[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2025-3-31] [發(fā)布人:楊曉燕] [閱讀次數(shù):] [返回]

微觀世界新發(fā)現(xiàn)：揭開重離子高效治癌的神秘面紗
作者：葉滿山      來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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重離子治癌，作為一種先進(jìn)的放射性治療手段，正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)改變著抗癌的版圖。它在精準(zhǔn)打擊癌細(xì)胞的同時(shí)，還能將對(duì)周圍正常組織的傷害降至最低，這在癌癥治療中無疑是一次革命性的飛躍。然而，盡管重離子治癌在臨床上屢獲佳績(jī)，但其背后的微觀機(jī)理卻一直是科學(xué)界尚未完全揭開的神秘面紗。
3月11日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研人員及合作者在重離子治癌微觀機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，首次觀測(cè)到重離子輻照生物分子體系導(dǎo)致的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移等次級(jí)粒子倍增機(jī)制。該機(jī)制被認(rèn)為是重離子治癌生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)異的重要原因之一。相關(guān)研究成果已作為亮點(diǎn)論文發(fā)表在《物理評(píng)論X》。
重離子治癌，作為一種先進(jìn)的放射性治療手段，正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)改變著抗癌的版圖。它在精準(zhǔn)打擊癌細(xì)胞的同時(shí)，還能將對(duì)周圍正常組織的傷害降至最低，這在癌癥治療中無疑是一次革命性的飛躍。然而，盡管重離子治癌在臨床上屢獲佳績(jī)，但其背后的微觀機(jī)理卻一直是科學(xué)界尚未完全揭開的神秘面紗。
3月11日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研人員及合作者在重離子治癌微觀機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，首次觀測(cè)到重離子輻照生物分子體系導(dǎo)致的分子間能量及質(zhì)子轉(zhuǎn)移等次級(jí)粒子倍增機(jī)制。該機(jī)制被認(rèn)為是重離子治癌生物學(xué)效應(yīng)優(yōu)異的重要原因之一。相關(guān)研究成果已作為亮點(diǎn)論文發(fā)表在《物理評(píng)論X》。
技術(shù)的突破：混合團(tuán)簇源技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用
這次實(shí)驗(yàn)依托蘭州重離子加速器的冷卻儲(chǔ)存環(huán)和320千伏高電荷態(tài)離子綜合研究平臺(tái)開展，這兩個(gè)先進(jìn)的科研平臺(tái)為他們提供了研究所需的高品質(zhì)離子束流。
“我們利用反應(yīng)顯微成像譜儀迅速準(zhǔn)確地探測(cè)末態(tài)電子和離子碎片，就像是在微觀世界中捕捉那些稍縱即逝的‘魔法粒子’�！瘪R新文研究員形象地比喻道。
然而，重離子實(shí)驗(yàn)的物理難度極大，生物分子大多處于液體或固體狀態(tài)，如何在不破壞高真空環(huán)境的前提下，產(chǎn)生可模擬機(jī)體組織的氣體靶，是一個(gè)非常棘手的問題。
為了深入探究重離子治癌的微觀機(jī)理，科研人員精心設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。他們選取了DNA的基本結(jié)構(gòu)單元——嘧啶分子作為模型，將其與水分子結(jié)合形成團(tuán)簇，以此來模擬生物體內(nèi)的真實(shí)環(huán)境。
為此，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了先進(jìn)的混合團(tuán)簇源技術(shù)。這一技術(shù)能夠?qū)⒐腆w或液體的生物分子通過加熱形成蒸氣，再利用載氣將蒸氣帶入反應(yīng)成像譜儀中，形成嘧啶分子和水的混合團(tuán)簇。這一設(shè)計(jì)巧妙地將生物分子置于類似于人體組織的水環(huán)境中，又盡量保持體系簡(jiǎn)單易于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，為研究重離子與生物體系的相互作用提供了合理又可行的條件。同時(shí)，通過這種方式，他們也成功地克服了在高真空環(huán)境下進(jìn)行生物分子實(shí)驗(yàn)的難題。
