《Applied Radiation and Isotopes》：Evaluation of the biological effectiveness of L-4-boronophenylalanine in glioblastomas
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本研究旨在评估L-4-硼苯丙氨酸（BPA）在U251胶质瘤及其异种移植瘤中的复合生物有效性（CBE），通过生存分数作为终点。结果显示，异种移植瘤的CBE值（7.73、5.14、3.55）高于原代胶质瘤（4.48、3.27、2.63），且CBE随生存分数降低而减少，推荐使用生存分数0.10评估肿瘤控制效果。
张小红|白佳梅|舒迪云|耿长然|郭傲云|李莉|亚历山大·基奇金|魏启春|唐晓斌|刘远豪
中国江苏省南京市南京航空航天大学核科学技术系
摘要
目的
复合生物效应（CBE）是由于硼化合物在细胞内的微分布差异而产生的，它是将硼剂量转换为传统放射治疗的生物等效剂量的关键因素。本研究旨在估算L-4-硼苯丙氨酸（BPA）在胶质母细胞瘤中的CBE值。
材料与方法
使用生存分数（survival fraction）来评估BPA在U251胶质母细胞瘤及其基于加速器的BNCT（硼中子俘获疗法）异种移植肿瘤中的CBE值。
结果
在U251胶质母细胞瘤中，当生存分数为0.37时，BPA的CBE值为4.48；当生存分数为0.10时为3.27；当生存分数为0.01时为2.63。在U251肿瘤中，相应的CBE值分别为7.73、5.14和3.55。CBE值在体内（in vivo/in vitro）实验中的结果高于体外（in vitro）实验的结果。U251胶质母细胞瘤的D0（剂量当量）值为2.04 Gy，而U251异种移植肿瘤的D0值为0.63 Gy。这些结果表明，与体外细胞相比，U251肿瘤细胞对BNCT的敏感性更高。此外，随着生存分数的降低，BPA在U251胶质母细胞瘤及其异种移植肿瘤中的CBE值显著下降，这可能是由于较高剂量的BNCT未能充分杀死细胞所致。
结论
在U251胶质母细胞瘤上的体内/体外实验中，BPA的CBE值高于体外实验的结果。CBE值受到不同生存分数水平的显著影响。建议使用生存分数0.10作为评估肿瘤控制效果的更合适终点。
引言
恶性胶质瘤约占脑肿瘤的29%（Lah等人，2020年）。胶质母细胞瘤的治疗通常包括手术切除、化疗和传统放射治疗。尽管治疗策略有所进步，但被诊断为胶质母细胞瘤的患者的中位生存时间仅为约15个月（Poon等人，2020年），五年生存率低于19%（Chen等人，2022年）。
最近，针对恶性胶质瘤的靶向放射治疗发展迅速。其中一种靶向放射治疗是质子治疗，它利用高线性能量转移的质子来克服胶质瘤的放射抗性。其精确性是通过布拉格峰（Bragg peak）实现的，该峰在肿瘤区域内释放了大部分能量，而在肿瘤区域之外能量非常低（Byun等人，2021年）。为了进一步提高质子治疗的辐射效果，人们提出了基于质子治疗的新方法，如质子-硼融合疗法、中子捕获增强粒子疗法（Tabbakh和Hosmane，2020年）以及质子-碳靶向疗法（Tabbakh和Hosmane，2023年）。另一种靶向放射治疗是立体定向放射治疗/立体定向放射外科手术，它从不同方向聚焦多束低剂量辐射到病变部位，从而向肿瘤区域传递非常高的致命剂量，同时仅使周围健康组织受到短暂和低剂量的辐射（Chen等人，2020年）。这两种疗法都具有亚毫米级的物理定位精度。作为一种创新的靶向放射治疗形式，硼中子俘获疗法（BNCT）正在重新受到关注。BNCT的原理如下：当硼原子捕获热中子时，会产生高线性能量转移（LET）的α粒子和锂离子，这些粒子在水中可以传播5到10微米。这些粒子的高能量和有限的范围使得BNCT成为一种有效且具有细胞级精度的靶向方法，适用于破坏胶质瘤。这种疗法为胶质瘤患者提供了有希望的新治疗选择。
准确确定剂量是确保BNCT安全性和有效性的关键。BNCT的物理剂量由四个部分组成：硼剂量、氮剂量、氢剂量和伽马剂量（Conte等人，2024年；Hosmane等人，2012年）。目前，关于辐射剂量和潜在副作用的信息主要来自传统光子治疗，因此在治疗计划期间需要将BNCT剂量转换为传统光子治疗的生物等效剂量。可以通过应用相对生物效应（RBE）因子将氮剂量和氢剂量转换为生物X射线等效剂量（Sato等人，2018年）。然而，在转换硼剂量时，考虑硼原子在细胞内的定位非常重要，因为这些原子与细胞核的距离会影响其杀伤效果。为了便于这种转换，使用了复合生物效应（CBE）这一参数（Rossini等人，2015年），该参数考虑了硼的定位因素。
