電子飛跡構造解析モードを使用したDNA損傷生成率の推定

Estimation of DNA damage yield by using electron track structure mode

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

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

放射線照射によって生体内に誘発されるDNA損傷は、液相水中における電子線の飛跡構造(物理過程)とフリーラジカルの拡散(化学過程)に関係する。両者を考慮した計算シミュレーションにより、DNA損傷を推定し、放射線照射後の生物学的効果を評価することが期待されるが、非常に長い計算時間を要する。本研究では、PHITSへ近年に実装された電子線飛跡構造解析モードを使用し、DNAスケールにおける電子線と水の相互作用(電離・励起)の凝集度のみに着目してDNA主鎖切断を推定するシンプルなモデルを開発した。本モデルでは、10塩基対(3.4nm)以内に存在する2つの相互作用の組合せを確率的にサンプリングし、致命的なDNA損傷である二本鎖切断(DSB)の生成率を計算した。計算されたDSB生成率は、300eVを有する単一エネルギー電子線照射において最大値となり、様々な電子ならびに光子照射条件に対して実測値と良い一致を示した。本研究は、電子線飛跡上で生じる電離と励起の空間分布のパターンにより、電子線(光子線)照射が誘発するDNA主鎖切断の生成率を十分に推定できることを示した。今後、開発した手法に基づき、陽子線や炭素線照射下におけるDSB推定を進める予定である。

DNA damage induced under exposure to ionizing radiation is related with track structure of electrons in liquid water (physical process) and diffusion of free radicals (chemical process). By using the computational simulation considering both processes, we can estimate DNA damage and expect to evaluate biological effects after exposure; however, the simulation is a time-consuming process. In this study, we used the electron track structure mode released recently, and developed a simple model for estimating yields of strand breaks based only on aggregation index of inelastic interactions (i.e., ionization and electronic excitation) generated by electrons. In the present model, the number of linkages within 10 base pair (corresponding to 3.4 nm) were stochastically sampled for calculating double-strand break (DSB) yields as a fatal DNA damage. The calculated DSB yield shows maximum for 300 eV electron irradiation, and agreed well with the other simulation and experimental data for both electron and photon irradiations. This work suggests that the spatial pattern of inelastic events composed of ionization and electronic excitation along electron track is sufficient to estimate the impact of electrons (and photons) on yield of DNA strand break. In the future, based on this developed approach, we are planning to estimate DSB yields after irradiation with proton or carbon.