イオンビームによるナノスケールで起こる水中での生体分子損傷の機構解明

Elucidation of the mechanism of biomolecular damage in liquid water that occurs on a nanoscale by ion beams

土田 秀次*; 間嶋 拓也*; 甲斐 健師   

Tsuchida, Hidetsugu*; Majima, Takuya*; Kai, Takeshi

イオンビームを用いた粒子線がん治療のより効果的な治療に向けて、放射線によるDNAなどの生体分子の損傷過程を原子レベルで解明する研究が世界中で進められている。本稿では、イオンビームによる水中での生体分子損傷について、分子周辺で起こる素反応を研究した実験手法を紹介する。この実験では、細胞を模擬するため真空内液体分子線法および微小液滴法を利用し、生体分子水溶液の標的にイオンビームを照射し、標的から放出した生体分子の分解イオンを質量分析することで、分子の切断箇所を特定した。シミュレーションとして、PHITSを利用し水への炭素イオン照射の結果生じる二次電子の物理特性を解析した手法を紹介する。さらに、実験とシミュレーションの共同研究で明らかになった、高速イオンによる生体分子損傷の微視的描像を述べる。

In recent years, basic research has been conducted to understand the biological effects of radiation at the atomic level toward advancing particle beam cancer treatment. Here we show some recent results on the basic process of biomolecular damage caused by ion beams in liquid water. A biomolecular solution target was introduced to the vacuum by a liquid molecular beam or microdroplet method. Secondary ion mass spectrometry was applied to measure the fragments of biomolecules emitted from a target irradiated with an ion beam. For the simulation study using a PHITS code, physical nature of secondary electrons produced by ion beam in water was analyzed. The experimental and simulation research determined the energy range of secondary electrons involved in damaging biomolecules in liquid water caused by ion beams. The damage process by secondary electrons near the ion track is described.