离子诱导激波导致细胞中致死性DNA损伤

阐明离子诱导生物系统辐射损伤的基本机制对于离子束放疗的推进及空间辐射防护至关重要。利用基于现象的离子辐射损伤物理多尺度方法(MSA)研究离子诱导生物损伤，已预测出高线性能量转移(LET)下离子在生物介质中产生的纳米尺度激波(SW)。对应于能量损失高于1 keV/nm的高LET regime，是生物介质中布拉格峰区域重于碳的离子的典型情况。本文揭示，离子诱导SW对DNA分子的热机械应力成为高LET离子辐照下复杂DNA损伤的主导机制。通过反应分子动力学模拟研究了水中DNA分子由离子诱导SW引起的损伤。考虑了布拉格峰能量下的五种入射离子(C、O、Si、Ar和Fe)。模拟显示Ar尤其是Fe离子在含20个碱基对的DNA片段中诱导多处断键。此类尺寸片段中的DNA损伤导致细胞内复杂的不可修复病变。这使得SW诱导的热机械应力成为高LET离子辐照下复杂DNA损伤的主导机制。本文阐述了评估高LET下离子所致DNA损伤的详细理论，并将其整合入MSA形式体系。理论分析表明，高LET下单个离子击中细胞核即足以通过SW诱导的热机械应力对细胞产生高度复杂、致死性的损伤。计算得到的细胞存活概率与铁离子辐照细胞的实验数据吻合良好，为离子诱导SW效应提供了有力的实验证据。