物理

人間の健康に対する電離放射線の影響に関する放射線生物学の研究は、有害な結果の主な標的としてデオキシリボ核酸 (DNA) 分子に焦点を当てています。 電離放射線と組織や臓器との相互作用により、DNA の二本鎖切断を引き起こすほどの局所的なエネルギーが蓄積され、突然変異、染色体異常、遺伝子発現の変化を引き起こす可能性があります。 これらの相互作用の背後にあるメカニズムを理解することは、放射線治療の開発と放射線防護戦略の改善にとって重要です。 ノースカロライナ大学チャペルヒル校のクリストファー・シェパード氏らは現在、強力なコンピューターシミュレーションを使用して、荷電粒子放射線にさらされたときにDNA分子のどの部分が有害なレベルのエネルギーを受けるかを正確に示している(図1)[1]。 彼らの発見は、最終的にはがん治療や有人宇宙飛行による長期にわたる放射線の影響を最小限に抑えるのに役立つ可能性がある。

放射線と DNA の電子構造との相互作用は複雑なプロセスです [2、3]。 放射線生物学および臨床放射線療法で現在使用されている数値モデルは、これらの相互作用の詳細な動態を原子レベルで捉えていません。 むしろ、これらのモデルは幾何学的断面を使用して、細胞体積を横切る光子やイオンなどの放射線粒子が DNA 鎖の一方または両方に切断を引き起こすのに十分なエネルギーを伝達するかどうかを予測します [4-6] 。 このモデルは原子レベルの相互作用を説明するものではなく、ある線量の放射線が細胞集団の複製能力を失う確率を提供するだけです。

電離放射線は細胞中和能力があるため、腫瘍の増殖を阻止するために使用できます。 実際、放射線療法は依然として最も広く使用されているがん治療法の 1 つです [7、8]。 しかし、この治療法を悪性腫瘍の治療に適用すると、健康な組織に深刻な結果をもたらす可能性もあります。 ガンマ線および X 線治療の場合、高エネルギーの光子は体内に入るとすぐにエネルギーを失い始めます。 対照的に、重粒子線治療では、移動範囲の終わりにエネルギーのほとんどを失う荷電粒子が使用されます。 特に高速で移動する粒子の場合、非常に短い距離でのこの急速なエネルギー損失は、局所的な体積に蓄積されるエネルギーの急激な上昇につながります。 この局所的なエネルギーの付与により、放射線療法医は荷電粒子ビームを使用して腫瘍の形状と深さを正確に標的にすることができるため、腫瘍の前の健康な組織を温存しながら、腫瘍の外側の健康な組織への損傷を最小限に抑えることができます。 この選択性により、重粒子線療法は、現在の標準治療では従来不治と考えられていた腫瘍を治療できる革新的な治療法となっています。

荷電粒子によって媒体に伝達されるエネルギーのほとんどは、電子軌道間のクーロン相互作用の結果です。 媒体内の原子または分子をイオン化するのに必要な平均エネルギーは、材料の放射線阻止力として知られるものを説明するためによく使用されます。つまり、電子やイオンなどの荷電粒子が通過するときに、その粒子を遅くしたり阻止したりする材料の能力です。 [9]。 材料の阻止力を測定することは、放射線療法の有用性を判断する鍵となります。 生体組織の場合、阻止力は通常、マイクロメートルの移動ごとに失われるエネルギーの観点から測定されます。 ただし、DNA 分子の平均幅は 2 nm であるため、DNA スケールで阻止能を測定することは現時点では不可能です。

シェパードらは、スーパーコンピューターでの大規模計算シミュレーションを使用して、高エネルギー陽子から溶媒和DNA、つまり糖リン酸側鎖と核酸塩基骨格成分に分離されたDNAの溶液へのエネルギー移動を定量化した。 彼らは、時間依存密度汎関数理論 (DFT) を使用して、DNA システムの複雑さを分子レベルで評価しました。 DFT は、原子、分子、固体の電子構造を研究するための計算手法です。 これは、多電子系の特性は、系の電子密度を記述する単一の関数によって決定できるという概念に基づいています。 DFT は、系内の電子ごとにシュレディンガー方程式を解くのではなく、一連の近似を使用して電子間の相互作用を考慮するため、大規模な系の電子構造を計算する効率的な方法です。 これらの近似により、従来の方法では研究することが不可能だった複雑なシステムの電子構造を計算することが可能になります。

研究者らはシミュレーションにおいて、溶媒和された DNA システムの総エネルギーを電子密度の数学的関数として表現しました。 電子密度はシステムの波動関数から計算でき、この波動関数は特定の位置で特定のスピンを持つ電子が見つかる確率を表します。 このアプローチを使用して、彼らは、電子の変位が陽子の経路に沿って高度に局在化しており、リン酸鎖に近い軌道では著しく高いことを発見しました。 より高い置換は、DNA の糖リン酸骨格が核酸塩基よりも多くのエネルギーを吸収したことを示しています。

このシミュレーションは、阻止能が媒体内に生成される正孔の数密度に比例するという従来の仮定に疑問を投げかけます。 彼らの結果に基づいて、Shepardらは、溶媒和DNA媒体の阻止力は生成された正孔のエネルギーにも依存すると主張している。 彼らの結果は、糖リン酸骨格における電子正孔形成の頻度が高く、これが非常に有害なフリーラジカルの形成につながる可能性があることを示しました。 フリーラジカルは、不対価電子を持つ水性の原子または分子であり、局所媒体との反応性が高くなります。 糖リン酸骨格と相互作用するラジカルは、骨格の破壊を引き起こし、最終的には 1 つ以上の DNA 鎖の切断を引き起こす可能性があります。

この研究は、実験室環境で再現することが難しい複雑な相互作用ダイナミクスを研究するための高性能マルチコア コンピューターの有用性と能力を実証します。 この結果は、荷電粒子がそのエネルギーのほとんどを DNA 分子内に蓄積する場所を正確に特定し、放射線生物学が荷電粒子輸送の物理学とどのように交差するかについての知識のギャップを埋めるのに役立ちます。 ただし、詳細な実験結果が研究者のモデルを検証するまで、研究の結論を受け入れるにはある程度の注意が必要です。 DNA損傷の根本的なメカニズムがさらに解明されれば、科学者は治療用電離放射線の効率を高めることができるかもしれません。 また、健康な細胞に対する電離放射線の悪影響を最小限に抑える新薬などの対策を開発できる可能性もあります。

Jeffery C. Chancellor は、ルイジアナ州立大学の物理学の助教授であり、テキサス大学医学部の予防医学および人口保健学科およびカナダのブリティッシュ コロンビア大学の宇宙研究所でも非常勤職を務めています。 彼の研究関心は、重粒子線が軟質物質や凝縮物質とどのように相互作用して、有人宇宙飛行船の構造、遮蔽、臨床医療に応用されるかに焦点を当てています。 彼は、人間、宇宙システム、マイクロエレクトロニクスを宇宙旅行に固有の電離放射線の危険から守るための技術を開発している Atlantis Industries の創設者兼 CTO です。

クリストファー・シェパード、ディロン・C・ヨスト、金井陽介

物理学。 レット牧師。 130、118401 (2023)

2023 年 3 月 13 日発行

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