The FLASH effect in carbon-ion beam

• Project/Area Number: 22K07695
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 八木 雅史 大阪大学, 大学院医学系研究科, 寄附講座助教 (40737491)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高階 正彰 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい教員 (10392010) ; 金井 達明 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい教授 (80161149) ; 皆巳 和賢 大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (90634593)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: FLASH / 超高線量率 / 炭素線治療 / 粒子線治療 / 医学物理（学）

Outline of Research at the Start

腫瘍の周りにある正常組織への線量限度によって、腫瘍への投与線量を妥協しなければならない症例や炭素線治療を断念せざるを得ない症例がある。正常組織への線量を更に低減させる照射技術の開発が喫緊の課題となっている。短時間に大線量を照射する超高線量率照射場ではFLASH効果が起こり正常組織への障害が減らせる。電子線などではFLASH効果が確認されているが、炭素線ではFLASH効果が生じるのか明らかになっていない。本研究の目的は、炭素線を用いた超高線量率照射法の確立と炭素線においてFLASH効果が存在するかを確認することである。本研究によりFLASH炭素線治療というこれまでなかった新治療法の開拓に繋がる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、炭素線を用いた超高線量率照射法の確立と炭素線においてFLASH効果が存在するかを確認することである。本研究では炭素線におけるFLASH効果を評価するための基盤となる研究を行った。研究期間内には以下のことを行った【①炭素線を用いた超高線量率照射装置の開発、②炭素線におけるFLASH効果の確認】。本研究成果に関して国際及び国内学会発表、また学術論文の投稿（査読中）を行った。
令和5年度は照射系に対して昨年度に開発した超高線量率照射モード（monochromatic beamモード）で使用する線量モニタに接続するアンプの改良を行った。これにより超高線量率照射だけでなく通常線量率照射も超高線量率照射モードと同じ体系で行うことが可能となり、より正確な細胞実験に繋がる。また照射野サイズの拡大化に関する研究を行った。照射野の拡大は超高線量率照射を臨床利用へ展開するために必須である。
開発した照射系を用いて細胞照射実験を行った。まず常酸素濃度下での細胞照射実験を行った。次に酸素濃度計、ガスバリア性パウチ袋とガス濃度調節剤からなる低酸素培養キットを用いて、低酸素下での超高線量率炭素線照射系を確立した。得られた細胞実験の結果は現在論文投稿中である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画通りに進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

