Новое исследование раскрыло ключевой механизм влияния этого вида терапии — межатомный кулоновский распад (ICD) в водной среде, инициированный облучением тяжелыми ионами. Оказалось, что перенос протонов между молекулами воды генерирует в живой ткани гидроксильные радикалы и гидратированные протоны, разрушающие ДНК. Над выводами работали ученые из Китая, России и Германии.
Терапия рака тяжелыми ионами показывает себя более эффективным методом лечения, чем рентген и протонная терапия. Однако механизмы, обеспечивающие это, до сих пор оставались неясными.
Международная команда исследователей внимательно изучила воздействие тяжелых ионов на уровне молекул. Для работы выбрали пиримидин, органическую молекулу — предшественника азотистых оснований ДНК и РНК. Модельные процессы деградации ДНК после облучения тяжелыми ионами изучали в тканевой среде. Ученые объединили молекулы пиримидина в кластеры с водой с помощью сверхзвуковой газовой струи.
Исследователи выбрали для работы пучки ионов углерода и железа, ими облучали кластеры пиримидина. Выяснилось, что в живых тканях, облученных пучком тяжелых ионов, внутренне-валентные ионизированные молекулы воды могут передавать энергию возбуждения молекулам ДНК через процесс межатомного кулоновского распада (Interatomic Coulombic decay, ICD). Исследование опубликовано в журнале Physical Review X.
«Выделенный нами процесс не только приводит к ионизации молекулы пиримидина с испусканием низкоэнергетического электрона, но и инициирует перенос протонов между молекулами воды, что приводит к образованию вредных для биологических молекул вторичных частиц — гидроксильных радикалов и гидратированных протонов», — объяснил профессор Шэньюэ Сюй (Shenyue Xu), один из авторов исследования.
Это открытие ставит под сомнение предположение о 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, одновременно высвобождая вредные вторичные частицы вблизи ДНК. А уже они воздействуют на ДНК, значительно повышая риск разрывов в двойной цепи кислоты.
Кроме того, по сравнению с другими видами радиации облучение тяжелыми ионами растит долю внутренне-валентной ионизации в молекулах воды, что существенно усиливает его биологическую эффективность по отношению к клеткам.