2026, Vol. 46
2. 兰州大学核科学与技术学院, 兰州 730000;
3. 兰州泰基离子技术有限公司, 兰州 730000;
4. 甘肃中医药大学, 兰州 730000;
5. 中国科学院大学, 北京 100049
2. School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
3. Lanzhou Taiji Ion Technology Co., Ltd., Lanzhou 730000, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
5. Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China
目前，碳离子的放射生物学效应已成为一个多尺度和多学科的研究领域。癌细胞死亡最主要的原因是辐照诱导细胞DNA双链断裂(double-strand breaks，DSB)，而碳离子高传能线密度(linear energy transfer，LET)辐射的特性使其能量密集沉积在细胞核内的局部区域，其直接效应与自由基诱导的间接效应都更易引发DSB和复杂损伤，且较难修复，容易造成染色体畸变，导致细胞死亡[1-2]。
径迹结构蒙特卡罗模拟在研究辐射诱导的DNA损伤方面具有重要作用，可以模拟粒子在细胞中的输运，辐解物质在水中的扩散以及细胞DNA损伤的物理、物理化学和生物学过程[3-6]。Sakata等[7]首次引入了由Stewart提出的双损伤动力学(two lesion kinetics，TLK)模型，完成了对V79细胞质子辐照后初始DNA损伤与细胞存活率的模拟，建立了初始DNA损伤与细胞死亡之间的联系。为了建立更全面和更稳定的模拟框架，Sakata等[8]进一步对实验进行改进，将V79细胞更换为HSGc-C5细胞，并重新优化损伤修复参数，新的损伤修复参数能够更好地评估HSGc-C5癌细胞损伤修复性能，扩展了Geant4-DNA模拟的应用范围。Chatzipapas等[9]利用Geant4-DNA开发了新的细胞几何，模拟了α粒子不同剂量平均LET(dose-averaged LET，LETd)对HTB-177和MCF-7癌细胞DNA的损伤产率，量化了癌细胞早期DNA损伤以及后续的损伤反应。
近些年的研究主要集中在质子和α粒子的细胞辐照损伤研究，且不同细胞系损伤修复能力不同，同一种损伤修复参数不能适用于所有细胞系。本研究基于Geant4-DNA模拟碳离子对A549细胞辐照损伤，利用碳离子LETd为80 keV/μm下A549细胞实验存活分数优化TLK模型损伤修复参数，并计算不同LETd下的细胞存活率、α、β和相对生物学效能(relative biological effects，RBE)值, 为细胞损伤分子实验和碳离子放射治疗中的生物学效应研究提供参考依据。
材料与方法1.A549细胞几何模拟与细胞核DNA模型：在Geant4-DNA中建立人非小细胞肺癌A549细胞模型，如图 1A所示，细胞质和细胞核模型均为椭球，细胞质材料为水，细胞核内DNA以连续的希尔伯特曲线形式排列，产生了6.4 Gbp的基于分形的染色质纤维结构[10]。molecularDNA例子里的标准细胞核模型大小为7.1 μm × 2.5 μm × 7.1 μm。A549细胞核模型与标准细胞核模型体积不同但是DNA含量一致，因此可以通过改变细胞核体素的大小来改变细胞核模型的大小。本研究中，设置细胞质模型大小为15 μm × 2.5 μm × 15 μm，体积约为2 356.2 μm3，细胞核模型大小为7.5 μm × 2.5 μm × 7.5 μm[11]，体积为589.0 μm3，比molecularDNA例子中的标准细胞核模型体积大1.12倍，细胞核内分形DNA长度约为6.4 Gbp，模拟的有效碱基对密度约为0.011 bp/nm3。碳离子源的形状为圆形面源，位置在细胞核中心平面上方4 μm处，碳离子源大小半径与细胞核中心平面大小半径一致，均为7.5 μm。
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图 1 A549细胞DNA几何迭代过程A. A549细胞几何模拟示意图；B.细胞核内体素组成；C.染色质纤维结构随核小体数量变化过程；D.希尔伯特曲线 Figure 1 Geometric iteration process of A549 cell DNA A.Schematic of the geometric simulation of an A549 cell; B.Voxel composition of the nucleus; C.Evolution of chromatin fiber structure with nucleosome number; D. Hilbert curve |
