L-4-硼苯丙氨酸在骨髓中的复合生物效应评估：一项结合生物学实验与蒙特卡洛剂量计算的研究

骨髓辐射敏感性及L-4-硼苯丙氨酸复合生物有效性评估

郭傲云|亚历山大·基奇金|舒迪云|耿长然|丁正|李莉|魏启春|唐晓斌|刘远浩|张晓红

中国南京航空航天大学核科学技术系

摘要

目的

化合物生物有效性（CBE）是将硼剂量转换为生物等效X射线剂量的关键参数。作为造血器官，骨髓对辐射非常敏感。然而，L-4-硼苯丙氨酸（BPA）对骨髓的CBE值尚未确定，这可能导致在硼中子俘获疗法（BNCT）中低估骨髓所受的辐射剂量。

材料与方法

使用粒子与重离子传输代码系统蒙特卡洛代码（Particle and Heavy Ion Transport Code System Monte Carlo）模拟了BNCT剂量。采用单室模型计算中子照射期间的¹⁰B浓度。这些计算基于注射BPA后30、70、110和150分钟时通过电感耦合等离子体质谱仪检测到的硼浓度。通过骨髓苏木精-伊红染色切片得到的骨髓有核细胞（BMNC）比例作为终点，以确定BPA对骨髓的CBE值。

结果

中子照射期间（5.98、20.93、35.95和45.95分钟）的累积硼浓度分别为64.54、209.33、333.74和406.40 min·μg·g^-1。建议使用0.45的BMNC比例作为评估BPA对骨髓CBE的终点。基于该BMNC比例，相对生物有效性（relative biological effectiveness）和CBE分别为2.52和5.19。结论：本研究为确定BNCT中对骨髓的剂量限制提供了重要的实验数据，这对于提高治疗安全性至关重要。

引言

硼中子俘获疗法（BNCT）是一种将中子束与选择性积聚在恶性细胞中的硼药物结合的治疗方式（Sauerwein等人，2021年；Kumada等人，2023年）。其原理依赖于特定同位素硼-10（¹⁰B），该同位素容易捕获热中子从而引发核反应（Tabbakh等人，2020年）。这种反应产生高线性能量转移（LET）的α粒子和⁷Li原子（Jin等人，2022年；Hosmane等人，2012年）。这两种高LET粒子具有较短的作用范围（5-9微米），能够选择性破坏恶性细胞并最小化正常细胞受到的剂量（Barth等人，2005年；Soloway等人，1993年）。

尽管BNCT是一种靶向治疗方法，但正常细胞不可避免地会吸收少量硼药物，且处于中子束场内的正常细胞也会受到照射（Sauerwein等人，2021年；Iwasaki等人，2023年）。这种不可避免的暴露可能会对健康组织造成潜在损害。在BNCT中，肿瘤所接受的剂量受到周围辐射敏感正常组织耐受剂量的限制。因此，评估硼药物对辐射敏感正常组织的生物有效性对于确保BNCT的安全性和有效性至关重要（Fukuda等人，2021年）。

不同组织的辐射敏感性各不相同。骨髓是一种关键的造血器官，也是最敏感的组织之一。骨髓受到辐射会减少造血前体细胞，从而导致致命的急性放射综合征（hARS）（Zhang等人，2021年；Zhang等人，2020年）。如果将来BNCT用于治疗盆腔肿瘤，构成骨盆的骨髓不仅是邻近器官，也是对辐射最敏感的组织。因此，必须重点关注BNCT过程中骨髓的安全性。

剂量评估是BNCT安全性的关键。BNCT过程中的辐射场由多个组成部分构成。BNCT的总吸收剂量是这些辐射成分物理剂量的总和（Rossini等人，2015年）。具体来说，它包括以下四个要素：硼剂量、氮剂量、氢剂量和伽马剂量（Hopewell等人，2012年）。硼剂量是BNCT的治疗成分，由硼化合物中的¹⁰B与中子之间的俘获反应产生。与¹⁴N的中子俘获反应产生氮剂量。氢剂量是由于中子与¹H的弹性散射导致反冲质子释放的能量所致。伽马剂量来源于上述反应产生的瞬态且发射缓慢的γ射线，以及中子源发射的中子束伴随的γ射线。BNCT治疗计划的剂量学信息基于传统光子治疗的辐射效应数据。因此，建立BNCT吸收剂量与传统光子治疗的生物等效剂量之间的关联在临床上至关重要（Hosmane等人，2018年）。BNCT的剂量成分通常通过将每个成分乘以实验确定的生物有效性因子（Masunaga等人，2014年；Coderre等人，1999年）转换为光子剂量当量（Gy-Eq）。具体而言，氮剂量和氢剂量可以使用相对生物有效性（RBE）因子转换为生物等效X射线剂量（Iwasaki等人，2023年）。然而，在转换硼剂量时，必须考虑硼原子在细胞内的定位，因为这些原子到细胞核的距离会影响其杀伤效果。为了便于这种转换，引入了一个称为化合物生物有效性（CBE）的参数，该参数考虑了硼的定位因素（Yu等人，2024年），并通过生物实验确定。

