研究揭示重離子治癌重要微觀機理

發布時間：2025-03-17 14:38 原文鏈接：研究揭示重離子治癌重要微觀機理

　　中國科學院近代物理研究所科研人員及合作者，在重離子治癌微觀機理研究方面取得進展。該團隊在生物分子團簇中觀測到重離子輻照導致的分子間能量及質子轉移級聯機制。這一機制被認為是重離子治癌生物學效應優異的重要原因。

　　當前，重離子治癌是最先進的放射性治療手段之一。重離子治癌的生物學效應優于X射線等傳統放射療法，但這一特性的微觀機理尚不清晰。為研究這一問題，科研人員發展先進的混合團簇源技術，選取DNA中基本結構單元即嘧啶分子作為模型，制備出尺寸可控的水合嘧啶團簇（C4H4N2-nH2O）來模擬機體組織環境。

　　該實驗在蘭州重離子加速器冷卻儲存環和320kV高電荷態離子綜合研究平臺完成，并利用反應顯微成像譜儀探測末態電子和離子碎片。實驗清晰辨別了團簇尺寸，獲得了電子和碎片離子動能分布。

　　實驗結果顯示，重離子輻照導致低能電子產額增強。研究結合分子能級計算和動力學模擬等理論手段分析發現，水分子與嘧啶分子之間的分子間庫侖衰變導致觀察到的電子增強現象。內殼層電離的水分子通過分子間庫侖衰變將能量傳遞給嘧啶分子，使得嘧啶分子電離并釋放一個低能電子。分子間庫侖衰變過程會進一步誘發水分子之間的質子轉移，產生強氧化性的羥基自由基。

　　一般認為，內殼層電離的水分子主要通過自身解離方式衰變，并不直接作用于DNA。但是，該研究表明，機體組織中內殼層電離的水分子能夠直接作用于DNA并將其電離，在其鄰近區域倍增出低能電子和羥基自由基等有殺傷力的次級粒子。這一級連衰變過程增大了DNA雙鏈同時被破壞的可能性。同時，重離子輻照使水分子內殼層電離的比例高于電子、X射線和質子等其他射線。

　　該研究發現的分子間能量及質子轉移級連衰變機制是重離子輻照的生物學效應優于其他放射療法的重要原因之一。同時，這一微觀機制對探討輻射損傷的分子機制以及促進放射治療新技術的發展等具有重要意義。

　　3月11日，相關研究成果作為亮點論文，發表在《物理評論X》（Physics Review X）上，并被美國物理學會Physics雜志在線報道。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院相關項目以及俄羅斯聯邦科學教育部等的支持。該工作由近代物理所主導，聯合中國科學技術大學、西安交通大學、蘭州大學、俄羅斯伊爾庫茨克國立大學、德國海德堡大學等共同完成。