细胞核内体素的形状为正方体结构，体素内染色质纤维结构分为两种，分别为直线段和弯曲段，如图 1B所示。图 1C为每个体素内染色质纤维的结构，同时还要考虑到组蛋白的数量。在体素大小不变的情况下，组蛋白数量由30变化到50，每个体素内的染色质纤维直线段和弯曲段DNA含量都会增大1.67倍，标准细胞核模型体素大小为75 nm，组蛋白数量为38。为保证组蛋白数量不变，体素大小由75 nm变为77 nm，可将标准细胞核模型改为A549细胞核模型。体素与体素内的染色质纤维彼此相连可形成希尔波特曲线，构成基于分型的细胞核DNA几何结构，通过Python3将希尔伯特曲线迭代8次，可以得到总长度为6.4 Gbp的DNA含量，如图 1D所示。
2.A549细胞损伤分类与物理模型：Nikjoo等[12]最早提出了DNA损伤分类方法，并将其引进到Geant4-DNA的早期应用中。DNA链断裂分类如图 2所示，红色星号代表损伤点，dDSB表示发生DNA双链断裂两个损伤点之间的距离，dDSB设置为10 bp，ds为发生两个独立损伤点之间的距离，设为40 bp[13]。DNA单链断裂(single-strand breaks，SSB)+表示DNA单链两个损伤点之间的距离小于ds，2 × SSB表示DNA单链上两个损伤点之间的距离大于dDSB而小于ds，DSB表示DNA双链上的两个损伤点之间距离小于dDSB，DSB+ 表示在有一个DSB的基础上，在dDSB范围沿染色质纤维片段内还有一个额外的损伤点，DSB++表示在沿染色质纤维片段上至少有两个DSB。并且定义每100 bp DNA片段出现的损伤集合为一个损伤簇。
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注: SSB. 单链断裂; DSB. 双链断裂 图 2 DNA链断裂损伤分类示意图 Figure 2 Schematic diagram of the classification of DNA strand break damage |
Geant4-DNA提供了3种推荐的物理模型，分别为G4EmDNAPhysics_option2、G4EmDNA Physics_option4、G4EmDNAPhysics_option6，而一个物理模型集合了Geant4-DNA模拟程序中所需要的所有粒子、物理过程以及能量阈值列表。这些物理模型全是基于轨道径迹结构法建立，可以模拟光子、电子、质子以及重离子的输运。对于粒子在细胞间的输运以及与细胞亚组分间的反应，电子物理过程的能量阈值在10 keV以下适用于G4EmDNA Physics_option4，在10 keV以上适用于G4EmDNA Physics_option6。本研究采用G4EmDNAPhysics_option6，该模型是一组离散的物理模型，其适用的离子能量阈值为0.5~ 106 MeV/u，是CPA100径迹结构代码在Geant4中的实现，可以通过与Geant4现有功能的结合来扩展其适用性。CPA100模型可以模拟液态水的辐射分解过程，还可以模拟电子与DNA组分间相互作用的弹性散射、电离和激发等物理过程[14]。
3.碳离子辐照蒙特卡罗模拟：本研究构建的A549细胞模型尺度为μm级，无法在细胞前添加cm级的水模体，并且常用能量120.26~399.92 MeV/u单能碳离子在细胞入射前的LETd范围太小，不能达到本模拟实验的需求，因此，为了提高碳离子细胞入射前LETd，本研究利用GATE分别模拟120.26 MeV/u单能碳离子束在穿过不同厚度水模体后的LETd和能谱分布。GATE选择的物理模型为Shielding_EMZ，水模体厚度分别为5、10、15、20、25、30、34、36 mm，实验设置如图 3所示，能谱探测器成分为Air。水模体厚度为34 mm时，此位置处的碳离子LETd达到81.61 keV/μm，与实验A549细胞受到碳离子辐照的LETd基本一致，因此可用实验结果对模拟结果进行验证。利用不同碳离子能谱作为Geant4-DNA损伤模拟的输入能量，保证A549细胞模型的吸收剂量为10 Gy，计算Geant4-DNA损伤模拟过程中碳离子的入射个数。损伤模拟的其他参数如下，POH为碳离子在损伤DNA链的过程其中间产物OH自由基使DNA链断裂的概率，取40.5%；RID(Å)为碳离子直接损伤DNA链的作用范围，≤2 Å[15]；Tendtime(ns)为水辐解化学反应模拟时间，取5 ns；DRK(nm)为由碳离子与水发生的化学反应产生的自由基损伤DNA链的作用范围，取9 nm；Emin(eV)和Emax(eV)分别表示碳离子直接损伤DNA链导致链断裂的最小能量沉积和最大能量沉积，低于5 eV能量沉积碳离子不会导致DNA链断裂，碳离子能量沉积在5~37.5 eV范围内DNA链断裂的概率随能量升高而升高，呈线性增长，碳离子沉积能量大于37.5 eV则一定会导致DNA链断裂[16]。NmaxNullTimeSteps表示模拟过程最大时间步长总数为10 000 000。
