Effects of ultra-high dose-rate radiotherapy (FLASH-radiotherapy) on the hematopoietic and immune systems: An animal study = 초고선량률방사선치료(FLASH-방사선치료)가 조혈계 및 면역계에 미치는 영향: 동물 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose:
Ultra-high dose-rate radiotherapy, known as FLASH radiotherapy (FLASH-RT), has been reported to spare normal tissues while maintaining tumor control. However, its effects on the hematopoietic and immune systems remain unclear. This study aimed to compare the early hematopoietic toxicity and subsequent lymphohematopoietic recovery between FLASH-RT and conventional dose-rate radiotherapy (CONV-RT) at 3 Gy and 5 Gy of total body irradiation (TBI) in mice.

Materials and Methods:
Seven-week-old male C57BL/6N mice were assigned to control (0 Gy), FLASH-RT (109 Gy/s), or CONV-RT (0.067 Gy/s) groups. FLASH-RT was performed using the DIRAMS LINAC with 6-MeV electron beams. Mice were sacrificed on days 1, 2, 4, 7, 14, 21, and 28 post-TBI for analyses of peripheral blood, bone marrow (BM), spleen, and thymus. Hematologic parameters were evaluated using an automated analyzer, and immune cell populations were assessed by flow cytometry and histological examination.

Results:
Peripheral blood cell profiles showed no significant differences between FLASH-RT and CONV-RT except for transient thrombocytopenia at day 7 after 5 Gy TBI and day 14 after 3 Gy TBI, which was more pronounced with FLASH-RT. Diff-Quik staining of BM revealed that FLASH-RT induced a greater initial depletion of myeloblasts on days 1–4 than CONV-RT, but both groups showed comparable recovery by day 28. In the spleen, both modalities caused atrophy and white pulp depletion up to day 7, followed by progressive regeneration. Notably, the white pulp area and T-cell populations (CD3⁺CD4⁺ and CD3⁺CD8⁺) recovered significantly faster in the FLASH-RT group at day 14 (3 Gy) and day 28 (5 Gy) compared with CONV-RT. Thymic architecture showed similar patterns of damage and recovery between groups.

Conclusion:
FLASH-RT and CONV-RT induced comparable acute hematopoietic suppression following TBI; however, FLASH-RT promoted a more rapid recovery of T-lymphocytes in the spleen during the subacute phase. These findings suggest that FLASH-RT may mitigate prolonged T-lymphopenia and potentially preserve immune competence after irradiation, highlighting its therapeutic potential in reducing immune-related toxicities during radiotherapy.

국문 초록 (Abstract)

목적:
초고선량률 방사선치료(FLASH-RT)는 종양 제어력을 유지하면서 정상조직 손상을 줄이는 것으로 보고되어 왔다. 그러나 FLASH-RT의 조혈 및 면역계에 미치는 영향은 아직 명확히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 마우스 모델에서 3 Gy 및 5 Gy 전신조사 시 FLASHRT와 기존 선량률 방사선치료(Conventional Dose Rate Radiotherapy, CONV-RT)의 조기 조혈독성과 이후의 림프조혈 회복 양상을 비교하였다.

방법:
7주령 수컷 C57BL/6N 마우스를 대조군(0 Gy), FLASH-RT군(109 Gy/s), CONV-RT(0.067 Gy/s)군으로 구분하였다. FLASH-RT는 DIRAMS LINAC의 6-MeV 전자선을 이용해 시행하였다. 방사선 조사 후 1, 2, 4, 7, 14, 21, 28일째에 마우스를 희생시켜 말초혈액, 골수, 비장, 흉선을 분석하였다. 혈액학적 지표는 자동 혈구분석기로 측정하였고, 면역세포 하위군은 유세포분석과 조직학적 검사로 평가하였다.

결과:
말초혈액 분석 결과, FLASH-RT와 CONV-RT 간에 대부분의 세포 변화는 유의한 차이가 없었으나, 5 Gy 전신조사 후 7일째와 3 Gy 전신조사 후 14일째에 FLASH-RT군에서 더 두드러진 일시적 혈소판 감소가 관찰되었다. Diff-Quik 염색에서 FLASH-RT는 조사 후 1–4일 사이 골수 내 골아세포(myeloblast) 감소가 더 뚜렷했으나, 28일째에는 두 군 모두 유사한 회복 양상을 보였다. 비장에서는 양 군 모두 7일까지 위축과 백색수질 소실이 나타났으며, 이후 점진적 재생이 확인되었다. 특히 FLASH-RT군에서는 3 Gy에서는 14일째, 5 Gy에서는 28일째에 백색수질 면적과 T세포 집단(CD3⁺CD4⁺, CD3⁺CD8⁺)의 회복이 CONVRT군보다 빠르게 나타났다. 흉선에서는 두 군 모두 유사한 손상 및 회복 패턴을 보였다.

결론:
FLASH-RT와 CONV-RT는 전신조사 후 서로 유사한 급성 조혈 억제를 유발하였으나, FLASH-RT는 아급성기에 비장 내 T림프구의 회복을 촉진하였다. 이러한 결과는 FLASH-RT가 장기간의 림프구 소를 완화하고 면역기능을 보다 잘 보존할 수 있음을 시사하며, 방사선치료 중 면역 관련 독성을 줄이는 잠재적 치료적 이점을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Table vi
• List of Figures vii
• Introduction 1
• Materials and Methods 5
• Mice and animal care 5
• Irradiation devices for FLASH-RT and CONV-RT 6
• Irradiation 8
• Analysis of peripheral blood cells 9
• Processing and histological evaluation of tissue 10
• Flow cytometry analysis 10
• Isolation of BL cells and Diff-Quik staining 11
• Stastistical analysis 12
• Results 13
• Effects of FLASH-RT and CONV-RT on mouse peripheral blood cell counts 13
• Effects of FLASH-RT and CONV-RT on the spleen structure 16
• FLASH-RT is more conducive to lymphopoietic recovery in the irradiated spleen than CONV-RT 18
• Effects of FLASH-RT and CONV-RT on the BM after TBI 22
• FLASH-RT and CONV-RT showed similar effects on T-cell development in the thymus 27
• Discussion 29
• Conclusion 38
• References 39
• Abstract in Korean 48