依舊存在，如果氧自由基的損傷能力依舊存在又怎么能說因為氧氣的消耗導致氧自由基減少呢？如果說在氧合比較差的組織中，通過剝奪氧氣造成乏氧可能會導致氧自由基減少，但在充分氧合的組織內（該研究中的肺組織）也未觀察到閃光放療的抗腫瘤療效減弱，這就說明研究中使用的劑量用來完全消耗肺組織的氧還是太低了，因此單純用氧自由基學說來解釋顯然是不全面且是說不通的[2]。
所以研究認為一個更有可能用來解釋腫瘤細胞和正常組織對于射線的差異性的假說是：在這兩種放射形式下，正常組織和腫瘤組織對靶細胞 DNA 損傷的形式發生了改變；并且認為閃光放療最關鍵的因素是射線脈沖發放的時間[2]。這些閃光放療將來有可能運用到患者身上，在不降低抗腫瘤作用的條件下，減少放射導致的肺纖維化的發生[2]。
2017 年 Montay-Gruel 等[1]進行了閃光放療作用于腦組織的大量研究，發現在常規劑量率 0.1 Gy/s 條件下，給予 10 Gy 照射全腦后，小鼠的空間記憶力明顯受損，但當放射平均劑量率高于 100 Gy/s 后，小鼠的空間記憶力則明顯被保護；甚至是在小鼠接受放療 2 個月之后，小鼠對新物體識別的能力在閃光放療組和空白對照組明顯優于常規劑量率放療組。在這個實驗中，作者在小鼠大腦的矢狀位以及左側和右側安置了劑量吸收元件進行劑量驗證，保證了生物體內劑量的準確性。小鼠海馬區新生神經元的判別實驗表明閃光放療對于神經再生的保護作用依賴于神經干細胞的保護作用[1]。隨后，研究者分別在 2018 年和 2019 年做了進一步的研究，這兩篇新的研究最終都得到一致的結論，即與常規劑量率放療相比，閃光放療對腦組織更加有保護作用[3，12]。
研究者為了對閃光放療的氧消耗學說進行進一步探索，對小鼠進行吸氧前后放療的比較，結果發現，無論是否吸氧，空白對照組小鼠的事物識別能力沒有區別[12]；常規劑量率放療組小鼠吸氧后事物識別能力有上升趨勢，但差異無統計學意義（P>0.05）；閃光放療組小鼠吸氧后新事物識別能力下降且差異有統計學意義（P<0.05）；在吸氧的情況下，采用常規劑量率放療和閃光放療的小鼠對事物識別能力差異無統計學意義（P>0.05），表明吸氧抵消了閃光放療對小鼠腦組織功能的保護[12]。研究者還從氧自由基代謝產物著手，研究常規劑量率放療和閃光放療后，水中活性氧物質次級代謝產物（過氧化氫）的變化，結果表明閃光放療組過氧化氫產生得更少，與常規劑量率放療組相比差異有統計學意義（P<0.05），因此推斷閃光放療組產生的活性氧物質更少[12]。
上述結論在 2019 年 Beyreuther 等[13]的研究中也得到證實。Beyreuther 等[13]發現，在常規劑量率放療組采用阿米福汀拮抗活性氧物質之后斑馬魚發育過程中體長的發育減緩仍大于沒有經過阿米福汀拮抗的閃光放療組，即相比常規劑量率放療，質子閃光放療產生更少的活性氧物質。還有研究者研究了小鼠大腦標本中與大腦的膠質化和認知功能障礙有關的膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）表達的水平 [11]，水平類似，常規劑量率放療組 GFAP 表達較空白組和閃光放療組明顯上升。同樣的結果還在其他文獻中也有報道[14]。不論是體外的集落形成實驗，還是活性氧物質次級產物生成的實驗，以及斑馬魚的胚胎拮抗活性氧物質體內實驗，這 3 個實驗均表明與常規劑量率放療相比閃光放療組的活性氧物質生成減少。這些數據表明閃光放療活性氧物質減少可能是獨立的，也就是說細胞毒性的產生更有可能與射線對細胞的直接損傷相關。射線對細胞的直接和間接作用影響著細胞對射線的敏感性，所以才使得閃光放療對正常組織的保護作用體現出來。