研究実施計画通り、炭素線におけるFLASH効果の確認に向けた取り組みを行う。

Research Products

• [Journal Article] Validation of robust radiobiological optimization algorithms based on the mixed beam model for intensity-modulated carbon-ion therapy (2023)
  • Author(s): Yagi Masashi、Tsubouchi Toshiro、Hamatani Noriaki、Takashina Masaaki、Saruwatari Naoto、Minami Kazumasa、Wakisaka Yushi、Fujitaka Shinichiro、Hirayama Shusuke、Nihongi Hideaki、Hasegawa Azusa、Koizumi Masahiko、Shimizu Shinichi、Ogawa Kazuhiko、Kanai Tatsuaki
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 7 Pages: e0288545-e0288545
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0288545
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Current status and challenges of studies on FLASH effect using ultra-high dose rate irradiation with particle beam therapy systems (2023)
  • Author(s): TAKUTO MIYOSHI, KOJI MATSUDA, TAKUYA NOMURA, HIROYUKI OGINO, HIROMITSU IWATA, TOSHIYUKI TOSHITO, CHIHIRO OMACHI, MASASHI YAGI, SHIN'ICHI SHIMIZU, NORIAKI HAMATANI, TOSHIRO TSUBOUCHI, MASAAKI TAKASHINA, KAZUHIKO OGAWA, TATSUAKI KANAI, MASUMI UMEZAWA
  • Journal Title: Radiation Biology Research Communications Volume: 58 Pages: 128-149
• [Journal Article] Ultra-high Dose-rate Carbon-ion Scanning Beam With a Compact Medical Synchrotron Contributing to Further Development of FLASH Irradiation (2023)
  • Author(s): YAGI MASASHI、SHIMIZU SHINICHI、MINAMI KAZUMASA、HAMATANI NORIAKI、TSUBOUCHI TOSHIRO、TAKASHINA MASAAKI、UMEZAWA MASUMI、NOMURA TAKUYA、MUKOYOSHI WATARU、NISHIO TEIJI、KOIZUMI MASAHIKO、OGAWA KAZUHIKO、KANAI TATSUAKI
  • Journal Title: Anticancer Research Volume: 43 Issue: 2 Pages: 581-589
  • DOI: 10.21873/anticanres.16194
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development and basic characterization of Ion chamber for ultra-high dose rates (2023)
  • Author(s): Mahoro Nakatani, Noriaki Hamatani, Masashi Yagi, Toshiro Tsubouchi, Masaaki Takashina, Shinichi Shimizu, Yoshiaki Kuwana, Masaki Shimizu, Takuya Nomura, Takuto Miyoshi, Takashi Toyoda, Tatsuaki Kanai
  • Organizer: 第125回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] The effect of Ultra-High Dose-Rate Carbon ion irradiation to cell invasion on breast tumor cells (2023)
  • Author(s): K. Oniwa, K. Minami, M. Yagi, S. Shimizu, M. Koizumi, K. Ogawa, T. Kanai
  • Organizer: 61st Annual PTCOG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Beam monitors for a compact medical synchrotron based ultra-high dose-rate scanned carbon-ion beam contributing to further development of FLASH irradiation (2023)
  • Author(s): M Yagi,2, S Shimizu, N Hamatani, T Tsubouchi, M Takashina, T Nomura, T Miyoshi, M Umezawa, K Ogawa, and T Kanai
  • Organizer: 61st Annual PTCOG Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高線量率重粒子線照射の細胞応答 (2023)
  • Author(s): 皆巳 和賢、八木 雅史、清水 伸一、永田 夏菜、藤田 和輝、大庭 歌綸、坪内 俊郎、濱谷 紀彰、高階 正彰、金井 達明、小川 和彦、小泉 雅彦
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第36回学術大会
• [Presentation] 医療用加速器を用いた超高線量率（FLASH）炭素線スキャニング照射システムの開発 (2023)
  • Author(s): 八木雅史、清水伸一 、皆巳和賢、濱谷紀彰、三好拓人、梅澤真澄、野村拓也、豊田高士、坪内俊郎、清水柾貴、桑名良明、高階正彰、小泉雅彦、岡部康夫、小川和彦、金井達明
  • Organizer: 日本放射線腫瘍学会第36回学術大会
• [Presentation] VALIDATION OF FIELD EXPANSION TOWARD COMPACT MEDICAL SYNCHROTRON-BASED ULTRA-HIGH DOSE-RATE CARBON-ION RADIOTHERAPY (2023)
  • Author(s): M. Yagi, S. Shimizu, K. Minami, N. Hamatani, T. Miyoshi, K. Fujita, K Nagata, R Hidani, T. Tsubouchi, T. Nomura, M Shimizu, Y. Kuwana, M. Umezawa, M. Takashina, Y. Okabe, T. Nishio, M. Koizumi, K. Furutani, C. Beltran, K. Ogawa, and T. Kanai
