Here, we highlight the potential translational benefits of delivering FLASH radiotherapy using ultra-high dose rates (>100 Gy⋅s-1). Compared with conventional dose-rate (CONV; 0.07-0.1 Gy⋅s-1) modalities, we showed that FLASH did not cause radiation-induced deficits in learning and memory in mice. Moreover, 6 months after exposure, CONV caused permanent alterations in neurocognitive end points, whereas FLASH did not induce behaviors characteristic of anxiety and depression and did not impair extinction memory. Mechanistic investigations showed that increasing the oxygen tension in the brain through carbogen breathing reversed the neuroprotective effects of FLASH, while radiochemical studies confirmed that FLASH produced lower levels of the toxic reactive oxygen species hydrogen peroxide. In addition, FLASH did not induce neuroinflammation, a process described as oxidative stress-dependent, and was also associated with a marked preservation of neuronal morphology and dendritic spine density. The remarkable normal tissue sparing afforded by FLASH may someday provide heretofore unrealized opportunities for dose escalation to the tumor bed, capabilities that promise to hasten the translation of this groundbreaking irradiation modality into clinical practice.

Abstract Purpose: Recent data have shown that single-fraction irradiation delivered to the whole brain in less than tenths of a second using FLASH radiotherapy (FLASH-RT), does not elicit neurocognitive deficits in mice. This observation has important clinical implications for the management of invasive and treatment-resistant brain tumors that involves relatively large irradiation volumes with high cytotoxic doses. Experimental Design: Therefore, we aimed at simultaneously investigating the antitumor efficacy and neuroprotective benefits of FLASH-RT 1-month after exposure, using a well-characterized murine orthotopic glioblastoma model. As fractionated regimens of radiotherapy are the standard of care for glioblastoma treatment, we incorporated dose fractionation to simultaneously validate the neuroprotective effects and optimized tumor treatments with FLASH-RT. Results: The capability of FLASH-RT to minimize the induction of radiation-induced brain toxicities has been attributed to the reduction of reactive oxygen species, casting some concern that this might translate to a possible loss of antitumor efficacy. Our study shows that FLASH and CONV-RT are isoefficient in delaying glioblastoma growth for all tested regimens. Furthermore, only FLASH-RT was found to significantly spare radiation-induced cognitive deficits in learning and memory in tumor-bearing animals after the delivery of large neurotoxic single dose or hypofractionated regimens. Conclusions: The present results show that FLASH-RT delivered with hypofractionated regimens is able to spare the normal brain from radiation-induced toxicities without compromising tumor cure. This exciting capability provides an initial framework for future clinical applications of FLASH-RT. See related commentary by Huang and Mendonca, p. 662

The molecular and cellular mechanisms driving the enhanced therapeutic ratio of ultra-high dose-rate radiotherapy (FLASH-RT) over slower conventional (CONV-RT) radiotherapy dose-rate remain to be elucidated. However, attenuated DNA damage and transient oxygen depletion are among several proposed models. Here, we tested whether FLASH-RT under physioxic (4% O 2 ) and hypoxic conditions (≤2% O 2 ) reduces genome-wide translocations relative to CONV-RT and whether any differences identified revert under normoxic (21% O 2 ) conditions. We employed high-throughput rejoin and genome-wide translocation sequencing ( HTGTS-JoinT-seq ), using S. aureus and S. pyogenes Cas9 "bait" DNA double strand breaks (DSBs), to measure differences in bait-proximal repair and their genome-wide translocations to "prey" DSBs generated by electron beam CONV-RT (0.08-0.13Gy/s) and FLASH-RT (1×10 2 -5×10 6 Gy/s), under varying ionizing radiation (IR) doses and oxygen tensions. Normoxic and physioxic irradiation of HEK293T cells increased translocations at the cost of decreasing bait-proximal repair but were indistinguishable between CONV-RT and FLASH-RT. Although no apparent increase in chromosome translocations was observed with hypoxia-induced apoptosis, the combined decrease in oxygen tension with IR dose-rate modulation did not reveal significant differences in the level of translocations nor in their junction structures. Thus, Irrespective of oxygen tension, FLASH-RT produces translocations and junction structures at levels and proportions that are indistinguishable from CONV-RT.