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中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所科研人員及合作者，在重離子治癌微觀機(jī)理研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)在生物分子團(tuán)簇中觀測(cè)到重離子輻照導(dǎo)致的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移級(jí)聯(lián)機(jī)制。這一機(jī)制被認(rèn)為是重離子治癌生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)異的重要原因。當(dāng)前，重離子治癌是最先進(jìn)的放射性治療手段之一。重離子治癌的生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)于X射線等傳統(tǒng)放射療法，但這一特性的微觀機(jī)理尚不清晰。為研究這一問(wèn)題，科研人員發(fā)展先進(jìn)的混合團(tuán)簇源技術(shù)，選取DNA中基本結(jié)構(gòu)單元即嘧啶分子作為模型，制備出尺寸可控的水合嘧啶團(tuán)簇（C4H4N2-nH2O）來(lái)模擬機(jī)體組織環(huán)境。該實(shí)驗(yàn)在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)和320kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺(tái)完成，并利用反應(yīng)顯微成像譜儀探測(cè)末態(tài)電子和離子碎片。實(shí)驗(yàn)清晰辨別了團(tuán)簇尺寸，獲得了電子和碎片離子動(dòng)能分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重離子輻照導(dǎo)致低能電子產(chǎn)額增強(qiáng)。研究結(jié)合分子能級(jí)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)模擬等理論手段分析發(fā)現(xiàn)，水分子與嘧啶分子之間的分子間庫(kù)侖衰變導(dǎo)致觀察到的電子增強(qiáng)現(xiàn)象。內(nèi)殼層電離的水分子通過(guò)分子間庫(kù)侖衰變將能量傳遞給嘧啶分子，使得嘧啶分子電離并釋放一個(gè)低能電子。分子間庫(kù)侖衰變過(guò)程會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)水分子之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基。一般認(rèn)為，內(nèi)殼層電離的水分子主要通過(guò)自身解離方式衰變，并不直接作用于DNA。但是，該研究表明，機(jī)體組織中內(nèi)殼層電離的水分子能夠直接作用于DNA并將其電離，在其鄰近區(qū)域倍增出低能電子和羥基自由基等有殺傷力的次級(jí)粒子。這一級(jí)連衰變過(guò)程增大了DNA雙鏈同時(shí)被破壞的可能性。同時(shí)，重離子輻照使水分子內(nèi)殼層電離的比例高于電子、X射線和質(zhì)子等其他射線。該研究發(fā)現(xiàn)的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移級(jí)連衰變機(jī)制是重離子輻照的生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)于其他放射療法的重要原因之一。同時(shí)，這一微觀機(jī)制對(duì)探討輻射損傷的分子機(jī)制以及促進(jìn)放射治療新技術(shù)的發(fā)展等具有重要意義。3月11日，相關(guān)研究成果作為亮點(diǎn)論文，發(fā)表在《物理評(píng)論X》（Physics Review X）上，并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics雜志在線報(bào)道。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目以及俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)教育部等的支持。該工作由近代物理所主導(dǎo)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西安交通大學(xué)、蘭州大學(xué)、俄羅斯伊爾庫(kù)茨克國(guó)立大學(xué)、德國(guó)海德堡大學(xué)等共同完成。論文鏈接Physics雜志報(bào)道蘭州重離子加速器大科學(xué)裝置和反應(yīng)顯微成像譜儀示意圖重離子輻照誘發(fā)分子間級(jí)連衰變示意圖