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重要進展，首次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。該機制被認為是重離子治癌生物學效應優異的重要原因。

▲重離子輻照誘發分子間級連衰變示意圖 （中國科學院近代物理研究所供圖）

重離子治癌是利用重離子束流殺死癌細胞的一種放射治療技術，是目前最先進的放射治療手段。自1946年科學家提出用重離子治療腫瘤以來，全球已有超過五萬例患者接受了重離子治療。

中國科學院近代物理研究所許慎躍研究員介紹：“在相同的劑量下，重離子對癌細胞的殺傷能力比X射線等傳統放射治療手段大2至3倍。而且重離子放療能直接導致腫瘤細胞DNA的雙鏈斷裂，生物學效應明顯更高。但究竟是什么微觀機制在其中起到了重要作用，長期以來并不明確。”

為了深入探究這一問題，科研人員發展了先進的混合團簇源技術，選取DNA中的一種基本結構單元——嘧啶分子作為模型。研究團隊把水分子和嘧啶分子合在一起，制備了尺寸可控的水合嘧啶團簇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320 kV高電荷態離子綜合研究平臺完成。

研究團隊首次觀測到，當重離子輻照水分子時，會誘發它和生物分子間的分子間庫侖衰變（ICD）過程。內殼層電離的水分子通過ICD將能量傳遞給嘧啶分子，導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水分子之間的質子轉移，產生也具有殺傷力的羥基自由基（HO）。

▲安裝在蘭州重離子加速器冷卻儲存環的反應顯微成像譜儀 （中國科學院近代物理研究所供圖）

一般認為，內殼層電離的水分子并不直接作用于DNA，而是通過自身解離的方式衰變。但此項研究表明，機體組織中內殼層電離的水分子能夠直接作用于DNA將其電離，同時還會在DNA周圍產生有殺傷力的次級粒子。這一過程增大了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殼層電離的比例，顯著高于電子、X射線和質子等其它射線。

“此次發現的微觀機制，是重離子生物學效應高的重要原因。這項研究可以幫助我們深入理解輻射損傷的分子機制，有助于在未來優化癌癥治療策略、促進放射治療新技術的發展。”中國科學院近代物理研究所馬新文研究員表示。

該研究由中國科學院近代物理研究所主導，聯合俄羅斯伊爾庫茨克國立大學、德國海德堡大學、中國科學技術大學、西安交通大學和蘭州大學等單位共同完成。

來源：科技日報

責任編輯：宋同舟