Modelling oxygen effects on the in- and out-of-field radiosensitivity of cells exposed to intensity-modulated radiation fields

強度変調放射線場における照射野内外の放射線感受性に関する酸素効果のモデリング

松谷 悠佑  ; McMahon, S. J.*; Butterworth, K. T.*; 谷内 淑恵*; 嵯峨 涼*; 佐藤 達彦   ; Prise, K. M.*

Matsuya, Yusuke; McMahon, S. J.*; Butterworth, K. T.*; Yachi, Yoshie*; Saga, Ryo*; Sato, Tatsuhiko; Prise, K. M.*

低酸素症は腫瘍の放射線抵抗性を誘導し、強度変調放射線治療後に悪性進行を招く可能性がある。また、照射野内外に位置する細胞間のシグナル効果が、低酸素下の放射線感受性に影響を与えることも近年わかってきた。しかし、低酸素下において誘導される細胞間シグナリングとその細胞応答メカニズムは完全には解明されていない。そこで本研究では、低酸素症下における細胞間シグナリングと細胞殺傷効果をモデリングし、不均一な放射線治療後の放射線感受性メカニズムの解明を行った。DNA損傷数から与えられた酸素増感効果比(OER)を使用し、照射野内外の細胞の放射線感受性を推定できる統合的な細胞応答モデル(IMKモデル)を開発した。その結果、細胞間シグナルを放出する細胞内ターゲットへのヒット確率は酸素濃度に依存する一方、放射線照射場の不均一性に依存しない共通のOERの使用により照射野内外の両方の放射線感受性を再現できることがわかった。これらの成果は、強度変調放射線治療による不均一被ばく下で発生する細胞間シグナリングのより正確な理解に貢献するものである。

Hypoxia induces radioresistance in tumors, leading to malignant progression in intensity-modulated radiation therapy. To date, it has been shown that intercellular signalling between cells positioned inside and outside radiation field impacts on cellular radiosensitivity under hypoxia and normoxia. However, the mechanistic role of intercellular communication in hypoxia remains to be fully understood. In this study, we modelled the cell-killing effects of intercellular signalling in hypoxia to better understand the underlying mechanisms of response. We used the oxygen enhancement ratio (OER) given from early DSB yields and modelled the in- and out-of-field radiosensitivity. As a result, the model analysis provides an mechanistical interpretation that the probability of hits for releasing cell-killing signals is dependent on oxygen. Our data also suggested that the field-type independent OER value, which can be given by uniform-field exposure, can be applied when predicting both in- and out-of-field radiosensitivity. These results would contribute to more precise understanding of intercellular signalling under heterogeneous exposure to intensity-modulated radiation fields.