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图 3 碳离子穿过不同厚度水模体后能谱模拟示意图 Figure 3 Schematic diagram of the simulated energy spectra of carbon ions after penetrating water phantoms of different thickness |
4.A549细胞存活率的计算：细胞在受到碳离子辐照后，其核内DNA受到损伤，此时细胞会快速启动DNA损伤修复程序，随时间推移缓慢修复损伤，Stewart[7]提出的TLK模型再现了这一过程。TLK模型包含了DNA的快损伤修复和慢损伤修复两个动力学过程，并根据修复后残留的DNA损伤计算细胞存活率。快损伤修复和慢损伤修复都表示DNA链断点间的重新连接，但它们的修复过程不同。快损伤修复过程中的损伤为简单损伤，损伤修复速度快并且损伤修复较完全，其残留损伤不会对细胞存活率产生影响，而慢损伤修复过程中的损伤为复杂损伤，损伤较难修复完全，并且残留损伤会导致细胞死亡。多损伤修复过程要同时考虑DNA链不同位置的断点连接，其损伤修复数量可用L2(t)表示，该过程可能会导致DNA发生复杂的畸变，因为该过程经常会发生两个不同断点的错误连接。TLK模型包含6种损伤修复参数，这些模型参数分为两类，一类为修复速率参数(λ、η)，表示单位时间内损伤修复的速率，其中λ1、λ2、η分别表示快损伤修复过程、慢损伤修复过程以及多元损伤修复过程的损伤修复速率；另一类为致死概率参数(β、γ)，表示单位时间内残留损伤导致细胞死亡的概率，其中β1、β2、γ分别表示快损伤修复过程、慢损伤修复过程以及多元损伤修复过程残留损伤导致细胞死亡的概率[7]。TLK模型公式如下：
| $ \begin{aligned} \frac{\mathrm{d} L_1(t)}{\mathrm{d} t} & =D(t) Y \Sigma_1-\lambda_1 L_1(t)- \\ & \eta L_1\left[L_1(t)+L_2(t)\right] \end{aligned} $ | (1) |
| $ \begin{gathered} \frac{\mathrm{d} L_2(t)}{\mathrm{d} t}=D(t) Y \Sigma_2-\lambda_2 L_2(t)- \\ \eta L_2\left[L_1(t)+L_2(t)\right] \end{gathered} $ | (2) |
| $ \begin{gathered} \frac{\mathrm{d} L_f(t)}{\mathrm{d} t}=\beta_1 \lambda_1 L_1(t)+\beta_2 \lambda_2 L_2(t)+ \\ \gamma \eta\left[L_1(t)+L_2(t)\right]^2 \end{gathered} $ | (3) |
式中，L1(t)和L2(t)分别为细胞从碳离子辐照开始t时间内快损伤修复过程和慢损伤修复过程中损伤修复的数量；Lf(t)为细胞从碳离子辐照开始t时间内导致细胞死亡的残留损伤的数量；D(t)为剂量率，Gy/s；Y为单位细胞中碱基对的数量；D(t)YΣ1和D(t)YΣ2分别为快损伤修复过程和慢损伤修复过程产生的损伤总数。在本研究中，细胞DNA双链断裂对细胞死亡影响较大，因此将细胞受到的所有DNA双链断裂的损伤类型都统一分为简单损伤和复杂损伤，该分类方式可以更好地应用到TLK模型中。其中，Σ1为简单损伤，即可修复损伤，简单DNA损伤的数量：Σ1=NDSB, 而Σ2为复杂损伤，即不可修复完全的损伤，复杂DNA损伤的数量：Σ2=NDSB++2NDSB++。最终，将公式中的3种产率进行数值积分就可以得到细胞存活分数，如公式(4)所示，并用Python库中的四阶龙格-库塔法对上述微分方程进行求解[8]：
| $ \begin{gathered} S F(t)=\ln \left(-L_f(t)\right)= \\ \ln \left(-\int_0^t\left(\beta_1 \lambda_1 L_1(t)+\beta_2 \lambda_2 L_2(t)+\right.\right. \\ \left.\left.\gamma \eta\left[L_1(t) L_2(t)\right]^2\right) \mathrm{~d} t\right) \end{gathered} $ | (4) |
