基于临床直线加速器超高剂量率辐照平台的果蝇Flash效应研究及表征

　　本研究针对Flash效应机制解析中动物模型伦理限制与实验通量不足的问题，开发了适用于黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的超高剂量率（UHDR）辐照平台。通过改造临床直线加速器，实现了电子束（16 MeV）UHDR模式（200-7500 Gy/s）与常规（CONV）模式的精确辐照，并首次在临床加速器上实现兆伏级光子UHDR辐照（>40 Gy/s）。该平台支持每周500个样本的高通量实验，为Flash效应的机制研究提供了新型生物模型与关键技术支撑。

　　

在放射治疗领域，超高剂量率（Ultra-High Dose Rate, UHDR）放疗技术因其可能引发的"Flash效应"而备受关注——这种效应能在保持肿瘤杀伤效果的同时显著保护正常组织，从而拓宽放疗的治疗窗口。然而，这一现象的机制尚未明确，且现有研究多依赖哺乳动物模型，面临伦理限制和实验通量低的瓶颈。更棘手的是，常规临床直线加速器在UHDR模式下无法提供足够高的单次剂量（需超过1000 Gy）来满足某些高抗性生物模型的需求。为此，研究者将目光转向了黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），这种模式生物具有生命周期短、伦理要求宽松、易进行遗传操作等优势，是研究UHDR放射生物学的理想模型。

为了系统研究Flash效应，瑞士苏黎世大学医院放射肿瘤科的Riccardo Dal Bello等研究人员开展了一项研究，开发并表征了专用于黑腹果蝇的UHDR辐照平台。该平台基于改装后的临床直线加速器（TrueBeam SN 1001），不仅能提供电子束UHDR辐照，还首次实现了兆伏级光子UHDR辐照。研究成果发表在《Physics and Imaging in Radiation Oncology》上，为高通量UHDR放射生物学实验提供了技术基础。

研究采用多学科交叉方法，主要关键技术包括：1）直线加速器改装与束流调控：将临床直线加速器转换为可输出16 MeV电子束的UHDR（平均剂量率最高达7500 Gy/s）和常规（CONV）模式，并通过调整源皮距（SSD）至20-100 cm范围来提升单脉冲剂量（Dose Per Pulse, DPP）；2）仿体设计与制备：利用3D打印技术（材料为ecoPLA和Ecoflex GEL）制作两种专用仿体（Phantom1和Phantom2），可同时辐照最多10个样本瓶，并确保剂量均匀性（偏差<±5%）；3）多模态剂量监测系统：结合超薄平行板电离室（UTIC）、闪烁体探测器（PRB-41）、光激发光探测器（OSLD）和放射铬薄膜（EBT3、HD-V2）进行绝对剂量校准与验证，精度达±5%；4）生物样本准备：使用标准聚苯乙烯样本瓶装载果蝇，通过泡沫塞限定辐照区域，模拟大气氧环境。

研究结果通过系统性表征验证了平台的可靠性与适用性：

3.1. 束流特性

在SSD=20 cm时获得最高单脉冲剂量36.9 Gy，瞬时剂量率8.2×10⁶ Gy/s，平均剂量率达7370 Gy/s。束流均匀性分析显示，在SSD≥40 cm时，果蝇辐照区域的剂量偏差控制在±5%以内，满足生物学实验要求。

3.2. 剂量校准

UTIC的校准因子N介于4.7–12.8 Gy/nC之间，与被动探测器（HD-V2、OSLD）的一致性在±3%以内。多样本瓶同时辐照时，中心区域的剂量差异小于±2.5%，但离轴距离较远的样本瓶在UHDR模式下会出现剂量下降（最高-25%），提示需优化样本布局。

3.3. 探索性终点：兆伏级光子UHDR辐照

通过专用仿体（Phantom3）在SSD=15 cm条件下实现兆伏级光子UHDR辐照，平均剂量率超过40 Gy/s，单脉冲剂量达0.35 Gy，为后续光子UHDR实验提供了可行性验证。

研究的讨论部分强调，该平台成功解决了以往UHDR研究中无法实现千戈瑞级高剂量辐照的难题，并通过采用黑腹果蝇模型大幅提升了实验通量（每周500个样本）。SSD=40 cm的电子束 setup C被推荐为最优配置，因其在剂量输出（16.4 Gy/pulse）、均匀性和安全性间取得了最佳平衡。此外，研究首次在临床直线加速器上实现兆伏级光子UHDR，扩展了UHDR技术的应用范围。

然而，研究也存在一定局限性：剂量报告的 uncertainty 主要来自放射铬薄膜在超高剂量下的标定误差（约5%）；最高DPP（36.9 Gy/pulse）下的束流均匀性仍需优化；光子UHDR目前仅适用于低剂量需求场景（如果蝇幼虫）。未来工作可聚焦于提升监测系统的线性响应、降低激活效应，并开展基于果蝇的UHDR-CONV对比生物学实验。

总之，这项研究不仅为Flash效应的机制解析提供了高通量、高精度的实验平台，也为临床转化中的UHDR技术开发奠定了坚实基础。通过创新性地结合加速器物理、剂量学与放射生物学，研究者成功将果蝇模型引入UHDR研究前沿，有望推动放射治疗领域的范式变革。