Proton radyoterapisi sırasında meydana gelen hasarın nedenleri, DNA’nın proton radyasyonuna verdiği elektron uyarımı tepkisi üzerine yapılan araştırmalarla açıklığa kavuşturuldu. Radyasyon biyolojisi alanında iyonlaştırıcı radyasyonun insan sağlığı üzerindeki etkileri üzerine yapılan çalışmalara göre, deoksiribonükleik asit (DNA) radyasyonun zararlı etkilerinin ana hedefidir. İyonlaştırıcı radyasyon, DNA’da çift sarmal kırılmalarına neden olacak kadar önemli lokalize enerji birikimine neden olabilir, bu da mutasyonlara, kromozomal anormalliklere ve gen ifadesinde değişikliklere neden olabilir. Radyasyon tedavileri oluşturmak ve radyasyondan korunma önlemlerini geliştirmek için, bu etkileşimlerin altında yatan mekanizmaları anlamak çok önemlidir.
Chapel Hill’deki Kuzey Carolina Üniversitesi’nden Christopher Shepard ve meslektaşları, yüklü parçacık radyasyonuna maruz kaldığında DNA molekülünün hangi kısmının zararlı enerjileri emdiğini tam olarak göstermek için güçlü bilgisayar simülasyonları kullanıyor. Araştırmaları bir gün kanser tedavilerinin ve insan uzay uçuşlarının uzun vadeli radyasyon etkilerinin azaltılmasına katkıda bulunabilir.
Radyasyonun DNA’nın elektriksel yapısı ile etkileşime girmesi karmaşık bir süreç gerektirir. Bu etkileşimlerin atomik düzeydeki kesin dinamikleri, şu anda radyobiyoloji ve terapötik radyoterapide kullanılan bilgisayar modelleri tarafından yakalanmamaktadır. Bunun yerine bu modeller, hücre hacmini geçen foton veya iyon gibi bir radyasyon parçacığının geometrik kesitler kullanarak DNA ipliklerinden birini veya her ikisini kırmak için yeterli enerjiyi iletip iletmeyeceğini belirler. Modeller, atomik düzeydeki etkileşimleri tanımlamadan, yalnızca bir hücre popülasyonunun belirli bir doz radyasyon aldıktan sonra üremeyi durdurma olasılığını verir.
Hücreleri etkisiz hale getirme potansiyeline sahip olan iyonlaştırıcı radyasyon, tümör büyümesini durdurmak için kullanılabilir. Gerçekte, radyasyon hala en sık kullanılan kanser tedavileri arasındadır. Ancak, kanseri tedavi etmek için kullanıldığında, tedavinin sağlıklı dokular üzerinde olumsuz etkileri olabilir. Yüksek enerjili fotonlar, gama ışını ve x ışını tedavisinde vücuda girdikten sonra hızla enerji kaybeder. Öte yandan, ağır iyon radyoterapisinde kullanılan yüklü parçacıklar enerjilerinin çoğunu yolculuk mesafelerinin sonuna yakın kaybederler. Özellikle hızlı hareket eden parçacıklar için çok kısa bir mesafedeki bu yüksek enerji kaybı, kısıtlı bir hacimde biriken enerjide önemli bir artışa neden olur.
Yüklü bir parçacık demetiyle bir tümör formunu ve derinliğini hassas bir şekilde hedefleme yeteneği, radyoterapistlerin tümörün önündeki sağlıklı dokuyu korurken, tümörün ötesindeki sağlıklı dokulara verilen zararı azaltmasına olanak tanır. Seçiciliği nedeniyle ağır iyon radyasyonu, artık geleneksel tedavilerle tedavi edilemeyeceği düşünülen maligniteleri iyileştirebilecek son teknoloji bir terapötik yaklaşımdır.
Elektron orbitalleri arasındaki Coulomb etkileşimleri, yüklü bir parçacığın bir ortama aktardığı enerjinin çoğundan sorumludur. “Radyasyon durdurma gücü” terimi, bir malzemenin elektronlar veya iyonlar gibi yüklü parçacıkları içinden geçerken geciktirme veya durdurma kapasitesini ifade eder. Bir ortamdaki bir atomu veya molekülü iyonize etmek için gereken ortalama enerji, bu kapasiteyi ölçmek için sıklıkla kullanılır.
