科学家揭示重离子治癌重要微观机理

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3月14日，记者从中国科学院近代物理研究所获悉，该科研人员及合作者在重离子治癌微观机理研究方面取得重要进展，首次在生物分子团簇中观测到重离子辐照导致的分子间能量及质子转移级联机制。该机制被认为是重离子治癌生物学效应优异的重要原因。相关成果发表在物理学顶级期刊《物理评论X》上，并被美国物理学会Physics杂志在线报道。
重离子治癌是利用重离子束流杀死癌细胞的一种放射治疗技术，是目前最先进的放射治疗手段。自1946年科学家提出用重离子治疗肿瘤以来，全球已有超过五万例患者接受了重离子治疗。
中国科学院近代物理研究所许慎跃研究员介绍：“在相同的剂量下，重离子对癌细胞的杀伤能力比X射线等传统放射治疗手段大2至3倍。而且重离子放疗能直接导致肿瘤细胞DNA的双链断裂，生物学效应明显更高。但究竟是什么微观机制在其中起到了重要作用，长期以来并不明确。”
为了深入探究这一问题，科研人员发展了先进的混合团簇源技术，选取DNA中的一种基本结构单元——嘧啶分子作为模型。研究团队把水分子和嘧啶分子合在一起，制备了尺寸可控的水合嘧啶团簇来模拟机体组织环境。该实验在兰州重离子加速器冷却储存环和320 kV高电荷态离子综合研究平台完成。  
研究团队首次观测到，当重离子辐照水分子时，会诱发它和生物分子间的分子间库仑衰变（ICD）过程。内壳层电离的水分子通过ICD将能量传递给嘧啶分子，导致嘧啶分子电离并释放一个低能电子。ICD过程还会进一步诱发水分子之间的质子转移，产生也具有杀伤力的羟基自由基（HO）。
一般认为，内壳层电离的水分子并不直接作用于DNA，而是通过自身解离的方式衰变。但此项研究表明，机体组织中内壳层电离的水分子能够直接作用于DNA将其电离，同时还会在DNA周围产生有杀伤力的次级粒子。这一过程增大了DNA双链同时被破坏的可能性。此外，重离子辐照引起水分子内壳层电离的比例，显著高于电子、X射线和质子等其它射线。
“此次发现的微观机制，是重离子生物学效应高的重要原因。这项研究可以帮助我们深入理解辐射损伤的分子机制，有助于在未来优化癌症治疗策略、促进放射治疗新技术的发展。”中国科学院近代物理研究所马新文研究员表示。
该研究由中国科学院近代物理研究所主导，联合俄罗斯伊尔库茨克国立大学、德国海德堡大学、中国科学技术大学、西安交通大学和兰州大学等单位共同完成。