Track-structure modes in Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS); Application to radiobiological research

PHITS飛跡構造解析モード; 放射線生物研究への応用

松谷 悠佑  ; 甲斐 健師   ; 佐藤 達彦   ; 小川 達彦   ; 平田 悠歩   ; 吉井 勇治*; Parisi, A.*; Liamsuwan, T.*

Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Sato, Tatsuhiko; Ogawa, Tatsuhiko; Hirata, Yuho; Yoshii, Yuji*; Parisi, A.*; Liamsuwan, T.*

放射線による生物学的効果の研究を計算手法で進める場合、細胞内およびDNAスケールにおいて生体と等価物質である液体水中の各原子相互作用を明示的に考慮して、飛跡構造を解析することが重要となる。粒子・重イオン輸送計算コードPHITSは、独自の電子線飛跡構造解析モード(etsmode)ならびに、陽子・炭素イオンを模擬可能な世界的に有名なKURBUCアルゴリズムを使用することで、飛跡構造を詳細に計算できる。本研究では、電子線,陽子線,炭素線に関するPHITSの飛跡構造解析モードについて、物理的な特性(飛程・動径線量・微視的エネルギー付与)を評価し、文献の実験データや他のシミュレーションの文献値と一致することを検証した。また、電子線を対象に、早期の生物影響であるDNA一本鎖切断やDNA二本鎖切断、さらには複雑なDNA損傷であるクラスター損傷の発生数を推定し、電子線の入射エネルギー依存性を評価した。その結果、DNA損傷タイプはナノメートルスケールの電離励起の空間パターンに深く関与し、約500eVの電子線で複雑なDNA損傷の収量が大きくなることを明らかにした。PHITS飛跡構造解析モードの開発や検証並びに放射線生物研究へ応用した本成果は、放射線による生物学的効果の発生メカニズムの解明へ向けた研究を発展させるものである。

When investigating radiation-induced biological effects, it is essential to perform detailed track-structure simulations explicitly by considering each atomic interaction in liquid water (which is equivalent to human tissues) at sub-cellular and DNA scales. The Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) is a Monte Carlo code which can be used for track structure calculations by employing an original electron track-structure mode (etsmode) and the world-famous KURBUC algorithms (PHITS-KURBUC mode) for protons and carbon ions. In this study, the physical features (i.e., range, radial dose and microdosimetry) of these modes have been verified by comparing to the available experimental data and Monte Carlo simulation results reported in literature. In addition, applying the etsmode to radiobiological study, we estimated the yields of single-strand breaks (SSBs), double-strand breaks (DSBs) and complex DSBs, and evaluated the dependencies of DNA damage yields on incident electron energy. As a result, the simulations suggested that DNA damage types are intrinsically related with the spatial patterns of ionization and electronic excitations and that approximately 500 eV electron can cause much complex DSBs. In this paper, we show the development status of the PHITS track-structure modes and its application to radiobiological research, which would be expected to identify the underlying mechanisms of radiation effects based on physics.