Pažeidimų priežastys protonų spindulinės terapijos metu buvo išaiškintos DNR elektronų sužadinimo reakcijos į protonų spinduliuotę tyrimais. Remiantis radiacinės biologijos jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio žmonių sveikatai tyrimais, dezoksiribonukleino rūgštis (DNR) yra pagrindinis žalingo radiacijos poveikio taikinys. Jonizuojanti spinduliuotė gali sukelti reikšmingą vietinį energijos kaupimąsi DNR ir sukelti dvigubos spiralės pertraukas, kurios gali sukelti mutacijas, chromosomų anomalijas ir genų ekspresijos pokyčius. Norint sukurti spindulinį gydymą ir tobulinti radiacinės saugos priemones, labai svarbu suprasti šios sąveikos mechanizmus.
Christopheris Shepardas iš Šiaurės Karolinos universiteto Chapel Hill ir kolegos naudoja galingą kompiuterinį modeliavimą, kad tiksliai parodytų, kuri DNR molekulės dalis sugeria kenksmingą energiją, kai ją veikia įkrautų dalelių spinduliuotė. Jo tyrimai vieną dieną gali padėti sumažinti ilgalaikį vėžio gydymo ir žmonių skrydžio į kosmosą spinduliuotės poveikį.
Spinduliuotės sąveika su elektrine DNR struktūra reikalauja sudėtingo proceso. Tikslios šių sąveikų dinamikos atominiu lygiu neužfiksuoja kompiuteriniai modeliai, šiuo metu naudojami radiobiologijoje ir terapinėje radioterapijoje. Vietoj to, šie modeliai nustato, ar spinduliuotės dalelė, pavyzdžiui, fotonas ar jonas, kertantis ląstelės tūrį, perduos pakankamai energijos, kad sulaužytų vieną ar abi DNR grandines, naudojant geometrines dalis. Modeliai tik pateikia tikimybę, kad ląstelių populiacija nustos daugintis, gavusi tam tikrą spinduliuotės dozę, neaprašant sąveikos atominiame lygmenyje.
Jonizuojanti spinduliuotė, kuri gali inaktyvuoti ląsteles, gali būti naudojama naviko augimui sustabdyti. Tiesą sakant, spinduliuotė vis dar yra vienas iš dažniausiai naudojamų vėžio gydymo būdų. Tačiau, kai naudojamas vėžiui gydyti, gydymas gali turėti neigiamą poveikį sveikiems audiniams. Didelės energijos fotonai greitai praranda energiją po to, kai patenka į organizmą gama ir rentgeno spindulių terapijos metu. Kita vertus, įkrautos dalelės, naudojamos sunkiųjų jonų radioterapijoje, praranda didžiąją dalį energijos artėjant kelionės atstumo pabaigai. Ypač greitai judančių dalelių atveju dėl šio didelio energijos praradimo labai mažu atstumu smarkiai padidėja ribotame tūryje sukaupta energija.
Galimybė tiksliai nukreipti naviko formą ir gylį įkrautų dalelių pluoštu leidžia radioterapeutams sumažinti žalą sveikiems audiniams už naviko ribų, kartu tausojant sveikus audinius prieš naviką. Dėl savo selektyvumo sunkiųjų jonų spinduliuotė yra moderniausias gydymo metodas, galintis išgydyti piktybinius navikus, kurie nebėra laikomi nepagyjamais įprastiniais gydymo būdais.
Kulono sąveika tarp elektronų orbitų yra atsakinga už didžiąją dalį energijos, kurią įkrauta dalelė perduoda į terpę. Sąvoka „spinduliavimą stabdanti galia“ reiškia medžiagos gebėjimą atidėti arba sustabdyti įkrautas daleles, tokias kaip elektronai ar jonai, kai jos praeina pro ją. Vidutinė energija, reikalinga atomui ar molekulei jonizuoti terpėje, dažnai naudojama šiam pajėgumui išmatuoti.
