文摘

长期以来的观点,辐射诱导生物损害必须启动细胞核,在或接近DNA本身,正面对越来越多的证据表明并非如此。虽然细胞死亡的功效可能由核DNA辐射损伤,大量的不确定的生物反应已经观察到当DNA并不是目标。这些所谓的不属预定目标的反应不能理解的框架DNA-centric放射生物模型;身体所需要的新的动力模型,解决damage-sensing信号通路引发的活性自由基的生产。为此,我们进行了一系列的在网上实验旨在阐明底层物理过程负责生物反应不属预定目标的辐射。我们的模拟研究实施新的结果非常低能电磁相互作用在液体水(适用到纳米尺度)我们也考虑现实的模拟核外微光束照射的细胞。我们的结果支持这一观点,细胞器与重要的功能角色,如线粒体和溶酶体膜,电离是可行的目标和作用,及其化学成分和密度决定至关重要的自由基产量和随后的生物反应。

1。介绍

辐射与物质相互作用的理论,建立了在上个世纪由著名物理学家玻尔等(1),是(2),是和海特勒3],范诺[4),现在支撑着一个巨大的范围的尖端技术和应用,从大型强子对撞机的高能粒子探测器,大气,空间和天体物理学,电子束光刻技术和材料分析技术(如电子显微镜、x射线能谱)。医学应用,如成像和放射治疗,电磁相互作用发生在活着的生物系统是非常重要的,因为碰撞可以激发和电离的组成分子,导致生物功能受损。当这发生在细胞核,破坏DNA和妥协的可能性增加细胞的生存能力5]。

辐射诱导的物理和化学机制(即核DNA损害。,strand breaks and other lesions resulting from interactions on or near DNA) have been generally well understood for several decades [6)和一个广泛的文献现在存在于放射生物学(7- - - - - -11]。辐射目标理论(9],特别是提供了一个成功的框架实现放射治疗的根本目的,是最大限度地增加肿瘤细胞杀死,同时保留正常细胞,假设初始核DNA损伤中心杀死细胞的生殖细胞(即死亡。,有丝分裂被损失大量的遗传物质)。但当电磁相互作用主要发生在核外,随后的生物危害知之甚少(12]。

令人信服的证据等不属预定目标的伤害现在新兴的继发性恶性肿瘤发病率的增加在接受过放射治疗的癌症幸存者,归因于健康组织不可避免的接触低剂量辐射(13- - - - - -15]。在低剂量辐射可小姐核DNA完全是因为小细胞中,它相对体积。如果受损的细胞,通常会被淘汰而不是逃避凋亡,并进行细胞周期,致癌作用可能会由于生存和增殖的细胞累积损伤或突变。分子信号通路,破坏细胞组织内稳态可以引起急性和后遗症在正常组织放射治疗(16]。事实上,越来越多的人在特定的低剂量辐射浴相对大量的正常组织都沉浸在现代适形放射治疗技术交付。现在越来越多的放射治疗的研究更关注辐射周围正常细胞肿瘤(17]。然而,定量,身体动力模型缺乏文献,主要是因为DNA-centric方法经典放射生物学在低剂量不再有效。出于这个原因,模型预测正常组织并发症有有限的成功在描述临床观察正常组织反应(18]。

进一步独立证据证明现有DNA-target范式的局限性对辐射诱导损伤中细胞使用微光束辐照实验,实现聚焦束的低能(通常是数万keV)辐射空间局部地区一个细胞到几个微米远离原子核。这些实验提供新的见解的复杂生物学途径引发的核外辐射能量沉积和产生的损伤如溶酶体、胞质结构膜,线粒体(图1)。几个新认识的反应,统称为不属预定目标的响应,可以通过影响如诱变(稳定的突变细胞的后代),基因组不稳定(不稳定的遗传信息的改变造成的影响),旁观者效应(反应在邻国,unirradiated细胞),基因表达的改变,甚至是适应性反应(12,19- - - - - -24]。这些影响是明显不同于机械响应DNA-targeted辐射;不属预定目标的反应是没有直接关系的能量沉积在或接近细胞的核DNA辐射的遍历。微光束结果表明相反,不属预定目标的生物反应取决于细胞的整个状态,包括所有蛋白质和大分子在细胞质中,其中一些可能导致功能损伤时释放溶酶体和线粒体,而结构膜损伤也可能影响内部和细胞间的信号通路。

