空間分割放療（SFRT）是一種實(shí)驗(yàn)性治療方式，不同于常規(guī)放療的均勻劑量，它刻意采用不均勻劑量分布，在同一射野內(nèi)形成高劑量“峰”與低劑量“谷”交替的劑量布局。這種異質(zhì)劑量模式可在保持腫瘤控制的同時(shí)，顯著減少放療后的不良反應(yīng)，有望提升整體治療效果。SFRT根據(jù)束徑和劑量分布特點(diǎn)又進(jìn)一步細(xì)分，包括厘米級(jí)的GRID和格柵放療（LRT）、毫米級(jí)的迷你束（又稱小束，MBRT），以及小于100 um的微束Microbeam放療（MRT）。

質(zhì)子迷你束放射治療（proton minibeam radiotherapy, pMBRT）是將“質(zhì)子布拉格峰”與“空間分割迷你束”兩大概念疊合的前沿放療技術(shù)。盡管pMBRT在多種動(dòng)物模型中顯示出顯著的正常組織減毒效果，但現(xiàn)有研究均采用非均一腫瘤劑量，部分腫瘤照射具有雙重挑戰(zhàn)，需要同時(shí)證明“腫瘤控制”與“正常組織保護(hù)”兩種治療獲益；同時(shí)，正常組織“平均劑量”作為等效基準(zhǔn)在傳統(tǒng)放射治療（CONVRT）和MBRT無法保證等效的腫瘤控制，無法使用“平均劑量”作為直接比較。因此，亟需建立一種在腫瘤劑量完全相同前提下、以經(jīng)典皮膚急性毒性為終點(diǎn)、可給出單參數(shù)“柵格因子（GF）”的比較框架，以量化pMBRT相對于常規(guī)質(zhì)子治療的治療窗口。丹麥Aarhus大學(xué)等聯(lián)合完成了一項(xiàng)相關(guān)研究，并發(fā)表在近期的Radiotherapy and Oncology雜志。

研究方法

為評(píng)估pMBRT相對于傳統(tǒng)質(zhì)子放療（CONVPT）的治療效益，研究采用小鼠后肢急性皮膚毒性模型進(jìn)行正常組織并發(fā)癥概率（NTCP）測定，并在“等效腫瘤反應(yīng)”前提下進(jìn)行比較。該模型依托已建立的實(shí)驗(yàn)裝置，可精確評(píng)估輻射后的組織反應(yīng)。此外，設(shè)計(jì)TCD50實(shí)驗(yàn)對比較框架的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

動(dòng)物模型

研究采用水平束照射方式，靶區(qū)為小鼠右后肢。NTCP試驗(yàn)中靶區(qū)整體浸沒于水模體中完成束流規(guī)劃，但實(shí)際照射在空氣中進(jìn)行（見圖1上圖）。TCD50實(shí)驗(yàn)則采用標(biāo)準(zhǔn)水模設(shè)置，將小鼠腿部置于水中完成照射。

圖1. 上圖：小鼠腿部空氣照射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。下圖：小鼠腿部相對于空間分段照射場的定位示意圖，清晰呈現(xiàn)靶區(qū)劑量分布差異。

研究所用的多縫準(zhǔn)直器（MSC）出口至小鼠腿部的空氣間隙為26 mm。采用厚度50 mm的黃銅平行縫準(zhǔn)直器，縫寬1 mm，中心間距2.25 mm，縫間隔片厚度1.25 mm ± 10%。準(zhǔn)直器整體射野為20 cm × 10 cm，始終大于計(jì)劃射野。照射野限制為一次只覆蓋單只小鼠腿部，pMBRT在PTV內(nèi)可達(dá)到的最大劑量被限制在約90 Gy。

治療計(jì)劃

常規(guī)照射組在PTV（代表假想的腫瘤靶區(qū)）內(nèi)給予均勻劑量。在pMBRT組中，目標(biāo)是在束流中插入多縫準(zhǔn)直器的同時(shí)，仍向PTV輸送與常規(guī)組完全相同的劑量分布與靶區(qū)覆蓋。

