科技日報記者 頡滿斌

3月14日，記者從中國科學(xué)院近代物理研究所獲悉，該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)成果發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《物理評論X》上，并被美國物理學(xué)會Physics雜志在線報道。

重離子治癌是利用重離子束流殺死癌細(xì)胞的一種放射治療技術(shù)，是目前最先進的放射治療手段。自1946年科學(xué)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(xué)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(xì)胞的殺傷能力比X射線等傳統(tǒng)放射治療手段大2至3倍。而且重離子放療能直接導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞DNA的雙鏈斷裂，生物學(xué)效應(yīng)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?！?/p>

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。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(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。  

研究團隊首次觀測到，當(dāng)重離子輻照水分子時，會誘發(fā)它和生物分子間的分子間庫侖衰變（ICD）過程。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)生也具有殺傷力的羥基自由基（HO）。

一般認(rèn)為，內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(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。 

“此次發(fā)現(xiàn)的微觀機制，是重離子生物學(xué)效應(yīng)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(yōu)化癌癥治療策略、促進放射治療新技術(shù)的發(fā)展。”中國科學(xué)院近代物理研究所馬新文研究員表示。

該研究由中國科學(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。 

（中國科學(xué)院近代物理研究所供圖）