Spindulinės terapijos veiksmingumas turėtų būti įvertintas išmatuojant medžiagos stabdymo jėgą. Stabdymo galia paprastai išreiškiama energija, sunaudojama vienam biologinių audinių judesio milimetrui. Kadangi DNR molekulės vidutinis plotis yra 2 nm, šiuo metu neįmanoma išmatuoti stabdymo galios DNR skalėje.
Shepardas ir kolegos išmatavo energijos perdavimą iš didelės energijos protonų į ištirpusią DNR arba DNR tirpalą, suskaidytą į cukraus-fosfato šonines grandines ir nukleobazės pagrindo komponentus, naudodami didelio masto skaičiavimo modeliavimą superkompiuteriuose. Jie įvertino DNR sistemos molekulinį sudėtingumą naudodami nuo laiko priklausomą tankio funkcinę teoriją (DFT). DFT yra skaičiavimo metodas, naudojamas elektroninei kietųjų kūnų, molekulių ir atomų sudėties tyrimams. Jis pagrįstas idėja, kad viena funkcija, apibūdinanti sistemos elektronų tankį, gali numatyti kelių elektronų sistemos savybes.
Užuot išsprendęs Schrödingerio lygtį kiekvienam sistemos elektronui, DFT naudoja prielaidas, kad atsižvelgtų į elektronų sąveiką, todėl tai yra veiksmingas metodas didelių sistemų elektroninei struktūrai nustatyti. Sudėtingų sistemų, kurių nebuvo įmanoma ištirti naudojant įprastus metodus, elektrinės struktūros apskaičiavimas dabar įmanomas dėl apytikslių skaičiavimų.
Tyrėjai naudojo modeliavimą, kad apibūdintų bendrą ištirpusios DNR sistemos energiją kaip matematinę funkciją, priklausančią nuo elektronų tankio. Elektronų tankiui apskaičiuoti gali būti naudojama sistemos banginė funkcija, kuri nusako tikimybę tam tikroje padėtyje rasti elektroną su tam tikru sukiniu. Naudodami šį metodą, jie atrado, kad elektronų poslinkis yra labai lokalizuotas per visą protono kelionę ir yra daug didesnis orbitose, esančiose arčiau fosfatų grandinių. Didesnis poslinkis reiškia, kad cukraus ir fosfato DNR stuburas sugeria daugiau energijos nei nukleobazės.
Modeliavimas verčia abejoti populiariu įsitikinimu, kad stabdymo galia yra atvirkščiai proporcinga terpėje padarytų skylių tankiui. Atsižvelgdami į savo išvadas, Shepardas ir kolegos teigia, kad ištirpusios DNR terpės stabdymo gebėjimas taip pat priklauso nuo sukurtų skylių energijos. Remiantis jų išvadomis, cukraus ir fosfato stuburas pasižymi didesniu elektronų skylių generavimo dažniu, dėl kurio gali susidaryti labai kenksmingi laisvieji radikalai. Vandeniniai atomai arba molekulės, kurios turi nesuporuotą valentinį elektroną ir todėl labai reaguoja su vietine aplinka, yra žinomi kaip laisvieji radikalai. Radikalams reaguojant su cukraus ir fosfato stuburu, viena ar kelios DNR grandinės ilgainiui gali nutrūkti.
Šis darbas parodo didelio našumo, kelių branduolių kompiuterių vertę ir galią, skirtą tirti sudėtingą sąveikos dinamiką, kurią kitu atveju sunku atkurti laboratorijoje. Išvados padeda užpildyti žinių atotrūkį tarp radiobiologijos ir įkrautų dalelių transportavimo fizikos, nustatant, kur įkrautos dalelės sukoncentruoja didžiąją dalį savo energijos DNR molekulėje. Tačiau priimti tyrimo rezultatus reikėtų atsargiai, kol nebus gauta išsamių empirinių įrodymų, patvirtinančių tyrėjų hipotezes. Terapinės jonizuojančiosios spinduliuotės veiksmingumą galima pagerinti geriau suprantant DNR pažeidimo mechanizmus. Jie taip pat gali sukurti apsaugą, pvz., naujus vaistus, nuo žalingo jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio sveikoms ląstelėms.
Šaltinis: physics.aps.org/articles/v16/41
Günceleme: 14/03/2023 13:13