“因?yàn)檠芯繉?duì)象是生物分子，這是液體的狀態(tài)。我們把固體或者是液體先通過加熱的方式讓它形成蒸氣，有了這個(gè)蒸氣之后，團(tuán)隊(duì)需要用氦作為載氣，先后通過實(shí)驗(yàn)所需的嘧啶和水的蒸氣，然后注入到反應(yīng)譜儀中和重離子碰撞。我們通過不懈努力，最終成功制備了實(shí)驗(yàn)所需的水合嘧啶團(tuán)簇�！痹S慎躍研究員詳細(xì)地介紹了混合團(tuán)簇源技術(shù)的原理和應(yīng)用過程。
在這一過程中，最大的難題在于如何摸索出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的團(tuán)簇并控制它的大小。樣品溫度、載氣壓強(qiáng)等參數(shù)都會(huì)影響團(tuán)簇的形成，需要一次次的試驗(yàn)來摸索最佳條件。經(jīng)過近兩年的努力，團(tuán)隊(duì)終于得到了他們想要的結(jié)果。那會(huì)團(tuán)隊(duì)所有人都很高興，證明他們的方案是很有效的。
研究發(fā)現(xiàn)：分子間能量和質(zhì)子轉(zhuǎn)移的驚人秘密
“我們整個(gè)研究工作涉及實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算和模擬等幾大塊內(nèi)容。我負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析，工作量很大，原始數(shù)據(jù)就有幾百個(gè)G。從開始分析到得出初步結(jié)果大概需要幾周時(shí)間，但整個(gè)過程并非一帆風(fēng)順�！苯�代物理所博士生高岳回憶道：“例如，我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)遇到了一個(gè)難題。由于電子的信息測(cè)量不全，我們無法直接得到電子的能量信息。這讓我們一度陷入了困境。就在這時(shí)，我的導(dǎo)師許慎躍研究員建議我們可以借助反阿貝爾變換的方法來解決這一缺陷。這一方法果然奏效，我們最終成功地還原出了電子能譜，這在揭示衰變機(jī)制中起到了關(guān)鍵作用。”
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重離子輻照之后低能電子產(chǎn)額顯著增強(qiáng)。結(jié)合分子能級(jí)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)模擬等理論手段的分析表明，這種增強(qiáng)是由水分子的內(nèi)殼層電離誘發(fā)分子間級(jí)連衰變導(dǎo)致的。內(nèi)殼層電離的水分子會(huì)通過分子間庫侖衰變（ICD）將能量傳遞給嘧啶分子，導(dǎo)致嘧啶分子電離并釋放一個(gè)低能電子。這一過程還會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)水分子之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生有殺傷力的羥基自由基（HO）。
通常認(rèn)為，內(nèi)殼層電離的水分子并不直接作用到DNA分子，而是通過自身解離的方式進(jìn)一步衰變。而這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)殼層電離的水分子不僅會(huì)直接破壞 DNA的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還在鄰近區(qū)域產(chǎn)生更多的低能電子和羥基自由基等有殺傷力的次級(jí)粒子，對(duì)DNA造成進(jìn)一步傷害。
許慎躍強(qiáng)調(diào)：“這個(gè)級(jí)聯(lián)衰變過程就像是一場(chǎng)連鎖反應(yīng)，不僅直接破壞DNA，還在它周圍產(chǎn)生了有殺傷力的粒子，使得 DNA 雙鏈同時(shí)被破壞的可能性大大增加。這種級(jí)連過程的破壞性遠(yuǎn)大于僅僅由水分子直接解離所造成的傷害�！�
此外，與電子、X射線和質(zhì)子等其它射線相比，重離子輻照引起水分子內(nèi)殼層電離的比例顯著增強(qiáng)，意味著會(huì)有更多級(jí)聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，從而造成更大的破壞。
馬新文表示：“這一發(fā)現(xiàn)讓我們非常興奮。它揭示了重離子治療癌癥中的一種重要機(jī)制，即次級(jí)粒子的倍增效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于我們更深入地理解重離子治療的微觀機(jī)理，還為優(yōu)化治療方案提供了新的思路。”許慎躍也補(bǔ)充道：“在投稿過程中，審稿人對(duì)我們工作的評(píng)價(jià)都非常高，在提出詳細(xì)改進(jìn)意見的同時(shí)，還有一位審稿人在審稿報(bào)告中祝賀我們所取得的成功。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.011053
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