基于两阶段随机过程的空间辐射损伤评估模型及其应用研究

Space radiation risk assessment is one of the critical issues in the radiation risk warning and protection of the astronauts in manned space flight project. However, the uncertainties of space radiation risk assessment for astronauts by the conventional method ranged from 400% to 600% at the 95% confidence interval, which is mainly due to the lack of the necessary data on the relative biological effectiveness (RBE) and risk cross section (RCS). As one of the important parts in the studies of radiation biological effects and risk assessments, radiation biophysical models can be used to quantitatively assess space radiation quality and radiosensitivity, etc. However, most of the commonly used radiation biophysical models have some limitations, and even some of the basic assumptions in these models are still controversial. This project combines two-stage processes of radiation damage and subsequent repair processes, to first investigate the probability distribution of radiation induced lethal damage in the cell, and then to establish a mechanical radiation biophysical model for both low- and high- linear energy transfer (LET). The present model is used to fit amounts of experimental datasets in radiation biology to study the radiation quality-dependent RBE and RCS, and cell-dependent radiosensitivity. Based on these results, we will further present a simple and effective method to assess space radiation damage, which can provide a theoretical support for space radiation risk warning and physical protection.

空间辐射风险评估是载人航天工程中航天员辐射风险预警和防护中的重要问题。而利用传统的方法评估航天员空间辐射风险的不确定性可达400-600%，这主要是由于缺乏相对生物学效应和辐射风险截面等方面的数据，使辐射品质因子的预测不准确所致。辐射生物物理模型作为辐射生物学效应及风险评估研究中的重要组成部分，可用于定量考查空间辐射品质因子和辐射敏感性等。然而，目前常用的辐射生物物理模型大都具有一定的局限性，甚至于一些基本的假设都存在很大的争议。本项目综合考虑两阶段辐射损伤过程及其后续的修复过程，研究辐射诱导的致死性损伤的概率分布，建立适用于高低传能线密度辐射的机制性生物物理模型。应用所建模型拟合大量的辐射生物学数据，研究不同辐射品质下相对生物学效应与风险截面的变化规律以及细胞辐射敏感性差异的内在机制，建立一种简单有效的空间辐射损伤评价方法，为空间辐射风险预警和物理防护提供理论支撑。

空间辐射风险评估是载人航天工程中航天员辐射风险预警和防护中的重要问题，而利用传统的方法进行航天员空间辐射风险评估存在很大的不确定性。空间辐射品质因子的预测不准确被认为是影响空间辐射风险评估准确性的最为重要的因素，其根源在于缺乏重离子辐射的相对生物学效应（Relative biological effectiveness，RBE）数据。为了准确地评估不同辐射品质的RBE，本项目基于两阶段辐射损伤机制，推导了辐射诱导致死性损伤服从复合泊松概率分布（内曼A型分布），进一步研究发现该分布在高低辐射通量下可分别退化为高斯分布和泊松分布。在此基础上，根据高低传能线密度（Linear energy transfer，LET）辐射损伤效应的特点，分别建立了适用于高低LET辐射的机制性生物物理模型，即基于高斯分布的靶效应模型和无定型径迹结构模型；除此之外，结合细胞应对辐射损伤后续的修复过程以及细胞耐受辐射损伤存在上限，还建立了一种带有封闭解的广义多击模型。通过大量的数值模拟和数据拟合分析，发现这些模型的预测性能明显优于传统辐射生物物理模型，参数分析表明本项目所提出的模型参数与辐射条件（如LET、剂量率以及氧气含量等）呈明显的依赖关系，且可用于反映辐射损伤产额。基于模型的拟合参数，本项目计算了不同辐射品质下RBE，结果表明在不同辐射粒子、不同存活水平以及不同细胞系中，LET与RBE的变化规律并不相同，RBE值与辐射粒子类型、存活水平和细胞系种类等因素有关。此外，应用所建立的模型研究表明，细胞辐射敏感性主要依赖于细胞损伤修复能力，而细胞修复能力受到LET和细胞周期等因素的调控。最后，基于所建立的模型，本项目还推导了生物有效剂量的计算公式，并基于临床放疗数据评估了不同辐射条件下肺癌的生物有效剂量；以及提出了一种简单有效的RBE预测方法，研究表明这种方法的准确性随着剂量的增加而增加。这些研究为建立我国自主的空间辐射风险评估与预警体系提供理论支撑。