低能电子辐射交互的最丰富的产品,以及他们与周围分子碰撞主要负责启动生化事件的序列导致辐射诱导损伤生物系统(25]。我们目前所了解的辐射诱导生物损伤在亚细胞尺度上(到nanometric卷)源于microdosimetry和nanodosimetry研究。然而,实验研究的一个重要限制是单粒子检测方法依赖于气体计数器,一个贫穷的近似生物组织。然而,已经取得了显著的进展在理解DNA损伤通过测量电离集群大小分布和粒子跟踪26- - - - - -29日]。蒙特卡罗(MC)模拟提供了一种替代方法来推进我们的理解辐射诱导的DNA损伤和许多独立的MC模型已经开发出来,用于确定DNA链断裂收益率通过模拟电子轨道结构和电离集群nanometric卷或简单的DNA模型(30.- - - - - -35]。然而,到目前为止,没有MC模拟研究的生物损伤造成观察不属预定目标的反应核外照射。

在本文中,我们简要报告在网上nanodosimetry研究旨在揭示新见解辐射诱导生物损伤超出核DNA。我们的模拟研究主要考虑不同类型的粒子(电子、质子和α),因为不属预定目标的影响已经观察到的辐射类型不同的线性能量转移(让)21]。部分2介绍了相关的理论背景和MC计算方法建模低能电磁在亚细胞尺度上的相互作用。我们现在和我们的初步结果讨论部分3在部分,并给出结论4。

2。的理论背景和计算方法

能量低于几keV,相关的电子散射在亚细胞尺度上,入射电子的波动性变得越来越重要。因此,事件的概率的非弹性散射电子必须来自电动力学而非力学。散射截面需要派生液态水,生物组织的主要成分。

Geant4软件工具包提供了最先进的能力的深度和范围基于蒙特卡罗方法模拟生物系统的辐射相互作用;新车型为低能电磁截面液态水可供nanodosimetry和电子轨道结构模拟。

2.1。低能电磁相互作用

非弹性散射的经典治疗的低能电子(36,37),阻止本领是制动力事件经历电子由于极化场诱导的媒介传播。电子能量损失和动量转移由介电函数决定描述了介质的电磁响应,入射电子造成的干扰。相应的非弹性电子散射微分截面可以表达的逆平均自由程: 在哪里和电子能量散射前后,分别动量传递,玻尔半径。电子的能量大与原子的能量相比,价电子大约可以被看作是免费的。使用电子等离子体介电响应在(1)给出了一个解决方案符合标准Bethe-Bloch阻止本领来自非相对论量子力学(36]。

量子治疗的非弹性电子散射微分截面可以写成(2,38,39] 在哪里和是原子的能量散射前后,分别和的转移矩阵电子原子系统的初始和最终状态之间的转换。的计算在第一个玻恩近似使用一个适当的库仑相互作用势(38)的收益率 在哪里的矩阵元素原子的偶极矩由于电子的空间密度分布。所有最终状态给下面的原子的极化率的关系:,在那里每单位体积是原子的数量。的关系然后恢复(1)[36,38,40]。

低能电子的非弹性散射的概率描述(1),需要决心生物组织,它已被证明具有挑战性。价电子在软物质不能被视为免费或几乎免费,因为它们是在金属和其他导体,所以常用Lindhard电子等离子体介电函数是一个贫穷的近似的集体反应分子电子束缚。此外,有效的分子间潜在的浓缩阶段作为一个屏幕事件引起的极化场电子,和集体可以delocalize能量沉积等离子体激发态。问题是缺乏直接测量数据进一步加剧了这种由于固有的实际困难与浓缩的分子靶点进行散射实验。尽管实验数据到目前为止仅可在光学限制(零动量转移),不过他们已经使改进的半经验的介电模型派生和扩展到有限动量转移域名,(即。,finite scattering angles; e.g., [41,42),和引用)。造型低能电子非弹性散射的另一种途径是使用的方法分波扩张,这是有关在低能量下,出生的平面波近似分解。当入射电子能量与原子电子的结合能,散射可以不再被视为一个小扰动系统和自由电子波函数(即。平面波)可以不再承担。冠军(43)派生新的理论结果使用分波的方法来描述水分子的电离低能电子。

2.2。Geant4

Geant4是一个开源软件工具包开发通用蒙特卡罗辐射传输模拟(44,45]。其面向对象的结构和方法使一个令人印象深刻的应用范围,从高能粒子物理和天体物理,医学物理学和成像。尤其是医学应用,快速增长和越来越多用途;Geant4模型已经发展为放疗场景(例如,近距离放射疗法,医用直线加速器束,hadrontherapy,内部和放射性核素剂量测定法),成像技术(如CT、发射断层扫描、电子门户成像),也为微型和nanodosimetry研究,包括电子轨道结构nanometric长度尺度。细胞微光束辐照实验也可以与Geant4建模。