5.A549细胞TLK模型参数优化：不同细胞系对于DNA损伤的修复能力不同，因此其TLK模型参数也不同，为了评估代表A549细胞损伤修复能力的λ1、λ2、η、β1、β2和γ的数值。选择非线性最小二乘法对这6个参数进行优化，将模拟存活分数与实验存活分数在对应剂量点的残差平方和作为目标函数，当目标函数的迭代变化量小于10-6时，满足收敛，并输出最优参数组。具体来说根据细胞入射碳离子LETd为80 keV/μm左右下A549细胞实验存活率数据进行TLK模型6个参数的优化，将细胞入射碳离子LETd为81.61 keV/μm模拟得到的A549细胞DNA可修复和不可修复双链断裂损伤产率作为输入量，初始化TLK模型参数，通过python 3软件应用TLK模型计算细胞存活分数，并将模拟计算得到的细胞存活分数与相同实验条件下实际碳离子辐照A549细胞存活分数进行比较，判断模型参数是否为最优解，如果不是，则继续重复上述步骤，直到模拟计算得到的细胞存活分数与实验得到的细胞存活分数差值小于1%。判断模型参数是否为最优解，其依据是模拟计算得到的细胞存活分数曲线与实验数据点之间的拟合优度。具体方法是定义一个目标函数，采用最小二乘法，即计算模拟存活分数与实验存活分数在相应剂量点残差的平方和(sum of squared residuals, SSR)或均方根误差(root mean square error, RMSE)等拟合优度统计量。目标函数值的SSR越小，代表模拟曲线与实验数据吻合得越好。当目标函数值收敛于一个无法继续显著减小的最小值，或参数的变化已无法使拟合优度得到有效改善时，即可认为当前参数组为最优解或近似最优解。
6. α、β和RBE的计算：根据细胞实验，在碳离子照射2周之后统计细胞克隆集落数，因此时间t设为336 h。剂量率D(t)设为60 Gy/h，Y设为6.4 Gbp，积分的时间步长设为0.000 1 h。若一元修复不完全，修复速率的半衰期由公式(5)计算：
| $ \tau=\ln 2 /(\text { 参数值 }) $ | (5) |
由实验得到碳离子辐照细胞存活分数，根据线性平方(LQ)模型公式(6)计算不同入射碳离子LETd下的α与β值，式中S表示细胞存活分数；D为剂量，Gy。
| $ S(D)=\mathrm{e}^{-\alpha D-\beta D^2} $ | (6) |
离子或质子治疗中常将250 kVp的X射线作为参考辐射计算RBE[17]，因此根据混合束模型(LQM)计算A549细胞的RBE值，模型公式如下：
| $ \begin{gathered} \operatorname{RBE}(\mathrm{LET}, S)= \\ \frac{\beta_{\mathrm{C}}(\mathrm{LET})\left(\sqrt{\alpha_{\mathrm{x}}^2-4 \beta_{\mathrm{x}} \ln (S)}-\alpha_{\mathrm{x}}\right)}{\beta_{\mathrm{x}}\left(\sqrt{\alpha_{\mathrm{C}}^2(\mathrm{LET})-4 \beta_{\mathrm{C}}(\mathrm{LET}) \ln (S)}-\alpha_{\mathrm{C}}(\mathrm{LET})\right)} \end{gathered} $ | (7) |
式中，αX = 0.637 2 Gy-1和βX = 0.178 5 Gy-2为X射线照射A549细胞存活曲线的LQ模型拟合参数；αC和βC为12C离子束照射A549细胞存活曲线的LQ模型拟合参数；S为细胞存活分数；细胞存活终点S = 0.1。
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图 4 TLK模型损伤修复参数优化流程图 Figure 4 Flowchart of parameter optimization for damage repair in the TLK model |
结果
1.不同能量下碳离子剂量平均LET与能谱：120.26 MeV/u碳离子在穿过不同厚度水模体后的能谱分布如图 5A，碳离子入射平均总能量随入射深度的增加而减小，深度为5、10、15、20、25、30、34、36 mm对应的能量为110.625、99.792、88.542、76.042、61.875、44.375、24.375、5.208 MeV/u。随着碳离子入射能量的降低，LETd也逐渐升高(图 5B)。
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图 5 单能120.26 MeV/u碳离子穿过不同厚度水模体后的能谱分布(A)和LETd分布(B) Figure 5 Distributions of energy spectra (A) and LETd (B) for monoenergetic 120.26 MeV/u carbon ions after penetrating water phantoms of different thicknesses |
