Biophysical simulations for estimating biological effects after exposure to ionizing radiation; Current state and future prospects

放射線照射後の生物効果推定のための生物物理シミュレーション; 現状と今後の展望

松谷 悠佑  ; 嵯峨 涼*

Matsuya, Yusuke; Saga, Ryo*

放射線輸送シミュレーションと生物物理モデルは、放射線防護と治療分野において放射線照射後の生物効果を評価するための強力なツールである。生体が放射線によって被ばくすると、付与エネルギーによって初期応答であるDNA損傷が誘発され、一定の確率で細胞死に至る。そのような生物効果を正確に評価するためには、物理学,化学,生物学の間の橋渡し研究を行う必要がある。近年、放射線による生物効果を予測するための2つのシミュレーションツールとして、Particle and Heavy Ion Transport System (PHITS)とintegrated microdosimetric-kinetic model (IMKM)が開発されてきた。まず、DNAスケールの放射線飛跡を計算できるPHITSの開発により、電子や陽子線より発生するDNA損傷数の予測に成功してきた。一方、DNA修復過程やがん幹細胞などの様々な生物要素を考慮したIMKMの開発により、細胞実験で得られる細胞死と臨床の治療成果を同時に再現することに成功した。本稿で解説するこれらツールに関するこれまでの開発経緯と将来展望により、放射線影響研究や量子生命科学分野への応用がより一層期待される。

Monte Carlo radiation transport simulations and biophysical models are powerful tools to evaluate the biological effects after ionizing radiation in radiation protection and radiation therapy. When exposing human body to radiation, DNA lesions as an early biological response are induced by deposition energy, leading to cell death with a certain probability. To precisely evaluate such effects, it is needed to perform translational studies among radiation physics, chemistry, and biology. Here, we introduce two simulation tools for predicting biological effects, i.e., Particle and Heavy-Ion Transport code System (PHITS) and integrated microdosimetric-kinetic model (IMKM). First, PHITS track-structure calculation at DNA scale enables to estimate the DNA damage yields by electrons and protons. Meanwhile, the IMKM considering various biological factors such as DSB repair kinetics and cancer stem-liken cells can successfully reproduce in vitro cell survival and clinical outcome. This review shows the development history and future prospect of the PHITS and the IMKM, which can expect to be further applied to the research fields of radiation research and quantum life science.