劑量

深度-劑量曲線及PTV劑量均在活體等效參考水模體中使用5 mm靈敏度的離子室完成測量，并使用微鉆石探測器測量入口及SOBP中心處（約70 mm）的橫向劑量分布。對于1 Gy的PTV劑量計(jì)劃（物理劑量），測得峰區(qū)劑量為1.39 Gy，谷區(qū)劑量為0.18 Gy，入口平均劑量為0.68 Gy，峰谷劑量比（PVDR）約為7.6。

小鼠照射

NTC實(shí)驗(yàn)選用10–12周齡雌性C3H/HeNRj小鼠，周齡在各組間均衡分布。CONVPT設(shè)7個(gè)劑量組（38.2–76.4 Gy），pMBRT設(shè)5個(gè)劑量組（52.1–88.5 Gy），每組6只。小鼠無需麻醉，并置于3D打印夾具中，僅右后肢外露。小腿與足背各滴一滴組織丙烯酸膠固定，先用膠帶加壓5 min，再放松膠帶至少10 min，確保照射時(shí)足部血流暢通。

TCD50實(shí)驗(yàn)使用17周齡CDF1雌性小鼠，右后肢足背皮下接種C3H小鼠乳癌碎塊5–10 μl（接種成功率100%）。當(dāng)腫瘤達(dá)到約200 mm3（接種后13–22天）時(shí)開始治療。CONVPT與pMBRT各設(shè)6個(gè)劑量組（40–60 Gy），每組5–7只。照射時(shí)小鼠被固定在夾具中并置于PMMA板上，靶區(qū)腿通過圓孔浸入25 ± 1 °C水浴，僅用膠帶固定。

NTCP實(shí)驗(yàn)的小鼠在治療后的第8天和第25天之間每天評(píng)估皮膚毒性，毒性從輕微（0.5）到嚴(yán)重（3.5）分為7級(jí)。TCD50實(shí)驗(yàn)中，按V=Π/6*L1*L2*L3計(jì)算腫瘤體積。腫瘤反應(yīng)最長監(jiān)測到治療后的80天。腫瘤反應(yīng)定義為80天內(nèi)各組沒有發(fā)生腫瘤復(fù)發(fā)的小鼠的比例。

柵格因子

柵格因子（grid factor，GF）的定義是，在達(dá)到沿束流某一指定位置相同生物學(xué)效應(yīng)時(shí)，不加準(zhǔn)直器的均勻PTV劑量與加準(zhǔn)直器后的均勻PTV劑量之比。

研究結(jié)果

如圖2所示，pMBRT的深度-劑量曲線與CONVPT幾乎重合，均能在PTV內(nèi)縱向輸出均勻劑量。圖3（左圖）給出了入口處的橫向劑量分布，為小鼠腿部NTCP實(shí)驗(yàn)的照射平面。NTCP與TCD50兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所用多縫準(zhǔn)直器（MSC）有不同設(shè)計(jì)。NTCP使用的MSC集成了黃銅屏蔽，防止射野邊緣質(zhì)子束照射小鼠。TCD50實(shí)驗(yàn)中小鼠離準(zhǔn)直器較遠(yuǎn)，則改用獨(dú)立黃銅屏蔽置于鼠體附近，同樣實(shí)現(xiàn)非靶區(qū)保護(hù)。該設(shè)置已在多項(xiàng)其他試驗(yàn)中證實(shí)不影響PTV劑量分布在70 mm深度（圖3右圖，即腫瘤位置），橫向劑量已趨于均勻。對于CONVPT，參照同一小鼠模型既往NTCP實(shí)驗(yàn)設(shè)定腿部表面劑量；并通過有/無MSC時(shí)的表面與PTV劑量參考測量，換算出每組表面劑量對應(yīng)的PTV劑量，據(jù)此調(diào)整治療計(jì)劃以準(zhǔn)確遞送預(yù)設(shè)PTV劑量。

