氦离子放射治疗在20世纪50年代开始研究，1975年在劳伦斯伯克利国家实验室开始临床试验。相对于质子和重离子（如碳离子），氦离子在粒子特性上具有独特优势，包括相对于质子具有更低的横向散射、更窄的布拉格峰、更高的线性能量传递（LET），相对碳离子则具有更少的碎片尾。德国海德堡离子束治疗中心（HIT）重新启动了氦离子治疗的临床应用，并于2021年7月成功完成了首例患者的氦离子治疗。HIT也是目前唯一开展氦离子临床治疗的机构。
超高剂量率放射治疗（FLASH RT）在电子和质子治疗中已被证明能够通过FLASH效应有效保护健康组织，同时保持对肿瘤的控制能力。HIT的研究团队近期在Molecular Cancer Therapeutics杂志首次报告了栅格扫描氦离子放疗的FLASH效应的体内研究，重点关注其对急性脑损伤和皮下肿瘤反应的影响。
放疗计划
研究使用了二维射程调节器（2DRM）用于创建用于脑照射的2 cm扩展布拉格峰和用于肿瘤照射的1 cm扩展布拉格峰。
脑部照射包括16个束斑，每个束斑在等中心处的间距为4 mm，形成一个12×12 mm²的照射野。标准照射与FLASH的脑部中心剂量均为10 Gy。标准剂量率为0.2 Gy/s（每个脉冲剂量率为2.6 Gy/s，耗时0.38 s，共10个脉冲，总耗时48 s），FLASH剂量率为141 Gy/s（单次，0.07 s）。
肿瘤照射包括25个束斑，每个束斑在等中心处的间距为2 mm，形成一个8×8 mm²的照射野。标准照射与FLASH的肿瘤总剂量均为12.5 Gy。标准剂量率约为0.2 Gy/s（每个脉冲剂量率为0.4 Gy/s，耗时4 s，单能量层分为8个脉冲，总耗时60 s），FLASH剂量率为250 Gy/s（单次，0.05 s）。
动物模型
脑组织损伤模型使用了6周龄的雌性C57BL/6小鼠，使用准直器覆盖每只小鼠的头部，保留右侧大脑半球上方6×6 mm²的区域作为照射野。
皮下肿瘤模型使用了腺癌细胞A549，培养后皮下注射到4至5周龄的雌性NMRI裸鼠的后肢。当肿瘤体积达到80±20 mm³时，将小鼠随机分为不同治疗组。使用8×8 mm²的照射野对皮下肿瘤进行照射，确保完全覆盖肿瘤靶区。
使用γH2AX作为DNA双链断裂的标记。通过CD31评估神经血管和免疫微环境的完整性。同时，还量化分析了诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达。
对于健康脑组织照射，高剂量区域的LET范围为20至40 keV/μm。在肿瘤区域内，LET的范围为14至37 keV/μm。照射方法与剂量和LET变化如图1所示。
FLASH可减少健康脑组织DNA双链断裂
在标准剂量率（SDR）与FLASH氦离子放疗后，使用γH2AX作为DNA双链断裂标志物研究脑组织中的DNA损伤。图像分析显示，FLASH照射后，γH2AX核信号强度显著降低，这一差异在早期（放疗后1小时；P = 0.0083；图2A）和晚期（放疗后7天；P = 0.0001；图2B）时间点均存在。此外，FLASH组中γH2AX阳性细胞核的比例显著低于SDR组（P = 0.0001），提示FLASH与SDR放疗在DSB的形成和/或修复方面可能存在差异（图2）。
图2.在健康C57BL/6小鼠脑切片中，FLASH氦离子放疗技术可显著降低pS139 H2AX焦点（γH2AX）信号强度
FLASH可保护大脑微循环结构
研究进一步检测了CD31阳性（CD31⁺）内皮细胞的结构变化。如图3A所示，对照组中脑微血管内皮的CD31信号明显强于照射组（放疗后7天）。对CD31⁺结构的定量分析显示，放疗后CD31的微血管密度（MVD）显著下降（P = 0.0001，图3B）。然而，辐射诱导的MVD变化与剂量率有关，FLASH组的大脑组织中CD31⁺MVD高于SDR组（P = 0.018，图3B）。
FLASH可减少小胶质细胞和巨噬细胞激活
SDR与FLASH放疗均使呈“分支状（监视状态）”的IBA1⁺小胶质细胞/巨噬细胞数量减少（图4）。放疗后两组均可见更多圆形胞体（图4A），提示细胞转向激活表型。FLASH组的组织切片中虽同时出现分支状与圆形细胞，但该差异未达到统计学显著性。此外，SDR放疗显著提高了CD68⁺的小胶质细胞/巨噬细胞的比例（P = 0.0001）；而FLASH组与对照组的CD68⁺比例相近（图5B）。iNOS表达也是一类激活标志。研究发现SDR放疗后iNOS⁺细胞显著增多（P = 0.0268；图5C）；与对照相比，SDR组CD68⁺iNOS⁺双阳性群体显著增加（P = 0.0002），而FLASH组该群体与对照处于同样低水平（P = 0.0038，图5D）。
