[論文レビュー] Mathematical Model of DSB formation by Ionizing Radiation

J. Barilla, M. Lokajíček+1 more|ArXiv.org|Jan 31, 2008

Radiation Effects and Dosimetry参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、線溶放射線によって誘発されるDNA二本鎖切断（DSB）の数学的モデルを提示する。主に水の中のラジカルクラスターを介する間接的損傷に注目している。最適化された速度定数と酸素溶解度の影響を組み込んだ動的シミュレーションにより、酸素濃度が変化する条件下でも実験的DSB発生率を再現した。その結果、OH•ラジカルがDSB形成において支配的であることが示された（α_OH : α_H ≈ 93.53 : 5.95）、一方で直接的損傷は無視できる程度であった（p₁ ≈ 0.0003）。

ABSTRACT

The understanding of inactivation radiobiological mechanism in individual cells is important when from one side the application of ionizing radiation to tumour therapy and from the other side the protection against radiation are to be effectively improved. Important part of this mechanism is double-strand break (DSB) formation; these DSB may be formed directly by impacting ionizing particles or indirectly by different secondary radicals. The latter kind of formation is much more frequent when cells contain normal water content. Mathematical model of the corresponding chemical stage will be presented with the aim to demonstrate how the individual radicals, but also other chemical agents present in the water during irradiation may influence DSB formation.

研究の動機と目的

• 放射線生物学的損傷の化学的段階、特に水に由来する二次ラジカルを介したDSB形成を理解すること。
• 低LET放射線被曝下における放射線感受性または放射線保護剤のDSB発生率への影響を定量化すること。
• さまざまな酸素濃度下での実験的DSB形成データを正確に再現できる動的モデルの構築。
• DSB形成に寄与する異なるラジカル（OH•、H•、e⁻aq、O₂）の相対的寄与度を特定すること。
• 放射線保護や放射線治療の最適化を支援するため、さまざまな化学的環境下でのDSB発生率の予測を可能にすること。

提案手法

• 線溶放射線によって形成される球状クラスター内でのラジカル反応を記述する常微分方程式系を構築した。
• 空間的分散に起因するラジカル密度の時間的低下を仮定することで拡散効果を組み込んだ。
• 文献からの既知の反応速度比の相対比を制約条件として用い、絶対値はMINUITを用いて最適化した。
• 酸素の水中溶解度を非線形関数 [O₂] = A₀{1 − exp[−(cσ₀)τ₀]} でモデル化し、飽和効果を反映させた。
• 初期ラジカル数（N_H• = 18.11、N_OH• = 31.9、N_e⁻ = 35.0）および反応速度比（α_H : α_OH : α_e : α_O = 5.95 : 93.53 : 0.01 : 0.58）を設定した。
• 特に低酸素濃度での非線形応答を示す実験的DSB発生率曲線と照合して、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低LET放射線下における水由来ラジカル（OH•、H•、e⁻aq、O₂）のそれぞれがDSB形成に与える相対的寄与度は何か？
• RQ2 酸素濃度がDSB発生率に与える影響は何か？また、溶解度の飽和効果を考慮した定量的モデル化は可能か？
• RQ3 DSB形成に寄与するラジカルクラスターの平均サイズおよび組成は何か？
• RQ4 直接イオン化と比較して、間接的メカニズムがDSB形成にどれほど支配的になるか？
• RQ5 ラジカルクラスター内での拡散および反応速度論が最終的なDSB発生率に与える影響は何か？

主な発見

• DNAへの線溶粒子の直接的衝突によるDSB形成確率は無視できるほど小さい（p₁ ≈ 0.0003）。
• OH•ラジカルがDSB形成に最も顕著な寄与を示し、H•（5.95）と比較して相対速度定数が93.53に達する。
• 初期ラジカルクラスターには、t₀時点で約18.11個のH•、31.9個のOH•、35.0個のe⁻aqラジカルが存在する。
• モデルは、溶解度の飽和に起因する高酸素濃度下での実験的DSB発生率の平坦な挙動を正確に再現した。
• 酸素溶解度関数 [O₂] = 0.0004{1 − exp[−(c×43.68)^1.7]} は実験データに適合し、A₀ = 0.0004 nm⁻³は純水の溶解度と整合的である。
• 反応速度定数k₁からk₁₇を最適化したが、O₂およびラジカルを含む二次反応において特に重要なのはk₁₄ = 325.54およびk₁₅ = 0.098であった。