Новое исследование выявило основной механизм воздействия данного вида терапии — межатомный кулоновский распад (ICD) в водной среде, который запускается облучением тяжелыми ионами. Ученые из Китая, России и Германии установили, что перенос протонов между молекулами воды приводит к образованию в живых тканях гидроксильных радикалов и гидратированных протонов, вызывающих повреждение ДНК.
Терапия рака тяжелыми ионами демонстрирует большую эффективность по сравнению с рентгенотерапией и протонной терапией. Однако, лежащие в основе этого преимущества механизмы до недавнего времени оставались недостаточно изученными.
Международная группа ученых детально исследовала влияние тяжелых ионов на молекулярном уровне. В качестве объекта исследования была выбрана пиримидин, органическая молекула, являющаяся предшественником азотистых оснований ДНК и РНК. Рассмотрены процессы разрушения ДНК, вызванные облучением тяжелыми ионами изучали в тканевой среде. Ученые объединили молекулы пиримидина в кластеры с водой с помощью сверхзвуковой газовой струи.
Для проведения исследования были выбраны пучки ионов углерода и железа, с помощью которых облучались кластеры пиримидина. Установлено, что в живых тканях, подвергшихся воздействию пучка тяжелых ионов, внутренне-валентные ионизированные молекулы воды способны передавать энергию возбуждения молекулам ДНК посредством межатомного кулоновского распада ( Interatomic Coulombic decay, ICD). Исследование опубликовано в журнале Physical Review X.
«Обозначенный нами процесс не только вызывает ионизацию молекулы пиримидина с высвобождением электрона с низкой энергией, но и запускает перенос протонов между молекулами воды, что приводит к формированию нежелательных для биологических молекул вторичных частиц — гидроксильных радикалов и гидратированных протонов», — пояснил профессор Шэньюэ Сюй ( Shenyue Xu), один из авторов исследования.
Это открытие вызывает сомнения в том, что внутренне-валентные ионизированные катионы воды распадаются через самофрагментацию, а их фрагменты косвенно воздействуют на ДНК. Вместо этого обнаруженный механизм показал, что эти катионы могут напрямую взаимодействовать с ДНК через ICD, в процессе этого высвобождаются вредные вторичные частицы, которые располагаются в непосредственной близости от ДНК. Именно они оказывают воздействие на ДНК, существенно увеличивая вероятность разрывов в двойной спирали.
По сравнению с другими видами радиации, облучение тяжелыми ионами увеличивает вклад внутренней валентной ионизации в молекулах воды, что является важным фактором усиливает его биологическую эффективность по отношению к клеткам.