CBE对于将硼剂量转换为传统放射治疗的生物等效剂量至关重要。选择合适的终点对于准确评估CBE至关重要，因为不同终点的放射敏感性不同，会导致不同的CBE值。选择应与研究目标一致。对于肿瘤控制而言，终点应与治疗效果的指标一致。换句话说，在评估CBE时应选择致命终点。在先前的研究中，使用微核（micronuclei）和甲基噻唑基二苯四唑溴化物（MTT）检测法得出的生存率作为估计肿瘤细胞中CBE的终点（Dagrosa等人，2011年）。然而，微核的存在并不一定表示细胞死亡（Hintzsche等人，2017年）。MTT检测仅能检测到即时细胞死亡，而不能涵盖辐射诱导的细胞死亡，包括即时细胞死亡和再生细胞死亡（Kondo，2013年）。基于此原因，一些研究中使用由菌落形成实验得出的生存分数作为终点，因为该指标可以量化即时细胞死亡和再生细胞死亡。例如，Coderre等人（1993年）报告称，在9L胶质肉瘤肿瘤中，L-4-硼苯丙氨酸（BPA）在生存分数为0.01时的CBE值为3.80。Suzuki等人（2000年）评估了植入C3H/He小鼠肝脏中的SCCⅦ肿瘤中BPA的CBE，根据生存分数得出的平均致命剂量（D0值为5.64）。
不同肿瘤细胞对硼药物的摄取和分布不同（Dahlstrom等人，2004年），这意味着同一硼药物的CBE在不同肿瘤类型中会有所不同。严格来说，必须分别测量每种肿瘤类型的CBE。目前，关于动物移植模型中BPA的CBE值的报道仅限于少数几种肿瘤类型：Greene的黑色素瘤（Hiratsuka等人，1989年）、9L胶质肉瘤和SCC VII鳞状癌细胞。在中国，恶性胶质瘤是基于BPA的BNCT临床实践的目标肿瘤之一。因此，本研究旨在使用生存分数作为终点，评估BPA在U251胶质母细胞瘤及其基于加速器的BNCT异种移植肿瘤中的CBE值。
章节片段
细胞培养和肿瘤异种移植小鼠模型制备
U251胶质母细胞瘤来自中国湖北省武汉的Wuhan Pricella Biotechnology有限公司。细胞被接种到10厘米的培养皿中，并在含有10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的高葡萄糖Dulbecco改良Eagle培养基（Invitrogen，Thermo Fisher Scientific，美国德克萨斯州奥斯汀）中培养。培养物在含有5% CO2和95%空气的湿润环境中于37°C下孵育。
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U251胶质母细胞瘤中BPA的CBE值（体外实验）
通过中子自显影技术确定BPA孵育3小时（浓度为54 ppm）后U251胶质母细胞瘤中的硼浓度。浓度为41.27 ppm。使用PHITS软件对BNCT/中子辐照中的每个辐射成分的剂量进行了建模，硼剂量模拟基于确定的41.27 ppm浓度。剂量详见表1。
使用菌落形成实验评估了接受不同剂量治疗的U251胶质母细胞瘤的生存分数
讨论
CBE反映了BNCT对细胞的相对效果，这是由于硼在细胞内的微分布差异所致。为了量化这一参数，我们使用生存分数数据评估了U251胶质母细胞瘤及其异种移植肿瘤中BPA的CBE。体外实验提供了细胞水平的生存分数，而体内/体外实验提供了肿瘤水平的数据。值得注意的是，U251异种移植肿瘤中的BPA CBE值高于U251胶质母细胞瘤细胞中的CBE值。
结论
我们评估了U251胶质母细胞瘤及其相应异种移植肿瘤中BPA的CBE。结果如下：在U251胶质母细胞瘤的体外实验中，当生存分数分别为0.37、0.10和0.01时，CBE值分别为4.48、3.27和2.63。在U251异种移植肿瘤细胞中，相应的CBE值分别为7.73、5.14和3.55。在异种移植模型中观察到的较高CBE值主要归因于复杂肿瘤组织对BNCT的更高放射敏感性。
CRediT作者贡献声明
刘远豪：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。张小红：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资金获取，概念构思。白佳梅：方法学，研究，数据分析。舒迪云：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，项目管理。耿长然：数据分析，概念构思。郭傲云：方法学，研究。李莉：方法学。亚历山大·基奇金：方法学，研究。魏启春：监督
资助
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFE0197700和2022YFE0107800）；国家自然科学基金（项目编号：12261131621）；以及中央高校基本科研业务费（项目编号：NJ2023023）的支持。
利益冲突声明
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