關于質子射線閃光放療的研究相對比較少，已有研究表明，質子放射劑量率從 0.05 到 100 Gy/s，最后到達 1 000 Gy/s，集落形成細胞實驗顯示出在放射劑量率一定的情況下，細胞生存指數與劑量的增加成指數關系；相比通常劑量率的放療，閃光放療能夠減輕正常組織長時間的放射毒性可能是歸因于不同種類或者是不同數量的 DNA 損傷的差異[15]。
至此，關于閃光放療的作用機制仍不清楚，目前的研究方向集中在氧消耗學說、活性氧物質產生對生物組織的損傷學說，還有 DNA 損傷的變化，但沒有一個假說能夠全面地解釋閃光放療中出現的所有現象。
3 大型哺乳動物研究階段到首例人類患者
由于在先前細菌實驗、小鼠實驗中取得一定進步，2016 年開始有研究在貓和豬身上進行閃光放療，驗證了對小動物進行閃光放療的設備可行性以及對動物腫瘤性疾病的治療可行性[16-18]。緊接著 2019 年 Bourhis 等[19]就將閃光放療應用到全世界首例患者身上。這例 75 歲經過多線治療的皮膚淋巴瘤患者最終選取了一個長徑為 3.5 cm 的潰瘍病灶，采用直線加速器給予總劑量 15 Gy 的放療，射線為持續時長為 1 μs 的脈沖共 10 發，治療時長為 90 ms，患者治療劑量率>106 Gy/s；治療結束后 10 d 腫瘤開始退縮，治療后 21 d 采用光學相干斷層掃描技術分別觀察照射部位皮膚和患者其他正常部位皮膚，僅發現照射部位皮膚毛囊減少、上皮層增厚和皮膚皺褶增多；36 d 達到腫瘤完全緩解，5 個月后除照射部分毛發減少之外無其他可見毒性反應[19]。
4 閃光放療機制
通過對前面所有文獻的回顧發現。閃光放療是由超高劑量率放療逐漸演變而來的，但并未強調射線的均一性和單發脈沖波的持續時間，直到 1967 年有學者發現除了需要超高劑量率之外，還需在極短時間內發放脈沖波，并還考慮到波形對平均劑量率的影響會影響實驗結果。因此，國外文獻中的 FLASH 放療的中文應該定義為閃光放療，以便更精準地表達其內涵。
關于閃光放療的生物學機制，早期的研究開始關注到可能和細胞周圍環境中的氧代謝有關，隨后多篇文獻圍繞閃光放療的生物學機制進行了研究[7，20-25]。到目前為止，關于生物學機制的研究主要圍繞在閃光放療之后細胞內所產生的活性氧物質的變化。假設是因為極短時間的放療導致細胞內氧瞬間被耗盡，然后細胞周圍的氧需要通過濃度梯度滲透到細胞內所需要的時間遠遠大于放療的時間，所以，不論是腫瘤細胞還是正常組織都不會進一步產生活性氧物質，因為細胞的損傷減小，出現對射線的抵抗。這一假設可以用來解釋體外的細胞集落形成實驗的“拐點”出現的原因。但這并不能說明在閃光放療的條件下，正常組織對射線的敏感性降低，但同時腫瘤組織對射線的敏感性依然保持（在相同總照射劑量下，常規放療對腫瘤的殺傷力和閃光放療相同）。針對這一現象也有學者通過正常組織細胞內的不穩定鐵含量比腫瘤組織細胞內少，因此活性氧物質芬頓反應更容易被限制，從而減少對細胞的損傷[26]。而腫瘤組織細胞內含有很多不穩定鐵離子，因此更容易發生更多芬頓反應。這就使得在閃光放療情況下，同樣是對射線的敏感性下降，但腫瘤細胞的敏感性下降更少，而正常細胞的敏感性下降更多。正因為腫瘤細胞和正常細胞對閃光放療敏感性下降的程度的不同導致了兩種組織出現不同的變化。但這一假設卻不能用來解釋在相同總照射劑量的情況下，腫瘤細胞在常規照射劑量率和閃光放療條件下有同樣的射線敏感性。