除了标准的相互作用截面数据库(即原子碰撞。,NIST), Geant4 also provides additional low-energy electromagnetic classes with several choices of cross-section model data (e.g., Livermore, Penelope), including the new Geant4-DNA module (http://geant4-dna.org/),它可以显式模型所有交互事件作为离散过程(46]。这个扩展是专门为放射生物学和nanodosimetry应用程序,包括出生的半经验的模型(出口的实现。,部分2.1液态水的电离和激发电子,质子,阿尔法(和其他一些离子)有效能量到电动汽车尺度(42]。正在进行的新进展包括能力模型等关键辐射化学过程水辐解。

我们一直在使用Geant4开发一套在网上实验旨在让我们更好地理解物理过程的底层生物反应发生在细胞核外的辐射损伤。生物损伤,结构和功能都是由电离产生的自由基与内部和细胞间的信号。我们的模型表示第一个模拟研究,旨在直接寻址不属预定目标的生物反应引发的核DNA之外的辐射损伤。

3所示。结果与讨论

这里,我们现在三个独立研究的初步结果:(1)电子轨道结构在液态水nanometric尺度使用Geant4-DNA半经验的低能电子的激发和电离模型,(2)集群电离事件的空间分布产生的质子和遍历的光子通过亚细胞尺度体积的水,和(3)模拟细胞微光束辐照实验,显示局部能量沉积和电离分布在一个现实的细胞模型只有细胞质中由一个α粒子束辐照。

3.1。Nanometric电子轨道

图2显示了能量损失函数的情节(精灵),,为低能电子(出口的。1),和相应的电子轨道结构造成一个电子初始能量100电动汽车在10纳米立方体的液态水。能量的电子精灵绘制平面,称为“是岭”为液态水使用半经验模型计算了非弹性散射(41,42基于那些Geant4-DNA中实现。电子轨道结构使用模型模拟了弹性和非弹性电子散射中可用Geant4-DNA(出生的冠军和模型、职责)。这些模型的定量评价提出了Incerti et al (46]。是岭情节展示一位著名的高峰≃21个电动车,这是接近水的等离子体频率,在以前的研究已经指出[41,42]。然而,值得注意的是,其他非弹性渠道,如集体激发和自电离(47,48),不考虑在这个精灵。包括集体激发态plasmon-like共振能delocalize能量沉积的电子轨道。自电离是水分子的过程,在液相中,自发衰变。当入射电子兴奋,(H₂O)₂分子迅速分离,产生二次电子和H₂O⁺离子(49,50]。这些额外的能量损失如何处理可能会改变的形状是岭还不清楚,需要更多的理论工作。

3.2。电离集群分布

在这项研究中,我们使用Geant4单色的质子(版本9.4)模型和x射线铅笔光束入射在液体水立方,长度为40毫米的调查电离集群的分布和相对生物有效性的这些不同形式的辐射。光子相互作用与低能电磁建模包(根据利弗莫尔数据库),包括流程的光电效应,康普顿散射,瑞利散射,对生产。在质子的情况下,标准的电磁方案模型被用来质子和中子电离和多次散射模型兆电子伏。在这两种情况下,质子和电子能量< 200伏和< 10 keV,分别在水介质输送到几eV,使用Geant4-DNA模型扩展。电子电离的过程,激发和弹性散射(冠军弹性模型)和较低的能量限制包括激发和弹性散射模型设置为8.23 eV (51]。低能质子的物理过程(< 10兆电子伏)包括电荷减少,激发和电离(52,53]。仿真产生的电离压几个纳米大小的不同时间点粒子沿轨迹(集群大小分布)。

数据3和4显示事件的集群电离分布200伏100 keV铅笔铅笔束质子和入射光束光子,分别。每个粒子的总数类型选择给大约相同的剂量沉积在水中幻影。电离发生的数量在nanometric体素(集群大小分布),维度2×2海里,显示在两个不同的深度在水中幻影:0.25毫米为光子质子和20毫米。在每种情况下,故事情节的电离集群飞机。这一事件铅笔光束沿设在和colourbar显示了每个体素的电离数。为200伏质子,0.25毫米的深度也在布拉格峰之前,但大量的电离仍明显,主要集中在梁(由图3)。光子另一方面显示很少电离在同一深度。的数量在20毫米深度,然而,附近的电离产生的光束与质子在0.25毫米深度虽然多散射产生更广泛传播的电离离梁,梁轴周围的集群分布非常相似。这表明100 keV光子有类似可能造成生物的伤害200伏质子。

