近日，中國科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研人員及合作者在重離子治癌微觀機理研究方面取得重要進展，首次在生物分子團簇中觀測到重離子輻照導(dǎo)致的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移級聯(lián)機制。該機制被認(rèn)為是重離子治癌生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)異的重要原因。相關(guān)成果于3月11日作為亮點論文發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊Physics Review X，并被美國物理學(xué)會Physics雜志在線報道。

重離子治癌是目前最先進的放射性治療手段，其生物學(xué)效應(yīng)顯著優(yōu)于X射線等傳統(tǒng)放射療法，導(dǎo)致這一特性的微觀機理目前尚不清晰。為了深入探究這一問題，科研人員發(fā)展了先進的混合團簇源技術(shù)，選取DNA中的一種基本結(jié)構(gòu)單元——嘧啶分子作為模型，制備了尺寸可控的水合嘧啶團簇（C₄H₄N₂-nH₂O）來模擬機體組織環(huán)境。

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

實驗結(jié)果顯示重離子輻照會導(dǎo)致低能電子產(chǎn)額顯著增強。結(jié)合分子能級計算和動力學(xué)模擬等理論手段的分析，發(fā)現(xiàn)是水分子與嘧啶分子之間的分子間庫侖衰變（ICD）導(dǎo)致了觀察到的電子增強現(xiàn)象。內(nèi)殼層電離的水分子通過ICD將能量傳遞給嘧啶分子，導(dǎo)致嘧啶分子電離并釋放一個低能電子。ICD過程還會進一步誘發(fā)水分子之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生強氧化性的羥基自由基（HO）。

一般認(rèn)為，內(nèi)殼層電離的水分子主要通過自身解離的方式衰變，并不直接作用于DNA。但此項研究表明，機體組織中內(nèi)殼層電離的水分子能夠直接作用于DNA將其電離，同時還在其鄰近區(qū)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。此外，重離子輻照引起水分子內(nèi)殼層電離的比例，顯著高于電子、X射線和質(zhì)子等其它射線。因此，本工作發(fā)現(xiàn)的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移級連衰變機制，是重離子輻照的生物學(xué)效應(yīng)顯著優(yōu)于其它放射療法的重要原因之一。該微觀機制的發(fā)現(xiàn)對理解輻射損傷的分子機制和促進放射治療新技術(shù)的發(fā)展等具有重要意義。

該工作由中國科學(xué)院近代物理研究所主導(dǎo)，聯(lián)合俄羅斯伊爾庫茨克國立大學(xué)、德國海德堡大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西安交通大學(xué)和蘭州大學(xué)等單位共同完成。論文第一作者為近代物理所博士生高岳，共同第一作者還包括俄羅斯伊爾庫茨克大學(xué)Anna D. Skitnevskaya博士和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王恩亮研究員。近代物理所許慎躍研究員和馬新文研究員為共同通訊作者。

該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委和俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)教育部等項目的支持。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.011053

Physics雜志報道：

https://physics.aps.org/articles/v18/s32

圖1：蘭州重離子加速器大科學(xué)裝置和反應(yīng)顯微成像譜儀示意圖（圖源/近代物理所）

圖2：重離子輻照誘發(fā)分子間級連衰變示意圖 （圖源/近代物理所）

（原子分子結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究室 供稿）