Application of a simple DNA damage model developed for electrons to proton irradiation

電子線用に開発された単純なDNA損傷モデルの陽子線照射への応用

松谷 悠佑  ; 甲斐 健師   ; Parisi, A.*; 吉井 勇治*; 佐藤 達彦   

Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Parisi, A.*; Yoshii, Yuji*; Sato, Tatsuhiko

陽子線治療は、X線治療と比較して、正常組織への副作用を低減しつつ腫瘍を照射することが可能である。陽子線照射後に発生する細胞死などの生物影響は、陽子線の運動エネルギーに依存し、初期のDNA損傷の誘発に本質的に関係する。そのため、モンテカルロシミュレーションに基づくDNA損傷収率の推定は、世界的に関心の高い研究トピックとなっている。本研究では、放射線輸送計算コードであるPHITS飛跡構造解析モードの応用、ならびに電子線用に開発された単純なモデルの陽子線への適用により、陽子線エネルギーと一本鎖切断(SSB)、二本鎖切断(DSB)および複雑なDSBの収量との関係性を評価した。その結果、PHITSに基づく推定結果は、約30keV/m以下の線エネルギー付与(LET)の特性を有する陽子線により発生する様々なタイプのDNA損傷収量の実験値や他コードの推定値を正確に再現することが分かった。これらの結果は、PHITSに実装されている現在のDNA損傷モデルが、1MeV未満の非常に低いエネルギーを除いて、陽子照射後に誘発されるDNA損傷収量を推定するのに十分であることを示唆している。

Proton beam therapy allows to irradiate tumor volumes with reduced side effects on normal tissues with respect to X-ray radiotherapy. Biological effects such as cell killing after proton beam irradiations depend on the proton kinetic energy, which is intrinsically related in the early DNA damage induction. As such, the estimation of DNA damage yields based on Monte Carlo simulations is a research topic of worldwide interest. In this study, we investigate the possibility of applying a simple model developed for electron to proton without any modification. The yields of single-strand breaks (SSB), double-strand breaks (DSB) and the complex DSB were assessed as a function of the proton kinetic energy. The PHITS-based estimation accurately reproduced the experimental and simulated yields of various DNA damage types induced by protons with linear energy transfer (LET) up to about 30 keV/m. These results suggest that current DNA damage model implemented in PHITS is sufficient for estimating DNA lesion yields induced after protons irradiation except for lower energies than MeV.