近日，中国科学院近代物理研究所原子物理中心科研人员及合作者在重离子治癌微观机理研究方面取得重要进展，首次在生物分子团簇中观测到重离子辐照导致的分子间能量及质子转移级联机制。该机制被认为是重离子治癌生物学效应优异的重要原因。相关成果于3月11日作为亮点论文发表在物理学顶级期刊Physics Review X，并被美国物理学会Physics杂志在线报道。
重离子治癌是目前最先进的放射性治疗手段，其生物学效应显著优于X射线等传统放射疗法，导致这一特性的微观机理目前尚不清晰。为了深入探究这一问题，科研人员发展了先进的混合团簇源技术，选取DNA中的一种基本结构单元——嘧啶分子作为模型，制备了尺寸可控的水合嘧啶团簇(C4H4N2-nH2O)来模拟机体组织环境。
该实验在兰州重离子加速器冷却储存环和320 kV高电荷态离子综合研究平台完成，利用反应显微成像谱仪探测末态电子和离子碎片，实验清晰辨别了团簇尺寸，并获得了电子和碎片离子动能分布。
实验结果显示重离子辐照会导致低能电子产额显著增强。结合分子能级计算和动力学模拟等理论手段的分析，发现是水分子与嘧啶分子之间的分子间库仑衰变(ICD)导致了观察到的电子增强现象。内壳层电离的水分子通过ICD将能量传递给嘧啶分子，导致嘧啶分子电离并释放一个低能电子。ICD过程还会进一步诱发水分子之间的质子转移，产生强氧化性的羟基自由基(HO)。
一般认为，内壳层电离的水分子主要通过自身解离的方式衰变，并不直接作用于DNA。但此项研究表明，机体组织中内壳层电离的水分子能够直接作用于DNA将其电离，同时还在其邻近区域倍增出低能电子和羟基自由基等有杀伤力的次级粒子。这一级连衰变过程增大了DNA双链同时被破坏的可能性。此外，重离子辐照引起水分子内壳层电离的比例，显著高于电子、X射线和质子等其它射线。因此，本工作发现的分子间能量及质子转移级连衰变机制，是重离子辐照的生物学效应显著优于其它放射疗法的重要原因之一。该微观机制的发现对理解辐射损伤的分子机制和促进放射治疗新技术的发展等具有重要意义。
该工作由中国科学院近代物理研究所主导，联合俄罗斯伊尔库茨克国立大学、德国海德堡大学、中国科学技术大学、西安交通大学和兰州大学等单位共同完成。论文第一作者为近代物理所博士生高岳，共同第一作者还包括俄罗斯伊尔库茨克大学Anna D. Skitnevskaya博士和中国科学技术大学王恩亮研究员。近代物理所许慎跃研究员和马新文研究员为共同通讯作者。
该研究得到了科技部重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委和俄罗斯联邦科学教育部等项目的支持。
图1：兰州重离子加速器大科学装置和反应显微成像谱仪示意图(图源/近代物理所)
图2：重离子辐照诱发分子间级连衰变示意图 (图源/近代物理所)