圖2. 深度劑量分布曲線對比（以100% PTV劑量為基準(zhǔn)歸一化）。

圖3. 微鉆石探測器測得的pMBRT橫向劑量分布曲線，展示了不同深度的空間劑量變化。表面（左圖）劑量分布曲線呈現(xiàn)峰谷分明的特征，而SOBP中心區(qū)域（右圖）則在治療劑量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均勻劑量分布。

在NTCP研究中，75只小鼠中有3只因束流輸送中斷而被排除。圖4顯示了不同PTV劑量下pMBRT與CONVPT照射后出現(xiàn)皮膚毒性的小鼠百分比。劑量-反應(yīng)曲線清晰表明，CONVPT組PTV劑量與1.5、2、2.5及3級(jí)皮膚毒性呈典型劑量依賴關(guān)系；而pMBRT組因更低的毒性發(fā)生率，沒有出現(xiàn)預(yù)期的相似曲線。CONVPT組1.5級(jí)和2級(jí)毒性的發(fā)生率隨劑量升高而增加，NTCP₅₀最終達(dá)到45 Gy和52 Gy時(shí)進(jìn)入平臺(tái)狀態(tài)；pMBRT組則始終維持低水平。2.5級(jí)和3級(jí)毒性在CONVPT組急劇上升，NTCP₅₀分別約62 Gy和68 Gy，但pMBRT組在整個(gè)劑量范圍內(nèi)未出現(xiàn)≥2.5級(jí)毒性。圖5進(jìn)一步顯示，pMBRT在各劑量點(diǎn)的毒性均顯著低于CONVPT；CONVPT中位毒性最高達(dá)3級(jí)（第14天達(dá)峰值），而pMBRT最高僅1.25級(jí)，且峰值延遲至第20天，提示急性皮膚反應(yīng)明顯減輕。

圖4. CONVPT與pMBRT治療小鼠皮膚毒性水平對比分析。

圖5. CONVPT (a)和pMBRT(b)照射后中位急性皮膚毒性隨時(shí)間變化的情況，每劑量組6只小鼠。

TCD50實(shí)驗(yàn)顯示兩種照射方式的腫瘤反應(yīng)幾乎一致，如圖6所示，CONVPT的TCD50為46.9 Gy（95% CI：38.5–57.3 Gy），pMBRT為45.0 Gy（95% CI：31.0–65.3 Gy）。盡管置信區(qū)間較寬，但兩者TCD50值非常接近且重疊，表明pMBRT與常規(guī)質(zhì)子的腫瘤控制效果相當(dāng)。

圖6. CONVPT 和pMBRT兩種放射治療方案對腫瘤的療效對比。

討論

本研究通過評(píng)估急性皮膚反應(yīng)作為正常組織毒性的指標(biāo)，同時(shí)比較兩種照射方式的腫瘤控制能力，展示了pMBRT相較于常規(guī)質(zhì)子治療的治療潛力。在腫瘤劑量均勻且相等的條件下，pMBRT實(shí)現(xiàn)了與CONVPT相似的腫瘤控制效果，同時(shí)顯著降低了皮膚毒性。這種毒性的減少為在腫瘤內(nèi)進(jìn)行劑量遞增以提高控制率提供了可能，而無需增加正常組織的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。

要使pMBRT成為常規(guī)臨床手段，其相對于傳統(tǒng)方法的療效必須被量化。多項(xiàng)研究已在均勻或非均勻腫瘤劑量條件下觀察到pMBRT和質(zhì)子微通道放療（proton microchannel radiotherapy）均能降低正常組織毒性并保持腫瘤控制。在多種小鼠和大鼠品系以及人皮膚和表皮組織模型中，均報(bào)告了皮膚毒性的減低。