另外，采用質子射線產生閃光放療后并未觀察到閃光效應[15]，究其原因會不會是因為質子是高線性能量傳遞（linear energy transfer，LET）射線，而X 線和光子是低 LET 射線。我們都知道高 LET 射線對細胞的損傷主要是直接作用，而低 LET 射線對活體細胞的損傷主要是間接作用。會不會是因為對細胞損傷的直接作用和間接作用占比的不同導致的差異。目前的文獻還沒有相關機制的研究，這也是將來閃光放療需要進一步研究的原因。
5 閃光放療的未來
從超高劑量率發展到目前的閃光放療經歷了 60 年左右的時間，從細菌到體外細胞，從小鼠到小型動物，最終應用在患者身上，為患者的治療開辟了新的方法。閃光放療在全世界首例患者治療取得成功大大增強了研究者將其應用于臨床患者的信心。
由于閃光放療具有和常規劑量率放療對腫瘤同樣的殺傷力，同時又能夠減輕正常組織受射線照射后的副作用。所以閃光放療極有可能在將來有相當大的臨床應用前景。這一推斷也被研究小鼠全腦放療在閃光放療中腦組織受到保護研究[11]的研究者所認同。關于閃光放療的適形問題，2019 年斯坦福大學、SLAC 國家加速器實驗室和印第安納大學已經合作有了初步解決方案[27]。他們對機器進行改造，提供 16 個固定束線陣列，在無機械龍門旋轉的情況下為高共形放療提供全部非共面（錐形幾何）束；在固定束上掃描電子束產生的快速電子掃描高強度調制光子束目標和準直器陣列，消除機械準直器運動的需要；以及全環診斷質量/速度多探測器 CT 的集成，與非共面處理光束線共用一個等中心。如果這一設備投入臨床將會解決患者治療周期長，政府醫療資源投入大，正常組織損傷大以及腫瘤組織不能夠給予足夠高的治療劑量等問題。因此閃光放療有非常多值得研究的內容和廣闊地應用前景，期待將來我國也能在閃光放療的研究領域作出一定的貢獻。
閃光放療始于超高劑量率放療，在超高劑量率放療發展過程中發現了閃光效應，隨后學者們繼續深入研究，對閃光放療可能的放射生物學機制進行猜想，并設計實驗進行驗證。迄今為止，閃光放療作用于生物體時，通過何種作用機制產生閃光效應尚不明確。目前世界上有幾個國家走在閃光放療研究的前列，隨著研究的進行，將來閃光放療可能從根本上推翻目前的放療理論體系，5R 理論［修復（Repair），再氧化（Reoxygenation），再分布（Redistribution），再增殖（Regeneration），放射敏感性（Radiosensitivity）］可能被重寫。正常組織放療中的耐受劑量可能需要重新測定。我們希望在不久的將來能夠看到閃光放療的進一步研究進展。
在極短時間內給予單次的照射劑量，從而得到一個極高的照射劑量率（通常情況下是在 50 ms 內給予平均劑量率超過 100 Gy/s 的照射），這種極高照射劑量率應用到生物細胞或組織的方法叫做閃光放射治療（放療）。目前已有研究還提出閃光放療必須要在極短的時間發放脈沖射線[1-2]，這是產生閃光效應的必要條件。這一超高劑量率射線對生物細胞的作用自 1959 年起就有被報道，隨后的十幾年間雖然有過短暫的研究熱潮，但最終未能持續。直到本世紀初有學者發現體外研究時，腫瘤組織細胞和正常組織細胞對射線的敏感性都下降，但到體內研究時卻出現了腫瘤組織對射線的敏感性依然存在而正常組織卻對射線出現抵抗，這種現象被定義為“閃光效應”[3]。正常組織的劑量限制性毒性是腫瘤放療發展的主要阻力之一。目前臨床放療技術的發展方向主要集中在改進放療機器的適形能力，最終達到盡可能精準地照射腫瘤組織而避免對正常組織的輻射損傷。但由于人體器官結構的特殊性，放療過程中正常組織必然會接受射線照射，尤其是與腫瘤組織緊鄰的正常組織，所以正常組織的最大耐受劑量限制了腫瘤組織的最高劑量。“閃光放療”的出現有可能既滿足射線對腫瘤組織的殺傷又保護正常組織的功能，從而使得利用射線治愈腫瘤成為一種可能。除此之外，由于“閃光放療”時間極短，還可以大大提高治療效率和避免治療過程中的移動誤差。對于這樣一種極具治療前景的放療方式，國內尚未見相關研究。因此，本文對國外既往 “閃光放療”的文獻進行綜述。