2.Geant4-DNA损伤模拟：碳离子辐照A549细胞初始损伤：将不同LETd碳离子的能量作为Geant4-DNA损伤模拟的初始能量参数，每个碳离子入射能量独立重复3次模拟实验，保证A549细胞模型的吸收剂量近似为10 Gy，并且后续计算产率时吸收剂量的小范围波动影响可忽略。A549细胞初始损伤模拟结果如图 6所示，总的DNA单链断裂(SSBtotal)产率总体趋势随碳离子细胞入射LETd的升高而下降，总的DNA双链断裂(DSBtotal)产率总体趋势随碳离子细胞入射LETd的升高而升高，SSBtotal与DSBtotal之比总体趋势随碳离子细胞入射LETd的升高而下降，SSB在细胞入射碳离子LETd增大的过程中逐渐向DSB进行转化。根据DSB、DSB+以及DSB++的产率分别计算可修复损伤(reDSB)和不可修复修复损伤(irrDSB)产率，reDSB为Σ1，irrDSB为Σ2。得到reDSB和irrDSB产率总体趋势均随碳离子LETd的增大而增大，并且reDSB和irrDSB产率之比的总体趋势也随碳离子LETd的增大而增大。
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注: SSB. 单链断裂; DSB. 双链断裂 图 6 A549细胞初始DNA损伤产率随细胞入射碳离子LETd变化关系A.总的单链断裂产率；B.总的双链断裂产率；C.总的单双链断裂产率之比；D.可修复和不可修复双链断裂产率 Figure 6 Initial DNA damage yields in A549 cells as a function of the LETd of incident carbon ions A.Total yield of single-strand breaks; B.Total yield of double-strand breaks; C.Ratio of total SSB to DSB yields; D.Yields of repairable and irreparable DSB |
3.不同LET下A549细胞存活曲线及其α、β值：优化TLK模型参数，得到碳离子LETd为81.61 keV/μm下的A549细胞存活分数，并将此模拟计算的结果与真实碳离子细胞辐照实验下的存活率进行比较，其中A549细胞由中国科学院近代物理研究所辐射医学室提供，兰州重离子束研究中心提供碳离子束流，辐照A549细胞得到实验条件下细胞存活分数[18]。如图 7所示，模拟计算得到的细胞存活分数与细胞实验得到的存活分数基本一致，并且细胞存活分数随着碳离子辐照剂量的增大逐渐减小，优化得到的TLK模型参数，λ1、λ2分别为0.06和2.65×10-3 h-1，η为1.23×10-6 h-1，β1、β2分别为0和1.25×10-2，γ为0.06。
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图 7 TLK模型模拟计算下A549细胞存活分数与实验条件下细胞存活分数间的比较 Figure 7 Comparison of A549 cell survival fractions between TLK model simulations and experimental conditions |
细胞实验中碳离子细胞入射前LETd为81.61 keV/μm，为了拓展细胞实验碳离子LETd的范围，利用A549细胞已优化完成的TLK模型参数来模拟计算其他碳离子LETd下的细胞存活分数，得到不同细胞入射碳离子LETd的细胞存活分数，结果如图 8所示，在同一碳离子辐照剂量下，随着细胞入射碳离子LETd的增大，细胞存活分数逐渐下降，并且模拟和实验数据的误差为0.006 944±0.009 143。
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图 8 不同碳离子LETd下A549细胞存活率曲线 Figure 8 Survival fraction curves of A549 cells under different carbon ion LETd values |
已知不同碳离子LETd下的细胞存活分数，根据线性平方(LQ)模型公式(5)，计算A549细胞不同入射碳离子LETd下的α与β值，得到结果如图 9A所示，得到α与β值随LETd的增大而增大，α与β的曲线拟合公式如下：
| $ \alpha: y=2.32-3.05 x+1.17 x^2 $ | (7) |
| $ \beta: y=0.63-0.89 x+0.34 x^2 $ | (8) |
