FLASH 超高剂量率放疗中的氧耗竭：一项分子动力学模拟
医学物理
2021-06-09 v1 介观与纳米尺度物理
生物物理
化学物理
计算物理
摘要
我们提出了一项第一性原理分子动力学（MD）模拟，并阐明了一种氧耗竭假说的机制，以解释在超高剂量率（UHDR）FLASH 放疗中观察到的正常组织损伤减轻现象。我们模拟了一段 DNA（也代表其他生物分子如 RNA 和蛋白质）在充满 HO 和 O 分子的模拟盒子中的损伤。阿秒尺度的物理相互作用（电离、电子与振动激发）通过使用蒙特卡洛径迹结构代码 Geant4-DNA 进行模拟。电离后立即采用{\it ab initio} Car-Parrinello 分子动力学（CPMD）模拟来识别 DNA 分子周围哪些 HO 和 O 分子被转化为活性氧物种（ROS）。随后，利用带反应力场（ReaxFF）的 MD 模拟 ROS 的飞秒至纳秒反应，以说明由于 ROS 间强耦合而合并为新型非反应性氧物种（NROS）。时间依赖分子模拟揭示了 UHDR 下生成的 ROS 间形成亚稳态且瞬时的意大利面状复合物。在 UHDR 产生的较高 ROS 密度下，通过羟基（\ce{^{.}OH}）自由基间的吸引电极性力、氢键和磁偶极-偶极相互作用，产生链状 stranded 结构（即 NROS）。与常规剂量率（CDR）下生成的孤立且稀疏的 ROS 相比，NROS 往往比细胞生物分子流动性更差。我们将此效应归因于每条粒子径迹所诱导的生物分子损伤受到抑制。在给定氧水平下，随着剂量率增加，NROS 链的尺寸与数量增加，相应地有毒 ROS 组分的数量减少。
引用
@article{arxiv.2010.00744,
title = {Oxygen depletion in FLASH ultra-high-dose-rate radiotherapy: A molecular dynamics simulation},
author = {Ramin Abolfath and David Grosshans and Radhe Mohan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2010.00744},
year = {2021}
}