1 體外研究階段
和乏氧細胞相比，富氧細胞對射線更敏感。1959 年 Dewey 等[4]發現，在富氧環境中本來對射線敏感的細菌，當放射劑量率提高以后，其對射線的敏感性下降，提高放射劑量率起到和使組織缺氧類似的放射抵抗作用，但作者未能對這一現象進行進一步的解釋。自此，極高劑量率的科學研究被開啟。
1967 年 Town [5]通過脈沖波的形式得到射線，通過縮短時間提高放射劑量率，其研究結果與 Dewey 等[4]一致，即提高放射劑量率會使細胞的放射敏感性發生變化：在一定劑量率范圍內，隨著放射劑量率的提高，哺乳動物腫瘤細胞的敏感性增加；但隨著劑量率的進一步增加，細胞存活曲線會出現“拐點”，“拐點”之后，隨著劑量率的增加，哺乳動物腫瘤細胞對射線的敏感性反而下降。并且 Town [5]通過實驗方法驗證了氧的缺乏是使細胞生存曲線出現“拐點”的原因。
1969 年，Berry 等[6]采用微秒量級的脈沖射線，同樣采用縮短射線發放時間提高放射劑量率方法，發現不論是哺乳動物正常細胞還是人類腫瘤細胞，其各自的細胞存活曲線隨著放射劑量率的提高都會出現“拐點”。但對于為什么會出現“拐點”，其基于前人對細菌的研究的解釋是：非常短時間高劑量率的射線，會使得細胞內的氧瞬間被消耗掉，但在如此短的時間內，細胞外的氧濃度通過壓力差滲透到細胞內很難；所以細胞內是一個缺氧環境，這就導致了細胞對射線的殺傷不敏感，出現乏氧細胞射線抵抗的相似表現。
Berry 等[6]基于自己完成的體外實驗的研究結果，也認為采用氧消耗學說來解釋閃光放療的機制并不完美，原因是：① 對于哺乳動物細胞來說，實驗中在 5～10 Gy 的放射總劑量時就出現“拐點”，但這一劑量對應的劑量率顯然是不足以消耗盡所有氧氣。② 單看平均劑量率是不合適的，除非要考慮脈沖發放時間對應的劑量。如單發脈沖的劑量率極高，但脈沖之間的間隔時間太長，以秒為單位計算平均劑量率后實際上算出來的平均劑量率是變小了。這也可以用來解釋為什么其實驗中采用 30 ns 和 50 ns 發放的脈沖射線，關于細胞的生存曲線卻得到不一樣的結果。因此，Berry 等[6]提出一個更可能的假設是，在均一性好的極高劑量率照射條件下，局部會產生很多的自由基，由于自由基之間的相互作用，真正游離的自由基減少，從而減弱氧自由基對生物靶點造成損傷導致細胞死亡。如果說在極高劑量率照射的條件下，細胞對射線的敏感性和環境中的氧無關，而是與游離的氧自由基有密切的關系，那么腫瘤乏氧細胞對射線抵抗的問題也許可以從中找到突破口。
在 Berry 等[6]的研究之后，閃光放療的進展非常緩慢，另外在 1972 年、1974 年和 1978 年相繼有學者進行體外細胞暴露在極高劑量率射線的相關研究[7-9]，研究的內容都集中在不同氧濃度條件下，體外細胞暴露在極高劑量率射線照射后出現的細胞生存曲線的差別。研究者們都嘗試用氧消耗學說來解釋提高放射劑量率出現細胞對射線敏感性下降的原因，但最終也未能發現更有突破性意義的結果，未能提出更有實用價值的假說。
2 小型哺乳動物體內研究階段
