線量の不均一性が細胞生存率に与える影響

Influence of dose inhomogeneity on cell survival fraction

佐藤 達彦   

Sato, Tatsuhiko

臓器や個体レベルのマクロな視点で見れば均一に見える放射線場でも、DNAや細胞核などミクロな視点で見ればその線量は大きくばらついている。このミクロな線量の不均一性が生物学的効果比(RBE)に影響を与えることは約50年も前から指摘されていたが、その不均一性を表す確率密度関数の評価が困難であったため、これまで放射線生物実験解析でその影響が直接的に考慮されることはほとんどなかった。そこでわれわれの研究チームは、ミクロスケールとマクロスケールに対する放射線挙動解析を有機的に統合した新たな計算手法を構築し、その手法とさまざまな数学モデルを組合せることにより、任意の放射線場・ターゲットサイズに対してその線量の確率密度関数を評価可能とした。そして、複数のターゲットサイズに対するミクロ線量の確率密度関数を指標とした新たな細胞生存率計算モデルを確立し、これまで謎とされてきたRBEのイオン種依存性や高LETかつ高線量照射における高い細胞生存率がミクロ線量の不均一性の違いから説明できることを明らかにした。本稿では、線量の不均一性の概念について説明するとともに、その違いが細胞生存率に与える影響について定性的に解説する。

Radiation doses are inhomogeneously distributed through microscopic sites such as DNA and cell nuclei. Although this inhomogeneity has been regarded as an important factor to determine the relative biological effectiveness (RBE) over 50 years, it had not been frequently used in the quantitative analyses of radiation research because of the difficulty of evaluating the probability density function of dose in microscopic sites. We therefore developed a computational method for calculating the probability density functions in any radiation field and target size by means of combining a multi-scale particle transport simulation code with several mathematical models. Utilizing this method, we established a model for estimating cell-survival fractions in any radiation field. This model employs the probability density functions of domain and cell-nucleus doses as the indexes for characterizing the radiation fields.