Bojājumu cēloņi protonu staru terapijas laikā ir noskaidroti, veicot pētījumus par DNS elektronu ierosmes reakciju uz protonu starojumu. Saskaņā ar pētījumiem par jonizējošā starojuma ietekmi uz cilvēka veselību radiācijas bioloģijas jomā, dezoksiribonukleīnskābe (DNS) ir galvenais starojuma kaitīgās ietekmes mērķis. Jonizējošais starojums var izraisīt ievērojamu lokalizētu enerģijas uzkrāšanos DNS, izraisot dubultās spirāles pārtraukumus, kas var izraisīt mutācijas, hromosomu anomālijas un izmaiņas gēnu ekspresijā. Lai izveidotu staru ārstēšanu un uzlabotu aizsardzības pret radiāciju pasākumus, ir ļoti svarīgi saprast mehānismus, kas ir šīs mijiedarbības pamatā.
Kristofers Šepards no Ziemeļkarolīnas Universitātes Chapel Hill un viņa kolēģi izmanto jaudīgas datorsimulācijas, lai precīzi parādītu, kura DNS molekulas daļa absorbē kaitīgo enerģiju, pakļaujoties lādētu daļiņu starojumam. Viņa pētījumi kādu dienu var palīdzēt samazināt vēža ārstēšanas un cilvēku kosmosa lidojumu ilgtermiņa starojuma ietekmi.
Starojuma mijiedarbība ar DNS elektrisko struktūru prasa sarežģītu procesu. Šo mijiedarbību precīzo dinamiku atomu līmenī nevar uztvert datormodeļi, ko pašlaik izmanto radiobioloģijā un terapeitiskajā staru terapijā. Tā vietā šie modeļi nosaka, vai starojuma daļiņa, piemēram, fotons vai jons, kas šķērso šūnas tilpumu, pārraidīs pietiekami daudz enerģijas, lai salauztu vienu vai abas DNS virknes, izmantojot ģeometriskas sadaļas. Modeļi dod tikai varbūtību, ka šūnu populācija pārtrauks vairoties pēc noteiktas starojuma devas saņemšanas, neaprakstot mijiedarbību atomu līmenī.
Jonizējošo starojumu, kas spēj inaktivēt šūnas, var izmantot, lai apturētu audzēja augšanu. Patiesībā starojums joprojām ir viens no visbiežāk izmantotajiem vēža ārstēšanas veidiem. Tomēr, ja to lieto vēža ārstēšanai, ārstēšana var nelabvēlīgi ietekmēt veselus audus. Augstas enerģijas fotoni ātri zaudē enerģiju pēc tam, kad tie nonāk organismā gamma staru un rentgena terapijā. No otras puses, lādētās daļiņas, ko izmanto smago jonu staru terapijā, zaudē lielāko daļu enerģijas, tuvojoties brauciena attāluma beigām. Īpaši ātri kustīgām daļiņām šis lielais enerģijas zudums ļoti nelielā attālumā izraisa ievērojamu enerģijas pieaugumu, kas uzkrāts ierobežotā tilpumā.
Spēja precīzi noteikt audzēja formu un dziļumu ar uzlādētu daļiņu staru, ļauj staru terapijas speciālistiem samazināt bojājumus veseliem audiem ārpus audzēja, vienlaikus saudzējot veselus audus audzēja priekšā. Pateicoties savai selektivitātei, smago jonu starojums ir vismodernākā terapeitiskā pieeja, kas var izārstēt ļaundabīgos audzējus, kas vairs netiek uzskatīti par neārstējamiem ar tradicionālo ārstēšanu.
Kulona mijiedarbība starp elektronu orbitālēm ir atbildīga par lielāko daļu enerģijas, ko uzlādēta daļiņa pārnes uz vidi. Termins "starojuma aizturēšanas spēks" attiecas uz materiāla spēju aizkavēt vai apturēt lādētas daļiņas, piemēram, elektronus vai jonus, kad tās iet cauri. Šīs jaudas mērīšanai bieži izmanto vidējo enerģiju, kas nepieciešama atoma vai molekulas jonizēšanai vidē.
Staru terapijas efektivitāte jānovērtē, mērot vielas apturēšanas spēku. Apturēšanas jaudu parasti izsaka kā enerģiju, kas iztērēta uz bioloģisko audu kustības milimetru. Tā kā DNS molekulas vidējais platums ir 2 nm, pašlaik nav iespējams izmērīt apturēšanas spēku pēc DNS skalas.
