Физика

Радиобиологические исследования воздействия ионизирующего излучения на здоровье человека сосредоточены на молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как основной мишени вредных последствий. Взаимодействие ионизирующего излучения с тканями и органами может привести к локализованному выделению энергии, достаточно большому, чтобы спровоцировать двухцепочечные разрывы ДНК, что может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и изменениям в экспрессии генов. Понимание механизмов, лежащих в основе этих взаимодействий, имеет решающее значение для разработки лучевой терапии и улучшения стратегий радиационной защиты. Кристофер Шепард из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и его коллеги теперь используют мощное компьютерное моделирование, чтобы показать, какая именно часть молекулы ДНК получает разрушительные уровни энергии при воздействии радиации заряженных частиц (рис. 1) [1]. Их результаты могут в конечном итоге помочь минимизировать долгосрочные последствия радиации от лечения рака и полета человека в космос.

Взаимодействие радиации с электронной структурой ДНК представляет собой сложный процесс [2, 3]. Численные модели, используемые в настоящее время в радиобиологии и клинической лучевой терапии, не отражают детальную динамику этих взаимодействий на атомном уровне. Скорее, эти модели используют геометрические сечения, чтобы предсказать, передаст ли частица излучения, такая как фотон или ион, пересекающая объем клетки, достаточную энергию, чтобы вызвать разрыв одной или обеих нитей ДНК [4–6] . Модели не описывают взаимодействия на атомном уровне, а просто обеспечивают вероятность того, что некоторая доза радиации приведет к потере способности популяции клеток к размножению.

Благодаря своей способности нейтрализовать клетки ионизирующее излучение можно использовать для противодействия росту опухолей. Фактически, лучевая терапия остается одним из наиболее широко используемых методов лечения рака [7, 8]. Но при применении для лечения злокачественных новообразований терапия может также привести к тяжелым последствиям для здоровых тканей. В случае гамма- и рентгеновской терапии фотоны высокой энергии начинают терять энергию вскоре после попадания в организм. Напротив, в лучевой терапии тяжелыми ионами используются заряженные частицы, которые теряют большую часть своей энергии в конце своего пробега. В частности, для быстродвижущихся частиц такая быстрая потеря энергии на очень небольшом расстоянии приводит к резкому увеличению энергии, выделяемой в локализованном объеме. Благодаря такому локализованному выделению энергии радиотерапевты могут использовать пучок заряженных частиц для точного нацеливания на форму и глубину опухоли, тем самым сохраняя здоровые ткани перед опухолью и сводя к минимуму повреждение здоровых тканей за пределами опухоли. Эта селективность делает лучевую терапию тяжелыми ионами революционным терапевтическим методом, который может лечить опухоли, которые традиционно считаются неизлечимыми с помощью современных стандартных методов лечения.

Большая часть энергии, передаваемой заряженной частицей среде, является результатом кулоновских взаимодействий между электронными орбиталями. Средняя энергия, необходимая для ионизации атома или молекулы в среде, часто используется для описания так называемой способности материала останавливать излучение: способности материала замедлять или останавливать заряженные частицы, такие как электроны или ионы, когда они проходят через него. [9]. Измерение останавливающей способности материала является ключом к определению полезности лучевой терапии. Для биологических тканей тормозная способность обычно измеряется в единицах энергии, теряемой на пройденный микрометр. Однако молекула ДНК имеет среднюю ширину 2 нм, поэтому измерение тормозной способности в масштабе ДНК в настоящее время невозможно.

Шепард и его коллеги использовали крупномасштабное компьютерное моделирование на суперкомпьютерах для количественной оценки передачи энергии от высокоэнергетических протонов к сольватированной ДНК, то есть к раствору ДНК, разделенному на сахарофосфатные боковые цепи и компоненты основной цепи нуклеиновых оснований. Они использовали зависящую от времени теорию функционала плотности (DFT) для оценки сложности системы ДНК на молекулярном уровне. DFT — это вычислительный метод изучения электронной структуры атомов, молекул и твердых тел. В его основе лежит представление о том, что свойства многоэлектронной системы могут определяться единственной функцией, описывающей электронную плотность системы. ТФП является эффективным методом расчета электронной структуры больших систем, поскольку он использует набор приближений для учета взаимодействий между электронами, а не для решения уравнения Шредингера для каждого электрона в системе. Эти приближения позволяют рассчитывать электронную структуру сложных систем, которую невозможно изучить традиционными методами.