电离辐射诱导 DNA 损伤的分子动力学模拟

我们提出了一个多尺度模拟，研究由电子和质子产生的羟基 ($^\bullet$OH) 自由基的间接作用导致的早期 DNA 损伤阶段。计算方法包括将 Geant4-DNA 蒙特卡罗软件与 ReaxFF 分子动力学软件接口。采用聚类方法将从电离径迹结构中提取的 $^\bullet$OH 自由基坐标映射到填充有 DNA 和水分子的纳米级模拟体素上。分子动力学模拟提供了各个模拟体素中的时间演化和化学反应，以及 accounted for DNA-$^\bullet$OH 化学反应的能量景观，这对于原则上枚举由小于临界尺寸（约 2-3 \AA）的离子簇引起的氢提取、化学键断裂和 DNA 损伤至关重要。我们表明，断键的形成导致 DNA 碱基和骨架损伤，这些损伤共同传播导致 DNA 单链和双链断裂。为了说明该方法，我们专注于初始能量为 1 MeV 的粒子。我们的研究揭示了低能电子和质子诱导的 DNA 损伤存在定性差异。电子主要产生分散在细胞体积中的小 $^\bullet$OH 自由基袋。相比之下，质子沿平行于粒子方向的直线产生较大的簇。在标度线性极限下，单个质子和电子径迹诱导的 DNA 双链断裂总数之比确定为 $\approx$ 4。本工作中开发的工具未来可用于研究放射治疗中使用的轻离子和重离子的相对生物效应。