Modeling for predicting survival fraction of cells after ultra-high dose rate irradiation

超高線量率照射後における細胞生存率予測モデルの開発

白石 裕太*; 松谷 悠佑  ; 楠本 多聞*; 福永 久典*

Shiraishi, Yuta*; Matsuya, Yusuke; Kusumoto, Tamon*; Fukunaga, Hisanori*

超高線量率照射( 40Gy/sec)を使用するFLASH放射線療法(FLASH-RT)は、従来の高線量率( 6Gy/min)を用いた治療(CONV-RT)と比較し、正常組織の機能を温存することが期待できる新たな治療法として知られる。FLASH-RTによる照射中では、放射線飛跡間の相互作用により生じる化学過程の変調が正常組織の機能保存の主要因であることが提案されているが、化学過程の変化と細胞応答の関係性は未だ解明されていない。そこで本研究では、超高線量率照射下における化学過程と初期応答であるDNA損傷発生数の関係を考慮した予測モデル(integrated microdosimetric-kinetic (IMK) model for FLASH-RT)を開発し、細胞応答メカニズムの研究を行った。その結果、化学過程依存的に変化するDNA損傷収率を考慮した本モデルにより、さまざまな細胞株タイプに対するCONV-RTとFLASH-RTの細胞殺傷効果の実測値の再現に成功した。本成果は、FLASH-RT照射後の細胞応答メカニズムの理解と治療効果の高精度な予測に貢献することが期待される。

FLASH radiotherapy (FLASH-RT) using ultra-high dose rate ( 40 Gy/sec) is known as a new treatment which is expected to enable preserving normal tissue functions, compared to the conventional radiotherapy (CONV-RT) with high dose rate ( 6 Gy/min). To date, it is believed that the modulation of chemical processes caused by interactions between radiation tracks under FLASH-RT is a key factor in the functional preservation of normal tissues; however, the relationship between changes in chemical processes and cellular responses remains uncertain. In this study, we developed a prediction model (integrated microdosimetric-kinetic (IMK) model for FLASH-RT) taking into account of the relationship between the chemical process and the DNA damage yields (which is the initial response) under ultra-high dose rate irradiation, to investigate the cellular mechanisms. As a result, the developed model considering the chemical-processes dependent change in DNA damage yields successfully reproduced the measured cell-killing effects of both CONV-RT and FLASH-RT for various cell line types. This model development would contribute on not only precisely understanding of cellular mechanisms after FLASH-RT irradiation but also enabling the prediction of therapeutic effects with high precision.