整合局部效应与DNA损伤的统一框架：基于亚微米尺度能量沉积的细胞存活模型参数推导

《International Journal of Radiation Biology》：A unified framework integrating local effect and DNA damage for the derivation of cell survival model parameters

本综述系统评述了整合局部效应模型(LEM)、DNA损伤模型(DDM)和巨环二元损伤(GLOBLE)模型，用于预测X射线和α粒子照射后细胞存活分数(SF)的研究。文章通过Geant4-DNA模拟，在亚微米尺度(540 nm)3分析局部能量沉积与DNA双链断裂(DSB)的空间分布，揭示了高线性能量转移(LET)辐射（如110和140 keV/μm的α粒子）通过诱导更复杂的DSB簇(clustered DSBs)增强细胞致死效应的机制。研究为理解辐射质量(LET)影响生物效应的纳米尺度物理基础提供了重要见解。

　　

背景与目的

当相同能量沉积于细胞靶标时，DNA损伤及随之而来的细胞应答会因能量在细胞关键体积内沉积的密度和分布模式而异。DNA双链断裂(DSB)被认为是导致细胞效应的最关键事件。局部效应模型(LEM)、DNA损伤模型(DDM)和巨环二元损伤(GLOBLE)模型已被用于预测辐射暴露下的细胞存活。本研究旨在通过量化辐射对细胞靶标（如局部能量沉积和DSB产生）的影响，在一个统一框架内实现预测辐射暴露下细胞存活的计算建模。

方法

1. 1.
   模拟设置：利用Geant4-DNA的物理模型模拟X射线和α粒子与生物物质的相互作用。细胞核被建模为一系列(540 nm)³亚体积的集合。分析沉积到单个亚体积的能量的统计变异，以计算DSB产量和DSB多重性。
2. 2.
   辐射源与几何：定义了一个10 μm直径的盘状源，发射X射线（150 kVp，平均能量54.3 keV）和α粒子（LET为110和140 keV/μm），与目标细胞核接触。α粒子从下方照射，穿过真空和4 μm厚的Mylar培养皿底部后进入细胞。
3. 3.
   细胞存活分数计算：
   • •
     LEM：基于亚体积的局部剂量分布计算细胞SF。它假设相等的局部剂量产生相等的生物效应，并引入了局部剂量阈值(d_th= 42.7 Gy)来反映过杀效应(overkill effect)，即局部剂量超过阈值后，额外的能量沉积不再增加致死事件。
   • •
     DDM：基于细胞核中DSB的总数(N_T)以及DSB对之间潜在的相互作用数(C_T)来计算SF。该模型为每个亚体积内的DSB数量设置了阈值(N_th= 2)，即一个亚体积内超过2个DSB不贡献额外的致死相互作用。
   • •
     GLOBLE模型：采用混合方法，使用纳米剂量学信息（DSB计数）对微剂量学单元（亚体积）进行分类，区分包含孤立DSB的亚体积(n_iso)和包含DSB簇的亚体积(n_clu)，并赋予它们不同的致死概率(ε_iso和ε_clu)。
4. 4.
   参数拟合：通过将模型计算出的SF曲线与大鼠间脑(RD)细胞和大鼠神经胶质肉瘤(RG)细胞的实验数据（通过克隆形成实验获得）进行拟合，来优化各模型的参数（如LEM中的α_E, β_E；DDM中的α_D, β_D；GLOBLE中的ε_iso, ε_clu），目标是使决定系数(R2)尽可能接近1。

结果与结论

1. 1.
   细胞核命中与剂量分布：模拟显示，在低平均核剂量（< 1 Gy）下，大部分被击中的细胞核仅被单个α粒子穿过，导致剂量分布呈偏态。随着剂量增加，多次击中的频率增加，分布变得更对称。α粒子（高LET）的能量沉积比X射线（低LET）更集中在更少的亚体积中。
2. 2.
   亚体积能量沉积与DSB：X射线照射下，大部分（> 90%）含有DSB的亚体积仅包含单个DSB。而α粒子照射下，大部分（> 50%）含有DSB的亚体积包含多个DSB（即DSB簇）。140 keV/μm的α粒子比110 keV/μm的α粒子在击中的亚体积内产生更高的DSB多重性。DSB产额和复杂DSB（簇状DSB）的比例随辐射LET的增加而增加。
3. 3.
   模型比较与验证：
   • •
     引入阈值（局部剂量阈值或DSB数量阈值）的LEM和DDM能更好地拟合实验数据，特别是对于高LET的α粒子，这反映了“过杀”效应。
   • •
     结果表明，预测细胞杀伤效应的更好参数是受DSB影响的亚体积数量，而不是单个亚体积内的DSB多重性。这与GLOBLE模型的核心思想一致，即细胞致死更取决于受损染色质环（亚体积）的数量，而非单个环内的损伤严重程度。
   • •
     DDM（设定N_th=2）和GLOBLE模型的预测结果具有相似性，支持了DSB簇的形成及其空间接近性是高LET辐射相对生物有效性(RBE)增高的重要机制。
4. 4.
   总体结论：本研究在一个统一的模拟框架内比较了三种基于微纳剂量学的生物物理模型（LEM, DDM, GLOBLE）。结果表明，考虑局部能量沉积或DNA损伤的空间分布模式（特别是引入阈值效应来表征过杀）对于准确预测不同LET辐射的细胞存活至关重要。高LET辐射的更强杀伤力主要源于其能在更多独立的亚体积（染色质环）中诱发损伤（通常是复杂的DSB簇），而非单纯增加每个亚体积内的损伤数量。这为理解辐射质量效应提供了更深入的物理生物学见解。