已有研究以平均劑量為基準(zhǔn)比較常規(guī)放療與MBRT，同時(shí)記錄其他空間分割相關(guān)參數(shù)。例如，使用20 MeV質(zhì)子束、0.18×0.18 mm2狹縫、1.8 mm間距，在平均劑量60 Gy時(shí)未見任何皮膚反應(yīng)（腫脹、增厚、紅斑、脫皮或脫毛）；本研究采用更大狹縫寬度，同樣僅觀察到輕微毒性。另有研究以100 MeV pMBRT束流、平均劑量30 Gy 照射，也未出現(xiàn)明顯皮膚損傷。盡管束徑不同，我們在相似平均劑量下亦僅見個(gè)別小鼠出現(xiàn)低水平毒性。對于非均勻劑量，較小束徑（0.1 mm）可提供更好的皮膚保護(hù)，因此被推薦為最優(yōu)選擇。此外，小動(dòng)物腦部照射研究顯示，pMBRT還能減少短期和長期的生理及心理影響。

已有研究通過Kaplan-Meier生存曲線充分證實(shí)，pMBRT在腫瘤控制方面與傳統(tǒng)方法相比至少等效，甚至更為優(yōu)越。其他實(shí)驗(yàn)亦表明，pMBRT能夠降低NTCP。本研究以皮膚毒性為核心終點(diǎn)——該終點(diǎn)在放射生物學(xué)中定義明確、被廣泛用于不同治療模式的比較，并建立了一套基于PTV劑量（而非平均劑量）的正式量化框架。在SFRT中，其異質(zhì)劑量分布會(huì)帶來截然不同的生物效應(yīng)，射野內(nèi)的平均劑量并不能等同于常規(guī)放療的平均劑量。因此，用平均劑量橫向比較兩種模態(tài)只能得出粗略結(jié)論。相反，均一PTV劑量為SFRT與常規(guī)放療提供了生物學(xué)上等效的衡量基準(zhǔn)，我們的TCD50結(jié)果亦驗(yàn)證了這一點(diǎn)。這一框架能夠精確測定CONVPT與pMBRT之間的療效差異，同時(shí)涵蓋NTCP和TCD50兩大終點(diǎn)。

SFRT 面臨的一大挑戰(zhàn)，是尚未找到最能代表生物學(xué)效應(yīng)的量化參數(shù)。谷區(qū)劑量、平均劑量、等效均一劑量（EUD）以及峰谷劑量比（PVDR）均與生物效應(yīng)相關(guān)，但它們與治療反應(yīng)的關(guān)系權(quán)重并不一致，優(yōu)先采用哪一項(xiàng)仍存在爭議。目前尚無單一參數(shù)能夠同時(shí)涵蓋 SFRT 的腫瘤控制和組織保護(hù)效能，尤其在臨床需要開具“腫瘤劑量處方”的場景下更為突出。因此，將上述多參數(shù)整合為一個(gè)小而具有代表性的集合、乃至一個(gè)單一指標(biāo)，是領(lǐng)域內(nèi)的迫切需求。

我們提出的一種補(bǔ)充策略即在均一PTV劑量前提下量化pMBRT療效，從而避開異質(zhì)小野的復(fù)雜的劑量學(xué)特性。已有研究指出，平均劑量與生物學(xué)反應(yīng)之間相關(guān)性較弱，說明在空間分割劑量分布中，平均劑量并非可靠的腫瘤反應(yīng)預(yù)測因子。不同SFRT技術(shù)之間的平均劑量也并不總是可比——例如，RG2膠質(zhì)瘤與9L膠質(zhì)肉瘤大鼠模型在獲得相似長期生存時(shí)，MBRT僅需約30 Gy平均劑量，而MRT卻需高達(dá)120 Gy，二者相差四倍。因此，現(xiàn)有SFRT參數(shù)均無法單獨(dú)作為療效衡量的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