Radyasyon tedavisinin etkinliği, bir maddenin durdurma gücü ölçülerek değerlendirilmelidir. Durdurma gücü tipik olarak biyolojik dokular için hareketin milimetresi başına harcanan enerji cinsinden ifade edilir. Bir DNA molekülü ortalama 2 nm genişliğe sahip olduğundan, durdurma gücünü DNA ölçeğinde ölçmek şu anda mümkün değildir.
Shepard ve meslektaşları, yüksek enerjili protonlardan çözünmüş DNA’ya veya şeker-fosfat yan zincirlerine ve nükleobaz omurga bileşenlerine bölünmüş bir DNA çözeltisine enerji transferini, süper bilgisayarlarda büyük ölçekli hesaplama simülasyonu kullanarak ölçtüler. DNA sisteminin moleküler karmaşıklığını zamana bağlı yoğunluk-fonksiyonel teorisini (DFT) kullanarak değerlendirdiler. DFT, katıların, moleküllerin ve atomların elektronik bileşimini araştırmak için kullanılan bir hesaplama tekniğidir. Sistemin elektron yoğunluğunu karakterize eden tek bir fonksiyonun çok elektronlu bir sistemin özelliklerini tahmin edebileceği fikrine dayanır.
DFT, sistemdeki her elektron için Schrödinger denklemini çözmek yerine elektronlar arasındaki etkileşimleri hesaba katmak için bir dizi varsayım kullanır ve bu da onu büyük sistemlerin elektronik yapısını belirlemek için etkili bir yöntem haline getirir. Geleneksel teknikler kullanılarak incelenmesi imkansız olan karmaşık sistemlerin elektriksel yapısının hesaplanması, yaklaşımlar sayesinde artık mümkündür.
Araştırmacılar, çözünmüş DNA sisteminin genel enerjisini elektron yoğunluğuna bağlı bir matematiksel fonksiyon olarak tanımlamak için simülasyonlar kullandılar. Belirli bir konumda ve belirli bir spine sahip bir elektron bulma olasılığını tanımlayan sistemin dalga fonksiyonu, elektron yoğunluğunu hesaplamak için kullanılabilir. Bu yöntemi kullanarak elektron yer değiştirmesinin protonun yolculuğu boyunca oldukça lokalize olduğunu ve fosfat zincirlerine daha yakın yörüngelerde çok daha yüksek olduğunu keşfettiler. Daha fazla yer değiştirme, DNA’nın şeker-fosfat omurgasının nükleobazlardan daha fazla enerji emdiği anlamına geliyor.
Simülasyonlar, durdurma gücünün ortamda üretilen deliklerin sayısal yoğunluğu ile ters orantılı olduğu yönündeki yaygın inanca şüphe düşürdü. Shepard ve meslektaşları, bulguları ışığında, çözünmüş DNA ortamının durdurma kapasitesinin aynı zamanda yaratılan deliklerin enerjisine de bağlı olduğunu iddia ediyor. Bulgularına göre, şeker-fosfat omurgası daha yüksek bir elektron deliği oluşturma frekansı sergiliyor ve bu da ciddi şekilde zararlı serbest radikallerin üretilmesine neden olabiliyor. Eşleşmemiş bir değerlik elektronuna sahip olan ve bu nedenle yerel ortamla son derece reaktif olan sulu atomlar veya moleküller serbest radikaller olarak bilinir. Radikallerin şeker-fosfat omurgasıyla reaksiyona girmesinin bir sonucu olarak, bir veya daha fazla DNA ipliği sonunda kırılabilir.
Bu çalışma, aksi takdirde laboratuvar ortamında yeniden üretilmesi zor olan karmaşık etkileşim dinamiklerini araştırmak için yüksek performanslı, çok çekirdekli bilgisayarların değerini ve gücünü göstermektedir. Bulgular, yüklü parçacıkların enerjilerinin çoğunu bir DNA molekülü içinde yoğunlaştırdıkları yerleri belirleyerek radyobiyoloji ve yüklü parçacık taşınımı fiziği arasındaki bilgi boşluğunu kapatmaya yardımcı olmaktadır. Bununla birlikte, çalışmanın sonuçlarını kabul etmek, araştırmacıların hipotezlerini destekleyen kapsamlı deneysel kanıtlar elde edilene kadar biraz ihtiyatla yapılmalıdır. Terapötik iyonlaştırıcı radyasyonun etkinliği, DNA hasarının altında yatan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasıyla geliştirilebilir. Ayrıca iyonlaştırıcı radyasyonun sağlıklı hücreler üzerindeki zararlı etkilerine karşı yeni ilaçlar gibi savunmalar oluşturabilirler.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/41
Günceleme: 14/03/2023 13:13