科研進(jìn)展
近代物理所揭示重離子治癌重要微觀(guān)機理
近日，中國科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研人員及合作者在重離子治癌微觀(guān)機理研究方面取得重要進(jìn)展，首次在生物分子團簇中觀(guān)測到重離子輻照導致的分子間能量及質(zhì)子轉移級聯(lián)機制。該機制被認為是重離子治癌生物學(xué)效應優(yōu)異的重要原因。相關(guān)成果于3月11日作為亮點(diǎn)論文發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊Physics Review X，并被美國物理學(xué)會(huì )Physics雜志在線(xiàn)報道。
重離子治癌是目前最先進(jìn)的放射性治療手段，其生物學(xué)效應顯著(zhù)優(yōu)于X射線(xiàn)等傳統放射療法，導致這一特性的微觀(guān)機理目前尚不清晰。為了深入探究這一問(wèn)題，科研人員發(fā)展了先進(jìn)的混合團簇源技術(shù)，選取DNA中的一種基本結構單元——嘧啶分子作為模型，制備了尺寸可控的水合嘧啶團簇（C4H4N2-nH2O）來(lái)模擬機體組織環(huán)境。
該實(shí)驗在蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)和320 kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺完成，利用反應顯微成像譜儀探測末態(tài)電子和離子碎片，實(shí)驗清晰辨別了團簇尺寸，并獲得了電子和碎片離子動(dòng)能分布。
實(shí)驗結果顯示重離子輻照會(huì )導致低能電子產(chǎn)額顯著(zhù)增強。結合分子能級計算和動(dòng)力學(xué)模擬等理論手段的分析，發(fā)現是水分子與嘧啶分子之間的分子間庫侖衰變（ICD）導致了觀(guān)察到的電子增強現象。內殼層電離的水分子通過(guò)ICD將能量傳遞給嘧啶分子，導致嘧啶分子電離并釋放一個(gè)低能電子。ICD過(guò)程還會(huì )進(jìn)一步誘發(fā)水分子之間的質(zhì)子轉移，產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基（HO）。
一般認為，內殼層電離的水分子主要通過(guò)自身解離的方式衰變，并不直接作用于DNA。但此項研究表明，機體組織中內殼層電離的水分子能夠直接作用于DNA將其電離，同時(shí)還在其鄰近區域倍增出低能電子和羥基自由基等有殺傷力的次級粒子。這一級連衰變過(guò)程增大了DNA雙鏈同時(shí)被破壞的可能性。此外，重離子輻照引起水分子內殼層電離的比例，顯著(zhù)高于電子、X射線(xiàn)和質(zhì)子等其它射線(xiàn)。因此，本工作發(fā)現的分子間能量及質(zhì)子轉移級連衰變機制，是重離子輻照的生物學(xué)效應顯著(zhù)優(yōu)于其它放射療法的重要原因之一。該微觀(guān)機制的發(fā)現對理解輻射損傷的分子機制和促進(jìn)放射治療新技術(shù)的發(fā)展等具有重要意義。
該工作由中國科學(xué)院近代物理研究所主導，聯(lián)合俄羅斯伊爾庫茨克國立大學(xué)、德國海德堡大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西安交通大學(xué)和蘭州大學(xué)等單位共同完成。論文第一作者為近代物理所博士生高岳，共同第一作者還包括俄羅斯伊爾庫茨克大學(xué)Anna D. Skitnevskaya博士和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王恩亮研究員。近代物理所許慎躍研究員和馬新文研究員為共同通訊作者。
該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)教育部等項目的支持。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.011053
Physics雜志報道：
https://physics.aps.org/articles/v18/s32
圖1：蘭州重離子加速器大科學(xué)裝置和反應顯微成像譜儀示意圖（圖源/近代物理所）
圖2：重離子輻照誘發(fā)分子間級連衰變示意圖 （圖源/近代物理所）
（原子分子結構與動(dòng)力學(xué)研究室 供稿）