  • Organizer: FLASH Radiotherapy and Particle Therapy (FRPT) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ULTRA-HIGH DOSE RATE CARBON IRRADIATION IMPACTS “EAT ME” SIGNAL (2023)
  • Author(s): S. Katsuki, K. Minami, K. Ohniwa, M. Yagi, S. Shimizu, N. Hamatani, M. Takashina, K. Furutani, C. Beltran, Y. Takahashi, T. Kanai, K. Ogawa, and M. Koizumi
  • Organizer: FLASH Radiotherapy and Particle Therapy (FRPT) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高線量率(FLASH)照射技術 (2023)
  • Author(s): 八木雅史
  • Organizer: 2023年度第2回医療放射線技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 炭素線を用いた超高線量率照射とFLASH効果 (2023)
  • Author(s): 清水伸一、八木雅史、皆巳和賢、濵谷紀彰、坪内俊郎、三好拓人、野村拓也、豊田高士、清水柾貴、桑名良明、向吉渉、梅澤真澄、高階正彰、岡部康夫、西尾禎治、小泉雅彦、金井達明、藤元治朗、小川和彦
  • Organizer: 第334回日本医学放射線学会関西地方会
• [Presentation] 超高線量率粒子線照射(uHDR)の開発と生物効果(FLASH) (2023)
  • Author(s): 清水伸一
  • Organizer: 第22回九州放射線治療システム研究会
  • Invited
• [Presentation] THE ABILITY OF A COMPACT-TYPE MEDICAL SYNCHROTRON ON ULTRA-HIGH DOSE-RATE SCANNED CARBON-ION BEAM FOR FLASH RESEARCH (2022)
  • Author(s): Masashi Yagi, Shinichi Shimizu, Kazumasa Minami, Noriaki Hamatani, Toshiro Tsubouchi, Masaaki Takashina, Masumi Umezawa, Takuya Nomura, Wataru Mukoyoshi, Takuto Miyoshi, Yasuo Okabe, Teiji Nishio, Masahiko Koizumi, Kazuhiko Ogawa, Tatsuaki Kanai
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BEAM-DELIVERY TUNING OF HITACHI’S SYNCHROTRON-BASED SCANNING-TREATMENT SYSTEMS FOR PROTON/CARBON-ION ULTRA-HIGH-DOSE RATE (FLASH) IRRADIATION (2022)
  • Author(s): T. Miyoshi, T. Nomura, K. Matsuda, H. Ogino, H. Iwata, T. Toshito, C. Omachi, M. Yagi, S. Shimizu, N. Hamatani, T. Tsubouchi, M. Takashina, K. Ogawa, T. Kanai, M. Umezawa
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparison of Cellular Damage Responses between Tumor and Normal cell lines in ultra-High Dose Rate irradiation on Carbon ion beam (2022)
  • Author(s): K. Minami, M. Yagi, S. Shimizu, W. Takenaka, N. Saruwatari, S. Fukuda, K. Fujita, K. Nagata, J. Yoshida, N. Hamatani, T. Tsubouchi, M. Takashina, M. Umezawa, T. Nomura, W. Mukoyoshi, T. Miyoshi, Y. Okabe, T. Kanai, K. Ogawa, M. Koizumi
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Confirmation of recombination effect on ionization chambers with ultra-high dose rate carbon ion beam (2022)
  • Author(s): Noriaki Hamatani, Masashi Yagi, Toshiro Tsubouchi, Masaaki Takashina, Shinichi Shimizu, Kazumasa Minami, Masumi Umezawa, Takuya Nomura, Wataru Mukoyoshi, Takuto Miyoshi, Yasuo Okabe, Teiji Nishio, Masahiko Koizumi, Kazuhiko Ogawa, and Tatsuaki Kanai
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-High Dose-Rate Carbon-Ion Scanning Irradiation with a Compact Type Medical Synchrotron toward FLASH Research (2022)
  • Author(s): M. Yagi, N. Hamatani, T. Tsubouchi, K. Minami, M. Takashina, M. Umezawa, T. Nomura, W. Mukoyoshi, Y. Okabe, T. Nishio, M. Koizumi, S. Shimizu, T. Kanai, K. Ogawa
  • Organizer: American Society for Radiation Oncology (ASTRO) 64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 超高線量率（FLASH）照射
  • URL: http://www.radonc.med.osaka-u.ac.jp/fc_research.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 線量評価方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体 (2022)
  • Inventor(s): 八木雅史、皆巳和賢、清水伸一
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-189539
  • Filing Date: 2022