评估辐射敏感正常组织的CBE的目的是在确保这些组织安全的前提下，实现尽可能高的肿瘤BNCT剂量。为了实施这项工作，确定终点的选择标准尤为重要，因为不同的终点选择可能导致CBE值出现显著差异。对于正常组织的CBE评估，终点应满足两个标准：首先，它应该是辐射敏感的；其次，终点的损伤应处于可容忍的限度内。使用可容忍的损伤限度作为终点有两个优点：一是确保了BNCT处理组织的安全性，因为损伤是可容忍的；二是保证了肿瘤可接受的最高剂量。

据我们所知，硼药物对骨髓的生物有效性尚未进行评估。骨髓有核细胞（BMNCs）是一类具有单核的细胞，其中包括造血干细胞。BMNC的数量对辐射敏感，这可以反映骨髓损伤的程度（Zhang等人，2021年；Zhang等人，2020年）。

在hARS中，全身照射约2 Gy的光子通常会引起轻微的骨髓损伤（轻度hARS），这种损伤可以通过身体的内在修复机制恢复。然而，全身照射约4 Gy的光子会导致骨髓功能更严重的抑制，需要医疗干预才能恢复（Li等人，2021年）。在评估硼药物对骨髓的CBE时，必须保证一个可容忍的剂量以引起骨髓的可容忍损伤限度。同样的剂量在部分身体照射中引起的造血效应比在全身照射中要轻（Waselenko等人，2004年；Mauch等人，1995年）。因此，将4 Gy局部光照射对应的受损骨髓设定为可容忍的损伤限度。

在这项研究中，我们建立了一种全面的方法来评估加速器驱动的BNCT中硼化合物在骨髓中的CBE。具体来说，使用4 Gy局部X射线照射诱导的BMNC比例作为生物终点，我们确定了L-4-硼苯丙氨酸（BPA）在小鼠骨髓中的CBE。鉴于各种下一代硼输送系统的发展（Gao等人，2015年；Icten等人，2018年；Tabbakh等人，2023年），这种方法也可以用于评估这些新型药物在骨髓中的CBE值，从而支持其临床前安全性评估。

章节片段

小鼠和实验设计

从广东GemPharmatech有限公司（中国广东省佛山市）购买了5-6周大的雌性BALB/c裸鼠。小鼠的体重为16 ± 2克。小鼠被饲养在以下条件下：温度范围20-26°C，相对湿度40-70%，每小时换气12次，以及12小时的明暗周期。该研究已获得浙江大学实验动物护理和使用委员会的批准和审查。

对于硼浓度的检测，

骨髓的BNCT剂量

在将BPA注射到小鼠尾静脉后30、70、110和150分钟时，检测了骨髓中的硼浓度。表1提供了从完整和空股骨的硼浓度中得出的骨髓硼浓度（公式（1））。硼浓度随时间呈下降趋势。使用单室模型对这4个时间点的硼浓度进行了拟合（图2和公式（4））。拟合函数用于计算硼

讨论

本研究探讨了BPA对小鼠骨髓的CBE。图4显示了BNCT、中子和X射线照射后第四天小鼠股骨骨髓的H&E染色结果，展示了不同辐射类型和剂量下骨髓组织的形态变化。组织切片显示，未照射的对照组（0 Gy）的骨髓结构完整，BMNC分布密集，形态正常，细胞核染色清晰。

CRediT作者贡献声明

亚历山大·基奇金：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究。郭傲云：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、正式分析、数据管理、概念化。耿长然：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学。舒迪云：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理。李莉：撰写——审稿与编辑、方法学。丁正：

未引用的参考文献

Coderre和Morris，1999年；Fukuda，2021年；Hosmane和Eagling，2018年；国际辐射单位和测量委员会，1986年；Li等人，2015年；Tabbakh和Hosmane，2020年；Tabbakh和Hosmane，2023年；Wu等人，2024年。

利益披露

作者声明没有利益冲突。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号2022YFE0107800和2023YFE0197700）；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

作者声明没有已知的利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。