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注: LET. 传能线密度; RBE. 相对生物学效能 图 9 A549细胞生物学参数随LETd变化曲线A.A549细胞α与β值；B.RBE值 Figure 9 Biological parameters of A549 cells as a function of LETd A. α and β values of A549 cells; B.RBE values |
根据混合束模型(LQM)计算A549细胞的RBE值，得到RBE结果如图 9B所示，模拟计算得到的A549细胞RBE值总体趋势随细胞入射碳离子LETd的增大而增大。
讨论本研究建立了A549细胞模型，通过修改细胞核模型中的体素大小来对整个细胞大小进行调整。为了研究水模体厚度对细胞DNA损伤的影响，模拟碳离子在穿过不同厚度水模体后的能谱分布，随着水模体厚度的增加，碳离子能谱峰值逐渐减小，能谱的半高宽逐渐增大，出射后碳离子的平均能量逐渐降低。
本研究选用G4EmDNAPhysics_option6，核心原因为多模型对比验证结果。Option2、Option4与Option6在模拟细胞存活分数时表现出明显分化，其中Option2模拟的细胞存活曲线显著高于Option4和Option6，与实验真实情况的偏差更大；Option4与Option6的细胞存活分数平均差异较小，模拟结果更贴合实际，但二者的适用场景有所区别：Option2模拟结果偏差大，Option4适用于轻粒子，而Option6更契合碳离子辐照需求，且与实验数据贴合度高。其在5.21~110.63 MeV/u碳离子能量范围内优势显著：能量阈值完全覆盖研究范围，可精准模拟碳离子与DNA的相互作用，且能还原高LET碳离子能量沉积的局域化特征，保障DSB损伤分类准确，为后续TLK模型提供可靠输入。
为了找到碳离子细胞入射LETd与细胞DNA损伤之间的关系，模拟了细胞入射碳离子LETd为81.61 keV/μm下的A549细胞DNA损伤，得到SSBtotal为118.428 Gy-1·Gbp-1，DSBtotal为10.434 8 Gy-1·Gbp-1，并且SSBtotal/DSBtotal约为11.35。SSBtotal总体趋势随细胞入射碳离子LETd的升高而降低，DSBtotal总体趋势随细胞入射碳离子LETd的升高而升高，这说明随着碳离子LETd的升高，碳离子对细胞的DNA损伤逐渐由单链断裂转变为双链断裂，而细胞单链断裂容易被修复，细胞双链断裂不容易被修复，因此LETd是碳离子辐照细胞杀伤强度的主要因素。由上述分析可知细胞存活分数主要与细胞DNA双链断裂有关，根据模拟后DSB、DSB+和DSB++的产率计算细胞reDSB和irrDSB损伤产率，得到当碳离子LETd为81.61 keV/μm时，细胞reDSB损伤产率为8.245 Gy-1·Gbp-1，irrDSB损伤产率为3.364 Gy-1·Gbp-1，TLK模型可应用这两个参数计算该细胞的存活分数，并且细胞reDSB和irrDSB损伤均随着细胞入射碳离子LETd的升高而升高。
通过优化得到了A549细胞TLK模型DNA损伤修复参数，计算出不同碳离子LETd下的细胞存活分数，并将细胞存活率通过LQ模型进行曲线拟合，得到结果如图 8所示，在低LETd情况下，A549细胞存活率随细胞入射碳离子剂量平均LETd变化并不明显，可能是由于低LETd部分LETd变化不大，并且蒙特卡罗算法的随机性特征产生的误差也会影响细胞存活率的结果，但总的来说模拟计算得到的A549细胞存活率在同一碳离子辐照剂量下随LETd的升高而下降。根据各碳离子LETd下的细胞存活率曲线，通过LQ模型分别计算其各自的α值与β值，在碳离子LETd为81.61 keV/μm时，A549细胞的α值为0.752 6，β值为0.187 2，α值与实验相差2.87%，β值与实验相差3.02%。得到α与β值在模拟实验LETd范围内均随碳离子LETd的升高而升高。最后通过LQM模型计算A549细胞在不同细胞入射碳离子LETd下的RBE值，得到在碳离子LETd为81.61 keV/μm时，其RBE值约为1.89，A549细胞模拟计算得到的RBE值在模拟实验碳离子LETd范围内随碳离子LETd的升高而升高。
Sakata等[7-8]以V79和HSG-c5细胞为模型，分别模拟了质子在不同LETd下的细胞损伤和细胞存活率，其中单能质子能量在5.04和7 MeV时，V79细胞总的DNA双链断裂产率为7.02、7.3 Gy-1·Gbp-1，均小于本研究碳离子辐照损伤。当质子能量为70 MeV时，通过PMMA块对HSG-c5细胞进行峰值模拟，得到HSG-c5细胞核DNA的reDSB和irrDSB损伤分别为4.69、1.04 Gy-1·Gbp-1，也低于本研究碳离子辐照下的reDSB和irrDSB损伤。质子质量相比碳离子而言较轻，并且碳离子的LETd要远大于质子的，因此无论是单能质子还是多能质子，其对细胞造成的核DNA损伤均低于碳离子辐照下的损伤。