自 2014 年以來，閃光放療從體外研究階段轉向到小型哺乳動物的體內研究階段。研究者們采用極短時間發放的脈沖射線，平均劑量率在 40 Gy/s 以上。2014 年 Favaudon 等[2]采用脈沖發放時間小于 500 ms、劑量率大于 40 Gy/s 射線分別作用于哺乳動物正常組織和腫瘤組織進行研究。這一研究發現，與常規劑量率放療相比，閃光放療使得正常肺組織免于肺纖維化，在總照射劑量相同的前提下，大大減輕了早期由射線損傷導致的細胞壞死；在抗腫瘤作用相同的前提下，皮膚組織被射線照射后副反應的嚴重程度下降。該研究表明，閃光放療可以使正常組織和腫瘤組織對于射線的作用差異進一步擴大，可以在不損失射線抗腫瘤作用的前提下更大程度地保護正常組織。在組織切片上發現與傳統劑量率放療相比，閃光放療減少了肺部血管和支氣管放療早期的急性細胞凋亡。另外，閃光放療和傳統劑量率放療在控制小鼠異種移植腫瘤生長的能力上沒有差別[2]。
Favaudon 等[2]的研究還建造了小鼠同種移植腫瘤模型，發現與常規劑量率放療相比，閃光放療可以更好地治愈腫瘤，而減少正常組織的毒性反應。Favaudon 等[2]認為根據先前的體外細胞的研究結果，要想得到閃光放療效應一定是脈沖發放時間為毫秒量級[2，10-11]；并提出研究中觀察到的正常組織和腫瘤組織對于射線敏感性的差異，單純用氧自由基學說來解釋也有一定困難[2]。因為在體內實驗中，閃光放療并未降低對腫瘤組織的殺傷能力，那么氧自由基對組織的損傷能力依舊存在，如果氧自由基的損傷能力依舊存在又怎么能說因為氧氣的消耗導致氧自由基減少呢？如果說在氧合比較差的組織中，通過剝奪氧氣造成乏氧可能會導致氧自由基減少，但在充分氧合的組織內（該研究中的肺組織）也未觀察到閃光放療的抗腫瘤療效減弱，這就說明研究中使用的劑量用來完全消耗肺組織的氧還是太低了，因此單純用氧自由基學說來解釋顯然是不全面且是說不通的[2]。
所以研究認為一個更有可能用來解釋腫瘤細胞和正常組織對于射線的差異性的假說是：在這兩種放射形式下，正常組織和腫瘤組織對靶細胞 DNA 損傷的形式發生了改變；并且認為閃光放療最關鍵的因素是射線脈沖發放的時間[2]。這些閃光放療將來有可能運用到患者身上，在不降低抗腫瘤作用的條件下，減少放射導致的肺纖維化的發生[2]。
2017 年 Montay-Gruel 等[1]進行了閃光放療作用于腦組織的大量研究，發現在常規劑量率 0.1 Gy/s 條件下，給予 10 Gy 照射全腦后，小鼠的空間記憶力明顯受損，但當放射平均劑量率高于 100 Gy/s 后，小鼠的空間記憶力則明顯被保護；甚至是在小鼠接受放療 2 個月之后，小鼠對新物體識別的能力在閃光放療組和空白對照組明顯優于常規劑量率放療組。在這個實驗中，作者在小鼠大腦的矢狀位以及左側和右側安置了劑量吸收元件進行劑量驗證，保證了生物體內劑量的準確性。小鼠海馬區新生神經元的判別實驗表明閃光放療對于神經再生的保護作用依賴于神經干細胞的保護作用[1]。隨后，研究者分別在 2018 年和 2019 年做了進一步的研究，這兩篇新的研究最終都得到一致的結論，即與常規劑量率放療相比，閃光放療對腦組織更加有保護作用[3，12]。
研究者為了對閃光放療的氧消耗學說進行進一步探索，對小鼠進行吸氧前后放療的比較，結果發現，無論是否吸氧，空白對照組小鼠的事物識別能力沒有區別[12]；常規劑量率放療組小鼠吸氧后事物識別能力有上升趨勢，但差異無統計學意義（P>0.05）；閃光放療組小鼠吸氧后新事物識別能力下降且差異有統計學意義（P<0.05）；在吸氧的情況下，采用常規劑量率放療和閃光放療的小鼠對事物識別能力差異無統計學意義（P>0.05），表明吸氧抵消了閃光放療對小鼠腦組織功能的保護[12]。研究者還從氧自由基代謝產物著手，研究常規劑量率放療和閃光放療后，水中活性氧物質次級代謝產物（過氧化氫）的變化，結果表明閃光放療組過氧化氫產生得更少，與常規劑量率放療組相比差異有統計學意義（P<0.05），因此推斷閃光放療組產生的活性氧物質更少[12]。