图5.FLASH可降低小胶质细胞/巨噬细胞的吞噬活性
FLASH放疗对肿瘤控制同样有效
在肿瘤模型中，SDR与FLASH放疗均在治疗后第14天显著缩小肿瘤体积（P < 0.0001；图6D），两种照射方式也均相对对照组显著延长生存期（对照组14天，图6C）。尽管 FLASH组的存活时间（43天）长于SDR组（24天），但二者差异未达统计学显著性（P = 0.076）。
图6. FLASH能有效抑制肿瘤生长
氦离子放疗相较于传统光子及质子治疗，可在保证靶区覆盖的同时减少对正常组织的损伤。若将氦离子照射与FLASH剂量率相结合，有望为需要高LET且对正常组织保护要求极高的病例提供首选治疗方案。
在本研究中，研究团队使用在体临床前模型评估了氦离子放疗的FLASH效应。通过以10 Gy氦离子分别按超高剂量率或标准剂量率照射健康小鼠大脑皮层，比较两种照射方式对脑毒性的影响，并重点观察DNA双链断裂的形成以及神经血管单元（NVU）的结构完整性——包括微血管内皮和微胶质/巨噬细胞的激活状态。与SDR相比，FLASH放疗显著减少了DSB的累积。FLASH组的γH2AX信号强度及γH2AX阳性细胞核数量均显著低于SDR组，且该差异在放疗后1小时和7天均十分明显。FLASH治疗后DNA损伤减少的结果，与此前质子FLASH体内研究、超低氧条件下超高剂量率氦离子体外实验以及超高剂量率电子线离体实验的结论一致。
辐射诱发性脑损伤被认为源于微血管内皮受损、胶质细胞破坏及炎症反应，最终导致神经血管单元（NVU）解体。此前已有研究报道氦离子照射对脑组织产生类似不良影响。本实验发现，SDR治疗后CD68⁺小胶质细胞增多、iNOS表达上调，与文献所述“辐射诱导小胶质细胞激活”一致。CD68⁺与iNOS的共表达通常提示细胞处于促炎、吞噬表型。本研究首次证实，当氦离子以FLASH剂量率照射时，上述部分副作用可被显著减轻，这与既往电子FLASH的结果相似。本研究中，SDR组激活态小胶质/巨噬细胞（CD68⁺）显著升高，且CD31⁺内皮结构明显减少；而FLASH组CD68⁺群体几乎未受影响，CD31⁺结构仅较对照轻度下降。该结果与质子FLASH的神经保护研究以及电子FLASH保留中枢神经系统血管和神经认知功能的报道相互印证。
值得注意的是，SDR与FLASH均使IBA1⁺分支状（监视态）小胶质细胞减少，而该形态通常代表其生理状态。尽管多项研究报道放疗后IBA1表达下降，辐射损伤后小胶质细胞激活的复杂作用仍远未阐明。然而，一旦小胶质细胞转为促炎表型，即可导致神经与内皮组织损伤。小胶质细胞与血管内皮相互协作，维持脑内环境稳定并调节血脑屏障完整性；其相互作用失调可诱发神经系统疾病，凸显“小胶质–内皮”连接对脑健康的重要性。FLASH氦离子照射后，小胶质细胞向促炎表型转换减少，且CD31⁺微血管内皮得以保留，共同提示FLASH技术在保护脑微环境中的显著优势。
除了对正常组织的保护作用外，氦离子FLASH放疗在肿瘤控制方面亦与SDR治疗等效，进一步印证了FLASH氦离子作为极具前景的治疗模式的潜力。本研究首次在动物组织中证实氦离子存在FLASH效应，并且相对于SDR而言亦实现了有效的肿瘤控制。尽管FLASH组小鼠生存期的延长尚未达到统计学显著性，其数据仍提示FLASH放疗在肿瘤治疗中的潜在优势，与既往质子FLASH研究结果一致。
本研究为深入探讨FLASH放疗后“脑内皮—小胶质”动态相互作用奠定了基础，该相互作用对放疗后的神经保护与功能恢复至关重要。未来工作需在更大样本量、更长时间点上进一步评估神经认知功能、血脑屏障通透性、肿瘤远期反应等的结果和差异，以全面揭示FLASH放疗的长期获益。
本研究在临床前在体模型中证实，与标准剂量率相比，采用栅扫描技术的氦离子FLASH治疗能够在脑组织诱发FLASH保护效应，同时维持对肿瘤的控制。此外，这项工作为粒子治疗中超高剂量率效应的深入探究铺平了道路，对推进肿瘤放射治疗策略具有重要意义。（质子中国 编辑报道）
校审专家：苏州大学质子重离子医学研究中心/上海泰和诚肿瘤医院 余奇博士
参考文献: Dokic I, Moustafa M, Tessonnier T et al. Ultrahigh Dose Rate Helium Ion Beams: Minimizing Brain Tissue Damage while Preserving Tumor Control. Mol Cancer Ther. 2025 May 2;24(5):763-771.
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