本研究的主要局限在于NTCP與TCD50實(shí)驗(yàn)的樣本量較小。此外，pMBRT的療效受束流排列、靶區(qū)深度及其他參數(shù)影響，因此柵格因子（GF）會(huì)隨配置不同而變化。未來工作應(yīng)系統(tǒng)繪制不同生物學(xué)終點(diǎn)在各參數(shù)空間下的“地圖”。盡管如此，我們的結(jié)果明確顯示，pMBRT在保持同等腫瘤控制的同時(shí)顯著降低了皮膚毒性。對于1.5級(jí)毒性，我們估算GF < 0.65（2級(jí)毒性GF ≈ 0.7），對應(yīng)的劑量修飾因子（DMF）至少為1.54，與FLASH放療在類似生物學(xué)終點(diǎn)下觀察到的DMF相似。盡管技術(shù)限制導(dǎo)致完整劑量-反應(yīng)曲線未能完成，但高級(jí)別毒性的缺失提示更大的DMF有望實(shí)現(xiàn)。

由于小鼠在空氣中受照，有人可能質(zhì)疑次級(jí)電子形成。然而，次級(jí)電子在組織中的射程僅亞毫米，且質(zhì)子束需穿過2 mm PMMA導(dǎo)板及一層膠帶后才到達(dá)小鼠腿部，因此該效應(yīng)可忽略不計(jì)。

GF隨深度而變化，因?yàn)閯┝繉Ρ榷葧?huì)沿束流路徑影響生物效應(yīng)。在pMBRT進(jìn)入臨床之前，必須先證明其安全性，確保即使在劑量對比度降低的情況下，GF仍低于1；若GF>1，則意味著毒性高于CONVPT。下一步應(yīng)建立GF在臨床場景配置下隨深度變化的函數(shù)。C3H/HeNRj小鼠因其輻射反應(yīng)穩(wěn)定且特征明確，被廣泛用于以急性放射性皮膚毒性評(píng)估NTCP。盡管原則上NTCP與TCP實(shí)驗(yàn)使用同一品種一致性更好，但本研究的TCP部分是原實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的擴(kuò)展，所采用的腫瘤模型僅能在CDF1小鼠上建立。在pMBRT框架內(nèi)評(píng)估時(shí)間分次效應(yīng)同樣關(guān)鍵——有研究指出，各分次間保持峰谷對齊可能有益，但并非必需。對我們的終點(diǎn)而言，這一方面也仍需進(jìn)一步研究。此外，還必須評(píng)估晚期毒性，因其可能像FLASH放療那樣縮小治療窗口。不過，已有研究表明pMBRT不僅能緩解急性神經(jīng)毒性，還可顯著減少長期功能障礙的發(fā)生。

研究結(jié)論

本研究為臨床前研究中比較治療窗口提供了可控路徑，其在臨床場景中的適用性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。通過優(yōu)先保證PTV內(nèi)劑量均一，我們實(shí)現(xiàn)了pMBRT與CONVPT組織保護(hù)效應(yīng)的直接對比。將柵格因子（GF）或劑量修飾因子（DMF）納入核心指標(biāo)，可更簡潔地量化pMBRT在均一靶區(qū)劑量下的療效。本研究觀察到，對于中度毒性，pMBRT的DMF至少達(dá)到1.5，進(jìn)一步證實(shí)了其在維持腫瘤控制的同時(shí)，降低正常組織毒性的潛力。（質(zhì)子中國 編譯報(bào)道）

校審專家：上海泰和誠腫瘤醫(yī)院/上海美中嘉和腫瘤門診部 余湛博士

參考文獻(xiàn)：

1. Reaz, Fardous, et al. "Probing the therapeutic window of proton minibeam radiotherapy using dose-response curves in a mouse model." Radiotherapy and Oncology (2025): 111050.

2. Reaz, Fardous, et al. "Parameters for proton minibeam radiotherapy using a clinical scanning beam system." Acta Oncologica 62.11 (2023): 1561-1565.