上述結論在 2019 年 Beyreuther 等[13]的研究中也得到證實。Beyreuther 等[13]發現，在常規劑量率放療組采用阿米福汀拮抗活性氧物質之后斑馬魚發育過程中體長的發育減緩仍大于沒有經過阿米福汀拮抗的閃光放療組，即相比常規劑量率放療，質子閃光放療產生更少的活性氧物質。還有研究者研究了小鼠大腦標本中與大腦的膠質化和認知功能障礙有關的膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）表達的水平 [11]，水平類似，常規劑量率放療組 GFAP 表達較空白組和閃光放療組明顯上升。同樣的結果還在其他文獻中也有報道[14]。不論是體外的集落形成實驗，還是活性氧物質次級產物生成的實驗，以及斑馬魚的胚胎拮抗活性氧物質體內實驗，這 3 個實驗均表明與常規劑量率放療相比閃光放療組的活性氧物質生成減少。這些數據表明閃光放療活性氧物質減少可能是獨立的，也就是說細胞毒性的產生更有可能與射線對細胞的直接損傷相關。射線對細胞的直接和間接作用影響著細胞對射線的敏感性，所以才使得閃光放療對正常組織的保護作用體現出來。
關于質子射線閃光放療的研究相對比較少，已有研究表明，質子放射劑量率從 0.05 到 100 Gy/s，最后到達 1 000 Gy/s，集落形成細胞實驗顯示出在放射劑量率一定的情況下，細胞生存指數與劑量的增加成指數關系；相比通常劑量率的放療，閃光放療能夠減輕正常組織長時間的放射毒性可能是歸因于不同種類或者是不同數量的 DNA 損傷的差異[15]。
至此，關于閃光放療的作用機制仍不清楚，目前的研究方向集中在氧消耗學說、活性氧物質產生對生物組織的損傷學說，還有 DNA 損傷的變化，但沒有一個假說能夠全面地解釋閃光放療中出現的所有現象。
3 大型哺乳動物研究階段到首例人類患者
由于在先前細菌實驗、小鼠實驗中取得一定進步，2016 年開始有研究在貓和豬身上進行閃光放療，驗證了對小動物進行閃光放療的設備可行性以及對動物腫瘤性疾病的治療可行性[16-18]。緊接著 2019 年 Bourhis 等[19]就將閃光放療應用到全世界首例患者身上。這例 75 歲經過多線治療的皮膚淋巴瘤患者最終選取了一個長徑為 3.5 cm 的潰瘍病灶，采用直線加速器給予總劑量 15 Gy 的放療，射線為持續時長為 1 μs 的脈沖共 10 發，治療時長為 90 ms，患者治療劑量率>106 Gy/s；治療結束后 10 d 腫瘤開始退縮，治療后 21 d 采用光學相干斷層掃描技術分別觀察照射部位皮膚和患者其他正常部位皮膚，僅發現照射部位皮膚毛囊減少、上皮層增厚和皮膚皺褶增多；36 d 達到腫瘤完全緩解，5 個月后除照射部分毛發減少之外無其他可見毒性反應[19]。
4 閃光放療機制
通過對前面所有文獻的回顧發現。閃光放療是由超高劑量率放療逐漸演變而來的，但并未強調射線的均一性和單發脈沖波的持續時間，直到 1967 年有學者發現除了需要超高劑量率之外，還需在極短時間內發放脈沖波，并還考慮到波形對平均劑量率的影響會影響實驗結果。因此，國外文獻中的 FLASH 放療的中文應該定義為閃光放療，以便更精準地表達其內涵。