本研究的不足之处在于建立的细胞模型为单个细胞，虽然可以按照数学的方法表示为细胞系，但与真实细胞辐照实验还是有不同之处。此外，尽管模拟实验与体外实验环境不同，但是模拟实验中细胞核分形DNA以希尔伯特曲线形式排列，最大程度地还原了真实细胞核DNA的构造和含量，蒙特卡罗模拟本身就是通过大量粒子在细胞核DNA链上的随机能量沉积来计算损伤，当随机样本足够大时，其准确率会大大提高，因此当模拟结果与体外实验结果相比基本一致时，可验证模拟结果的准确性。
本研究基于Geant4-DNA构建了A549细胞及核DNA分形模型，通过蒙特卡罗模拟系统量化了不同LETd碳离子辐照下细胞的DNA损伤特征(包括SSB、DSB及复杂损伤产率)。以真实碳离子细胞辐照实验数据为依据，优化了TLK模型损伤修复参数，明确了A549细胞对碳离子诱导DNA损伤的修复能力。在此基础上，结合模拟获得的损伤数据与实验存活结果，进一步通过LQ模型拟合优化了不同LETd下的α、β值，建立了α、β与LETd的量化关系，并计算得到相应RBE值。该研究实现了从DNA损伤模拟到细胞存活及关键放射生物学参数(α、β、RBE)的全链条预测，为细胞损伤分子实验设计及碳离子放射治疗的生物学效应评估提供了可靠参考依据。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
志谢 感谢先进能源科学与技术广东省实验室东江·源智能计算中心的计算支持和帮助
作者贡献声明 韩旭设计研究方案，研究实施与撰写论文；刘志强、张庆华、张秋宁提供技术支持及论文修改；左子杰、杨震、罗宏涛、孙世龙参与文献查找和论文修改
| [1] |
Rich T, Allen RL, Wyllie AH. Defying death after DNA damage[J]. Nature, 2000, 407(6805): 777-783. DOI:10.1038/35037717 |
| [2] |
Baskar R, Lee KA, Yeo R, et al. Cancer and radiation therapy: current advances and future directions[J]. Int J Med Sci, 2012, 9(3): 193-199. DOI:10.7150/ijms.3635 |
| [3] |
Kyriakou I, Sakata D, Tran HN, et al. Review of the Geant4-DNA simulation toolkit for radiobiological applications at the cellular and DNA level[J]. Cancers (Basel), 2021, 14(1): 35. DOI:10.3390/cancers14010035 |
| [4] |
Nikjoo H, Uehara S, Wilson WE, et al. Track structure in radiation biology: theory and applications[J]. Int J Radiat Biol, 1998, 73(4): 355-364. DOI:10.1080/095530098142176 |
| [5] |
Nikjoo H, Taleei R, Liamsuwan T, et al. Perspectives in radiation biophysics: from radiation track structure simulation to mechanistic models of DNA damage and repair[J]. Radiat Phys Chem, 2016, 128: 3-10. DOI:10.1016/j.radphyschem.2016.05.005 |
| [6] |
Nikjoo H, Emfietzoglou D, Liamsuwan T, et al. Radiation track, DNA damage and response-a review[J]. Rep Prog Phys, 2016, 79(11): 116601. DOI:10.1088/0034-4885/79/11/116601 |
| [7] |
Stewart RD. Two-lesion kinetic model of double-strand break rejoining and cell killing[J]. Radiat Res, 2001, 156(4): 365-378. DOI:10.1667/0033-7587(2001)156[0365:tlkmod]2.0.co;2 |
