물리학

이온화 방사선이 인간 건강에 미치는 영향에 대한 방사선생물학 연구는 유해한 결과의 주요 표적으로 디옥시리보핵산(DNA) 분자에 초점을 맞추고 있습니다. 전리 방사선과 조직 및 기관의 상호 작용은 DNA의 이중 가닥 절단을 유발할 만큼 큰 국지적 에너지 축적을 초래할 수 있으며, 이는 돌연변이, 염색체 이상 및 유전자 발현의 변화를 초래할 수 있습니다. 이러한 상호 작용 뒤에 있는 메커니즘을 이해하는 것은 방사선 치료법을 개발하고 방사선 보호 전략을 개선하는 데 중요합니다. 노스캐롤라이나 대학교 채플힐 캠퍼스의 크리스토퍼 셰퍼드(Christopher Shepard)와 그의 동료들은 이제 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 DNA 분자의 어느 부분이 하전 입자 방사선에 노출되었을 때 손상 수준의 에너지를 받는지 정확히 보여줍니다(그림 1)[1]. 그들의 발견은 결국 암 치료와 인간의 우주 비행으로 인한 장기적인 방사선 영향을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

방사선과 DNA의 전자 구조의 상호작용은 복잡한 과정입니다[2, 3]. 현재 방사선 생물학 및 임상 방사선 치료에 사용되는 수치 모델은 원자 수준에서 이러한 상호 작용의 상세한 역학을 포착하지 못합니다. 오히려, 이러한 모델은 기하학적 단면을 사용하여 세포 부피를 가로지르는 광자 또는 이온과 같은 방사선 입자가 DNA 가닥 중 하나 또는 둘 다에서 파손을 일으킬 만큼 충분한 에너지를 전달할지 여부를 예측합니다[4-6] . 이 모델은 원자 수준의 상호 작용을 설명하지 않고 단순히 일부 방사선량이 세포 집단의 재생산 능력을 상실하게 할 확률을 제공합니다.

세포 중화 능력으로 인해 이온화 방사선을 사용하여 종양의 성장을 억제할 수 있습니다. 실제로 방사선요법은 여전히 ​​가장 널리 사용되는 암 치료법 중 하나입니다[7, 8]. 그러나 악성 종양 치료에 적용할 경우 치료법은 건강한 조직에 심각한 결과를 초래할 수도 있습니다. 감마선 및 X선 치료의 경우 고에너지 광자는 신체에 들어간 직후 에너지를 잃기 시작합니다. 대조적으로, 중이온 방사선 치료는 이동 범위가 끝날 때 대부분의 에너지를 잃는 하전 입자를 사용합니다. 특히 빠르게 움직이는 입자의 경우 매우 짧은 거리에서 이러한 급격한 에너지 손실로 인해 국부적인 부피에 축적된 에너지가 급격히 증가합니다. 이러한 국부적인 에너지 축적으로 인해 방사선 치료사는 하전 입자 빔을 사용하여 종양 모양과 깊이를 정확하게 목표로 삼을 수 있으며, 따라서 종양 앞의 건강한 조직을 보호하는 동시에 종양 너머의 건강한 조직에 대한 손상을 최소화할 수 있습니다. 이러한 선택성은 중이온 방사선 요법을 현재의 표준 치료법으로는 전통적으로 치료가 불가능하다고 간주되었던 종양을 치료할 수 있는 혁신적인 치료 방식으로 만듭니다.

하전입자에 의해 매체로 전달되는 대부분의 에너지는 전자 궤도 사이의 쿨롱 상호작용의 결과입니다. 매질에서 원자나 분자를 이온화하는 데 필요한 평균 에너지는 종종 물질의 방사선 차단력, 즉 전자나 이온과 같은 하전 입자가 통과할 때 속도를 늦추거나 멈추는 물질의 능력을 설명하는 데 사용됩니다. [9]. 물질의 저지력을 측정하는 것은 방사선 요법의 유용성을 결정하는 데 중요합니다. 생물학적 조직의 경우 저지력은 일반적으로 이동한 마이크로미터당 손실된 에너지로 측정됩니다. 그러나 DNA 분자의 평균 폭은 2nm이므로 DNA 규모에서 저지력을 측정하는 것은 현재 불가능합니다.

Shepard와 그의 동료들은 슈퍼컴퓨터에서 대규모 계산 시뮬레이션을 사용하여 고에너지 양성자에서 용매화된 DNA로의 에너지 전달을 정량화했습니다. 이는 당-인산염 측쇄와 핵염기 백본 구성 요소로 분리된 DNA 용액을 의미합니다. 그들은 분자 수준에서 DNA 시스템의 복잡성을 평가하기 위해 시간 의존적 밀도 함수 이론(DFT)을 사용했습니다. DFT는 원자, 분자 및 고체의 전자 구조를 연구하는 계산 방법입니다. 이는 다중 전자 시스템의 특성이 시스템의 전자 밀도를 설명하는 단일 함수에 의해 결정될 수 있다는 개념에 기초합니다. DFT는 시스템의 각 전자에 대한 슈뢰딩거 방정식을 푸는 대신 전자 간의 상호 작용을 설명하기 위해 일련의 근사치를 사용하기 때문에 대규모 시스템의 전자 구조를 계산하는 효율적인 방법입니다. 이러한 근사법을 사용하면 기존 방법으로는 연구할 수 없었던 복잡한 시스템의 전자 구조를 계산할 수 있습니다.