關于閃光放療的生物學機制，早期的研究開始關注到可能和細胞周圍環境中的氧代謝有關，隨后多篇文獻圍繞閃光放療的生物學機制進行了研究[7，20-25]。到目前為止，關于生物學機制的研究主要圍繞在閃光放療之后細胞內所產生的活性氧物質的變化。假設是因為極短時間的放療導致細胞內氧瞬間被耗盡，然后細胞周圍的氧需要通過濃度梯度滲透到細胞內所需要的時間遠遠大于放療的時間，所以，不論是腫瘤細胞還是正常組織都不會進一步產生活性氧物質，因為細胞的損傷減小，出現對射線的抵抗。這一假設可以用來解釋體外的細胞集落形成實驗的“拐點”出現的原因。但這并不能說明在閃光放療的條件下，正常組織對射線的敏感性降低，但同時腫瘤組織對射線的敏感性依然保持（在相同總照射劑量下，常規放療對腫瘤的殺傷力和閃光放療相同）。針對這一現象也有學者通過正常組織細胞內的不穩定鐵含量比腫瘤組織細胞內少，因此活性氧物質芬頓反應更容易被限制，從而減少對細胞的損傷[26]。而腫瘤組織細胞內含有很多不穩定鐵離子，因此更容易發生更多芬頓反應。這就使得在閃光放療情況下，同樣是對射線的敏感性下降，但腫瘤細胞的敏感性下降更少，而正常細胞的敏感性下降更多。正因為腫瘤細胞和正常細胞對閃光放療敏感性下降的程度的不同導致了兩種組織出現不同的變化。但這一假設卻不能用來解釋在相同總照射劑量的情況下，腫瘤細胞在常規照射劑量率和閃光放療條件下有同樣的射線敏感性。
另外，采用質子射線產生閃光放療后并未觀察到閃光效應[15]，究其原因會不會是因為質子是高線性能量傳遞（linear energy transfer，LET）射線，而X 線和光子是低 LET 射線。我們都知道高 LET 射線對細胞的損傷主要是直接作用，而低 LET 射線對活體細胞的損傷主要是間接作用。會不會是因為對細胞損傷的直接作用和間接作用占比的不同導致的差異。目前的文獻還沒有相關機制的研究，這也是將來閃光放療需要進一步研究的原因。
5 閃光放療的未來
從超高劑量率發展到目前的閃光放療經歷了 60 年左右的時間，從細菌到體外細胞，從小鼠到小型動物，最終應用在患者身上，為患者的治療開辟了新的方法。閃光放療在全世界首例患者治療取得成功大大增強了研究者將其應用于臨床患者的信心。
由于閃光放療具有和常規劑量率放療對腫瘤同樣的殺傷力，同時又能夠減輕正常組織受射線照射后的副作用。所以閃光放療極有可能在將來有相當大的臨床應用前景。這一推斷也被研究小鼠全腦放療在閃光放療中腦組織受到保護研究[11]的研究者所認同。關于閃光放療的適形問題，2019 年斯坦福大學、SLAC 國家加速器實驗室和印第安納大學已經合作有了初步解決方案[27]。他們對機器進行改造，提供 16 個固定束線陣列，在無機械龍門旋轉的情況下為高共形放療提供全部非共面（錐形幾何）束；在固定束上掃描電子束產生的快速電子掃描高強度調制光子束目標和準直器陣列，消除機械準直器運動的需要；以及全環診斷質量/速度多探測器 CT 的集成，與非共面處理光束線共用一個等中心。如果這一設備投入臨床將會解決患者治療周期長，政府醫療資源投入大，正常組織損傷大以及腫瘤組織不能夠給予足夠高的治療劑量等問題。因此閃光放療有非常多值得研究的內容和廣闊地應用前景，期待將來我國也能在閃光放療的研究領域作出一定的貢獻。
閃光放療始于超高劑量率放療，在超高劑量率放療發展過程中發現了閃光效應，隨后學者們繼續深入研究，對閃光放療可能的放射生物學機制進行猜想，并設計實驗進行驗證。迄今為止，閃光放療作用于生物體時，通過何種作用機制產生閃光效應尚不明確。目前世界上有幾個國家走在閃光放療研究的前列，隨著研究的進行，將來閃光放療可能從根本上推翻目前的放療理論體系，5R 理論［修復（Repair），再氧化（Reoxygenation），再分布（Redistribution），再增殖（Regeneration），放射敏感性（Radiosensitivity）］可能被重寫。正常組織放療中的耐受劑量可能需要重新測定。我們希望在不久的將來能夠看到閃光放療的進一步研究進展。