Šepards un kolēģi mērīja enerģijas pārnesi no augstas enerģijas protoniem uz izšķīdušu DNS vai DNS šķīdumu, kas sadalīts cukura-fosfāta sānu ķēdēs un nukleobāzes mugurkaula komponentos, izmantojot liela mēroga skaitļošanas simulāciju superdatoros. Viņi novērtēja DNS sistēmas molekulāro sarežģītību, izmantojot no laika atkarīgo blīvuma funkcionālo teoriju (DFT). DFT ir skaitļošanas tehnika, ko izmanto, lai izpētītu cietvielu, molekulu un atomu elektronisko sastāvu. Tā pamatā ir ideja, ka viena funkcija, kas raksturo sistēmas elektronu blīvumu, var paredzēt daudzelektronu sistēmas īpašības.
Tā vietā, lai atrisinātu Šrēdingera vienādojumu katram sistēmas elektronam, DFT izmanto pieņēmumu kopumu, lai ņemtu vērā mijiedarbību starp elektroniem, padarot to par efektīvu metodi lielu sistēmu elektroniskās struktūras noteikšanai. Pateicoties tuvinājumiem, tagad ir iespējams aprēķināt elektrisko struktūru sarežģītām sistēmām, kuras nebija iespējams izpētīt, izmantojot parastās metodes.
Pētnieki izmantoja simulācijas, lai aprakstītu izšķīdušās DNS sistēmas kopējo enerģiju kā matemātisko funkciju, kas atkarīga no elektronu blīvuma. Elektronu blīvuma aprēķināšanai var izmantot sistēmas viļņu funkciju, kas apraksta varbūtību atrast elektronu ar noteiktu spinu noteiktā pozīcijā. Izmantojot šo metodi, viņi atklāja, ka elektronu pārvietošanās ir ļoti lokalizēta visā protonu ceļojumā un ir daudz augstāka orbitālēs, kas atrodas tuvāk fosfātu ķēdēm. Lielāka pārvietošanās nozīmē, ka DNS cukura-fosfāta mugurkauls absorbē vairāk enerģijas nekā nukleobāzes.
Simulācijas rada šaubas par populāro uzskatu, ka apturēšanas spēks ir apgriezti proporcionāls vidē izveidoto caurumu skaitliskajam blīvumam. Ņemot vērā savus atklājumus, Šepards un kolēģi apgalvo, ka izšķīdušās DNS barotnes apturēšanas spēja ir atkarīga arī no izveidoto caurumu enerģijas. Saskaņā ar viņu atklājumiem cukura-fosfāta mugurkaulam ir augstāka elektronu caurumu ģenerēšanas frekvence, kas var izraisīt nopietni kaitīgu brīvo radikāļu veidošanos. Ūdens atomi vai molekulas, kurām ir nesapārots valences elektrons un tāpēc ir ļoti reaģējošas ar vietējo vidi, ir pazīstamas kā brīvie radikāļi. Tā kā radikāļi reaģē ar cukura-fosfāta mugurkaulu, viena vai vairākas DNS virknes galu galā var saplīst.
Šis darbs parāda augstas veiktspējas, daudzkodolu datoru vērtību un jaudu, lai izpētītu sarežģītas mijiedarbības dinamikas, kuras citādi ir grūti reproducēt laboratorijas apstākļos. Rezultāti palīdz pārvarēt zināšanu plaisu starp radiobioloģiju un lādētu daļiņu transporta fiziku, nosakot, kur lādētās daļiņas koncentrē lielāko daļu savas enerģijas DNS molekulā. Tomēr pētījuma rezultātu pieņemšana jāveic ar zināmu piesardzību, līdz ir pieejami plaši empīriski pierādījumi, kas apstiprina pētnieku hipotēzes. Terapeitiskā jonizējošā starojuma efektivitāti var uzlabot, labāk izprotot DNS bojājumu pamatā esošos mehānismus. Tie var arī radīt aizsardzību, piemēram, jaunas zāles, pret jonizējošā starojuma kaitīgo ietekmi uz veselām šūnām.
Avots: physics.aps.org/articles/v16/41
Günceleme: 14/03/2023 13:13