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Modeling of yield estimation for DNA strand breaks based on Monte Carlo simulations of electron track structure in liquid water

液相水中の電子線飛跡モンテカルロシミュレーションに基づくDNA鎖切断生成推

松谷 悠佑; 甲斐 健師; 吉井 勇治*; 谷内 淑恵*; 内城 信吾*; 伊達 広行*; 佐藤 達彦

Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Yoshii, Yuji*; Yachi, Yoshie*; Naijo, Shingo*; Date, Hiroyuki*; Sato, Tatsuhiko

放射線被ばく後の生物学的効果は、DNA主鎖への初期損傷から生じる。DNA損傷はトラック構造解析とフリーラジカル拡散のシミュレーションにより推定可能であるが、両者を考慮した計算は時間を要する。本研究では、PHITSコードで得られる非弾性散乱(電離・電子的励起)の空間分布のパターンのみに着目して、主鎖切断を推定するシンプルなモデルを考案した。このモデルでは、トラック毎のイベント数と10塩基対のサイズに相当する3.4nm以内に存在するイベントの組合せを確率的にサンプリングし、一本鎖切断(SSB)と二本鎖切断(DSB)を計算した。単一エネルギー電子線照射に対するDSB生成率ならびにDSB/SSBの生成率比の計算結果については、他の計算結果や実測値とよく一致した。また、様々な光子照射に対して、DSBをエンドポイントとした生物学的効果比の再現にも成功した。本研究により、電離ならびに電子的励起で構成される非弾性散乱の空間分布のパターンにより、電子線が誘発するDNA主鎖切断の生成率を十分に推定できることが示された。

Biological effects after ionizing radiation exposure arise from initial DNA strand breaks. DNA damage can be estimated from the simulation with both track structure analysis and diffusion of free radicals; however, the simulation is a time-consuming process. In this study, we present a simple model for estimating yields of strand breaks based only on spatial patterns of inelastic interactions (i.e., ionization and electronic excitation) generated by electrons, which are evaluated by PHITS code without considering the production and diffusion of free radicals. In this model, the number of events per track and that of the two events pair within 3.4 nm (corresponding to 10 base pair) were stochastically sampled for calculating SSB and DSB yields, respectively. The calculated results agreed well with other simulations and experimental data on DSB yield and yield ratio of DSB/SSB for the exposure to mono-energetic electrons. The present model also can demonstrate the relative biological effectiveness at the DSB endpoint for various photon exposures. This study indicated that the spatial pattern of inelastic events composed of ionization and electronic excitation is sufficient to obtain the impact of electrons on initial induction to DNA strand break.

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パーセンタイル:26.52

分野:Physics, Applied

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