PurposeRecent studies suggest that ultrahigh-dose-rate, “FLASH,” electron radiation therapy (RT) decreases normal tissue damage while maintaining tumor response compared with conventional dose rate RT. Here, we describe a novel RT apparatus that delivers FLASH proton RT (PRT) using double scattered protons with computed tomography guidance and provide the first report of proton FLASH RT-mediated normal tissue radioprotection.Methods and MaterialsAbsolute dose was measured at multiple depths in solid water and validated against an absolute integral charge measurement using a Faraday cup. Real-time dose rate was obtained using a NaI detector to measure prompt gamma rays. The effect of FLASH versus standard dose rate PRT on tumors and normal tissues was measured using pancreatic flank tumors (MH641905) derived from the KPC autochthonous PanCa model in syngeneic C57BL/6J mice with analysis of fibrosis and stem cell repopulation in small intestine after abdominal irradiation.ResultsThe double scattering and collimation apparatus was dosimetrically validated with dose rates of 78 ± 9 Gy per second and 0.9 ± 0.08 Gy per second for the FLASH and standard PRT. Whole abdominal FLASH PRT at 15 Gy significantly reduced the loss of proliferating cells in intestinal crypts compared with standard PRT. Studies with local intestinal irradiation at 18 Gy revealed a reduction to near baseline levels of intestinal fibrosis for FLASH-PRT compared with standard PRT. Despite this difference, FLASH-PRT did not demonstrate tumor radioprotection in MH641905 pancreatic cancer flank tumors after 12 or 18 Gy irradiation.ConclusionsWe have designed and dosimetrically validated a FLASH-PRT system with accurate control of beam flux on a millisecond time scale and online monitoring of the integral and dose delivery time structure. Using this system, we found that FLASH-PRT decreases acute cell loss and late fibrosis after whole-abdomen and focal intestinal RT, whereas tumor growth inhibition is preserved between the 2 modalities. Recent studies suggest that ultrahigh-dose-rate, “FLASH,” electron radiation therapy (RT) decreases normal tissue damage while maintaining tumor response compared with conventional dose rate RT. Here, we describe a novel RT apparatus that delivers FLASH proton RT (PRT) using double scattered protons with computed tomography guidance and provide the first report of proton FLASH RT-mediated normal tissue radioprotection. Absolute dose was measured at multiple depths in solid water and validated against an absolute integral charge measurement using a Faraday cup. Real-time dose rate was obtained using a NaI detector to measure prompt gamma rays. The effect of FLASH versus standard dose rate PRT on tumors and normal tissues was measured using pancreatic flank tumors (MH641905) derived from the KPC autochthonous PanCa model in syngeneic C57BL/6J mice with analysis of fibrosis and stem cell repopulation in small intestine after abdominal irradiation. The double scattering and collimation apparatus was dosimetrically validated with dose rates of 78 ± 9 Gy per second and 0.9 ± 0.08 Gy per second for the FLASH and standard PRT. Whole abdominal FLASH PRT at 15 Gy significantly reduced the loss of proliferating cells in intestinal crypts compared with standard PRT. Studies with local intestinal irradiation at 18 Gy revealed a reduction to near baseline levels of intestinal fibrosis for FLASH-PRT compared with standard PRT. Despite this difference, FLASH-PRT did not demonstrate tumor radioprotection in MH641905 pancreatic cancer flank tumors after 12 or 18 Gy irradiation. We have designed and dosimetrically validated a FLASH-PRT system with accurate control of beam flux on a millisecond time scale and online monitoring of the integral and dose delivery time structure. Using this system, we found that FLASH-PRT decreases acute cell loss and late fibrosis after whole-abdomen and focal intestinal RT, whereas tumor growth inhibition is preserved between the 2 modalities.

Motivation: When prostate cancer is treated with external beam radiation therapy (RT) with doses up to 78 Gy, gastrointestinal and genitourinary toxicities are often observed. Goal(s): Tumor sensitization by mito-lonidamine (mito-LND) will lower RT doses reducing the risk of adverse effects. Approach: The effects were assessed in vitro and in vivo in prostate cancer models using Seahorse, 1H and 31P MRS respectively. Results: Our findings showed a sustained and tumor-selective decrease in intracellular pH, bioenergetics, oxygen consumption rate and lactate. Selective tumor acidification, deenergization and oxygenation induced by mito-LND may improve the radiation response in prostate cancer. Impact: Exploiting the modulation of tumor metabolism and microenvironment for improving therapeutic efficacy of radiation therapy (RT) in early stage prostate cancer will lead to improved outcomes in prostate cancer patients.

Radiation therapy (RT) is the cornerstone treatment for prostate cancer; however, it frequently induces gastrointestinal and genitourinary toxicities that substantially diminish the patients' quality of life. While many individuals experience transient side effects, a subset endures persistent, long-term complications. A promising strategy to mitigate these toxicities involves enhancing tumor radiosensitivity, potentially allowing for lower radiation doses. In this context, mito-lonidamine (Mito-LND), an antineoplastic agent targeting the mitochondrial electron transport chain's complexes I and II, emerges as a potential radiosensitizer. This study investigated Mito-LND's capacity to augment RT efficacy and reduce adverse effects through comprehensive in vitro and in vivo assessments using hormone-sensitive and hormone-refractory prostate cancer models. Employing a Seahorse analysis and 1H/31P magnetic resonance spectroscopy (MRS), we observed that Mito-LND selectively suppressed lactate production, decreased intracellular pH, and reduced bioenergetics and oxygen consumption levels within tumor cells. These findings suggest that Mito-LND remodels the tumor microenvironment by inducing acidification, metabolic de-energization, and enhanced oxygenation, thereby sensitizing tumors to RT. Our results underscore the potential of Mito-LND as a therapeutic adjunct in RT to improve patient outcomes and reduce radiation-associated toxicities in early-stage prostate cancer.