3.3。细胞微光束辐照

图5显示了我们的细胞微光束辐照模拟的可视化和相应的直方图每个事件的电离粒子在细胞质中。仿真是基于微光束在Geant4(9.4版),这是仿照细胞照射beamline设施配置提供一束3伏阿尔法粒子集中到5μ米直径。细胞几何voxelized 3 d模型是基于人类的角化细胞细胞系。看到Incerti et al。54为更多的细节。

在我们的模拟中,梁是流离失所的不平衡的,所以只有细胞质核辐照而不是。我们使用了利弗莫尔的物理过程,而不是Geant-DNA,因为这让我们调查的影响化学成分(Geant4-DNA过程只能在液体水)。利弗莫尔的过程是有效的250 eV,对应一个物理比例尺~ 30 nm。细胞胞浆和核是基于现实的化学成分的密度1 g厘米⁻³。细胞质是氧的质量分数成分(≃58%),碳(≃20%)、氢(≃9%)、氮(≃8.5%),和磷(≃4.5%)。主要的质量分数核材料的成分是氧(≃74.5%)和氢(≃11%),较低的碳(≃9%)、氮(≃3%),和磷(≃2.5%)相比,细胞质(55]。此外,许多局部overdensities (10 g厘米⁻³)用同样的材料内容细胞核也分布在细胞质中。这些子结构,这可能代表细胞器,影响电离直方图(图5)通过减少电离/事件的平均数量。这可以归因于合并后的化学成分和密度的影响。尽管子结构目标的氧含量越高,相对较低的原子序数的元素如碳和氮高,对其余的细胞质,结果在整个低意味着激发能和电离的概率增加。子结构的更高的密度增加了每个入射粒子的电离数。材料密度影响电离的总体频率。这个结果表明化学成分和密度的重要性确定电离事件的可能性,因此,生产自由基物种在一个真正的细胞和亚细胞结构,如细胞器膜,大分子和其他蛋白质。

图6显示了平均能量沉积的二维投影/体素和细胞微光束辐照电离事件模拟。每个事件的平均特定能量沉积是0.08公斤⁻¹。意味着能量的空间分布沉积显然与电离分布在细胞质中。发行版都是本地化但展览传播在5μ由于分散二级电子束。特别是有限数量的电离也发现发生在细胞和核细胞膜,结构损伤可以损害membrane-mediated国米和胞内信号(即。通过结合配体,分子扩散通过缝隙连接)。在细胞质内,发生电离,细胞器会影响蛋白质和大分子的释放,导致功能损害。这些细胞器的实际物理模型,包括它们的空间分布在细胞、分子组成、密度、和大小,需要更好的量化电离的概率。

当前模型的一个限制是它采用交互基于原子而不是分子碰撞的概率。这意味着它不是目前能够模拟关键的直接生产氢化自由基(OH等自由基物种⁻)和超氧化物阴离子(),是涉及内部和细胞间的信号。然而,初步模型模拟水辐解分子和自由基物种的扩散实现Geant4的最新版本(版本9.5)。我们注意到数密度的陡坡电离图6建议迅速扩散,辐射分解产品跨区域的细胞。我们的目标是探索未来的工作。

4所示。结论

我们已经提出了一系列的初步结果的摘要模拟研究调查不属预定目标的反应使用Geant4辐射。我们研究低能电磁相互作用表明,二次电子,电动汽车的能量远低于100,可以电离和激发液态水nanometric鳞片。然而,还需要更多的理论工作,使集体激发和造型自电离分子水和其他分子如membrane-mediated脂质相关信号。这样的造型将使更多的定量评价细胞功能障碍的可能性,溶解,或死亡造成主要损害膜和膜结合细胞器(如溶酶体,线粒体)在整个细胞。

我们还研究了电离的角色没有假设集群在纳米尺度上液态水先天的一个核DNA的目标。我们的研究结果表明,低能量光子能产生集群电离分布类似于由质子,建议类似的可能造成生理伤害。这对情况如放射治疗有重要意义,在二级低能光子产生丰富的,可以很容易地达到肿瘤周围正常组织。

我们的模拟研究核外微光束辐照一个现实的细胞显示化学成分和细胞密度的重要性子结构在决定由电离辐射损伤的程度。尽管尚不可能明确Geant4内模拟分子自由基物种的生产涉及信号,电离事件的空间分布在细胞核暗示可能的结构和功能损害,将引发损坏反应信号的细胞。在未来的工作中,我们计划利用Geant4的持续发展,特别是发展能力模型水辐解和自由基扩散。