基于微剂量学的真实细胞体素模型及其初步应用研究

Radio-biological effects begin with radiation physical processes, and the later is closely associated with the effects in cells and inter-cellular communication. The most significant element in radio-biological effects is the radiation energy deposited in cells, especially in nuclei. Single cell model and the cell community model play some role in evaluating and constructing dose-effect model for micro- and nano-dosimetry research purpose. This study aims to overcome the major defects of previous cell models, such as the simple construction and composition (only liquid water). Based on microscopy technique and image recognition algorithm, the real cell voxel models will be developed and become the foundation for developing the tissue model. For these real single voxel models, the track construction research with determination of microdosimetric quantities, such as specific energy and lineal energy in different size site and radio-biological cell experiments (cell survive and DNA chains broken rate) will be performed to obtain the relationship between macro-dosimetric quantities and microdosimetric quantities in radiation protection and radiological therapy. This work will play a key role for mechanistic research of radio-biological effect and act as an important base in promoting the radiation technology.

辐射生物效应以物理过程为起点，其程度与细胞内的响应机制和细胞间的相互影响关系密切。辐射能量在细胞内尤其是在细胞核内的沉积特点对效应而言是关键要素。单细胞模型及细胞群落模型是从微剂量学研究角度开展效应评估及构建剂量-效应模型的基础，亦是进一步开展组织模型研究的前提。本研究针对传统细胞模型结构简单粗略和介质单一等不足，基于显微图像技术和识别算法构建不同辐射敏感性体细胞的真实三维体素模型，再据此建立相应的细胞群落模型，并探索组织模型的构建方法。从物理角度进行不同类型射线在上述模型中的径迹结构研究和不同尺寸位点的微剂量学量（比能、线能及分布）定量研究，将之与相应的细胞放射生物学实验结果（细胞存活率、DNA链断裂率）相结合，以获取当前辐射防护和放射治疗应用亟需的宏观剂量学指标与微剂量学量之间的关系和规律。本研究对辐射效应机制探索、低剂量照射量效关系及辐射技术推进应用而言具有重要基础意义和实用意义。

本研究针对辐射生物效应的起点（物理过程），通过辐射能量在细胞内尤其是在细胞核内沉积特点的定量对效应的关键要素进行分析。本研究针对传统细胞模型结构简单粗略和介质单一等不足，基于显微图像技术和识别算法构建不同辐射敏感性体细胞的真实三维体素模型，并探索组织模型的构建方法。从物理角度进行不同类型射线在上述模型中的径迹结构研究和不同尺寸位点的微剂量学量（比能、线能及分布）定量研究。.本研究建立了集细胞培养、染色、选择等生物学手段以及激光共聚焦显微镜扫描、拍摄和成像等仪器手段和数据平滑、压噪、验证等算法手段为一体的模型构建技术，完成了包括骨髓、小肠内皮、胸腺、肺上表皮、胃表皮、肝、淋巴、肾、乳腺等九种人类正常细胞的体素化建模，构建出迄今为止精度最高的细胞体素模型（0.172*0.172*0.15um）。.本研究以上述体素化真实细胞模型为对象，针对50keV~1MeV的电子，细致分析了常用的简单几何细胞模型和真实体素模型之间在辐射能量沉积和微剂量学量线能、比能分布和均值之间的差异，该项工作奠定了实际辐射防护和放射治疗状况下真实细胞群落模型辐射场特征及细胞损伤特征获取的基础。.本研究在生物细胞生长机理以及莫诺德微分方程模型的基础上， 推导出生物细胞生长以及底物消耗的微分方程，并基于此建立模拟生物细胞生长的元胞自动机模型( CABCGM) 。以 Matlab 为开发工具来实现模型编程，并进行仿真实验。结果表明， 利用元胞自动机建立的生物细胞的生长模型与实际微分方程细胞的生长曲线比较吻合， 所得元胞自动机能较好地描述细胞生长的演化行为。.本研究对辐射效应机制探索、低剂量照射量效关系及辐射技术推进应用而言具有重要基础意义和实用意义。