PHITS飛跡構造シミュレーションに基づく、電子・陽子・炭素イオン誘発DNA損傷推定モデルの開発

Development of a model for estimating DNA lesions induced by electrons, protons and carbon ions based on track-structure simulation in the PHITS code

松谷 悠佑  ; 甲斐 健師   ; 赤松 憲*; 中野 敏彰*; 吉井 勇治*; 鹿園 直哉*; 佐藤 達彦   

Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Akamatsu, Ken*; Nakano, Toshiaki*; Yoshii, Yuji*; Shikazono, Naoya*; Sato, Tatsuhiko

細胞死などの生物影響は、放射線の飛跡構造と初期のDNA損傷誘発に本質的に関連する。そのため、モンテカルロシミュレーションに基づくDNA損傷の推定は、世界的に注目されている研究テーマである。本研究では、汎用モンテカルロコードである粒子・重イオン輸送コードシステム(PHITS)に基づいてDNA損傷収量を推定するモデルを開発した。このモデルは、イオン化と励起の空間パターンを分析することで、電子、陽子、炭素イオンに対する一本鎖切断、二本鎖切断およびクラスター損傷の収率を予測することが可能である。結果として、開発したモデルは、約30keV/m未満の低LET放射線に対する細胞に対して誘発する様々なDNA損傷の実験値を再現することに成功した。さらに、このモデルは、乾燥または低酸素状態で高LETイオン照射後に誘発する収量を再現するのに十分であることも分かった。本発表は、放射線の飛跡構造と生物影響の正確な理解に貢献することが期待される。

Biological effects such as cell death are intrinsically related in track structure and early DNA damage induction. As such, DNA damage estimation based on Monte Carlo simulations is a research topic of worldwide interest. In this study, we developed a model for estimating DNA damage yields based on a general-purpose Monte Carlo code, Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS). By analyzing the spatial patterns of ionization and excitations, the model allows to predict yields of single-strand break, double-strand break and the clustered lesions for electron, proton and carbon ion. As a result, this model successfully reproduced experimental yields of various DNA lesion types in cells for low-LET radiation < about 30 keV/m. In addition, this model was also found to be sufficient for reproducing the yields measured under dry or hypoxic condition for high-LET ions. This work is expected to contribute on precise understanding of relation between track structure and biological effects.