| [8] |
Sakata D, Suzuki M, Hirayama R, et al. Performance evaluation for repair of HSGc-C5 carcinoma cell using Geant4-DNA[J]. Cancers (Basel), 2021, 13(23): 6046. DOI:10.3390/cancers13236046 |
| [9] |
Chatzipapas K, Dordevic M, Zivkovic S, et al. Geant4-DNA simulation of human cancer cells irradiation with helium ion beams[J]. Phys Med, 2023, 112: 102613. DOI:10.1016/j.ejmp.2023.102613 |
| [10] |
International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome[J]. Nature, 2004, 431(7011): 931-945. DOI:10.1038/nature03001 |
| [11] |
江闰德, 申洪. A549细胞光镜及电镜制样收缩系数测试[J]. 中国体视学与图像分析, 2010(1): 79-83. Jiang RD, Shen H. Coefficient of contraction of A549 cells in preparation for light and electron microscopy samples[J]. Chin Stereol Image Analys, 2010(1): 79-83. |
| [12] |
Nikjoo H, O'Neill P, Wilson WE, et al. Computational approach for determining the spectrum of DNA damage induced by ionizing radiation[J]. Radiat Res, 2001, 156(5 Pt 2): 577-583. DOI:10.1667/0033-7587(2001)156[0577:cafdts]2.0.co;2 |
| [13] |
Keta O, Petković V, Cirrone P, et al. DNA double-strand breaks in cancer cells as a function of proton linear energy transfer and its variation in time[J]. Int J Radiat Biol, 2021, 97(9): 1229-1240. DOI:10.1080/09553002.2021.1948140 |
| [14] |
Incerti S, Kyriakou I, Bernal MA, et al. Geant4-DNA example applications for track structure simulations in liquid water: a report from the Geant4-DNA Project[J]. Med Phys, 2018, 45: e722-e739. DOI:10.1002/mp.13048 |
| [15] |
Lampe N. FractalDNA. 2021. https://github.com/natl/fractaldna.
|
| [16] |
Chatzipapas K. MolecularDNA.2024. https://geant4-dna.github.io/molecular-docs/.
|
| [17] |
Karger CP, Peschke P. RBE and related modeling in carbon-ion therapy[J]. Phys Med Biol, 2017, 63(1): 01TR02. DOI:10.1088/1361-6560/aa9102 |
| [18] |
Yang Z, Luo H, Feng S, et al. Anti-proliferative and metastasis-inhibiting effect of carbon ions on non-small cell lung adenocarcinoma A549 cells[J]. Precis Radiat Oncol, 2022, 6: 136-143. DOI:10.1002/pro6.1151 |