空间辐射Fe离子致DNA链断裂纳剂量学研究

The influence of high charge (Z) and energy (E) ions (HZE) in risk assessment of space radiation on astronauts is a main concern of researchers. The track structure induced by HZE on biological materials is extremely complicated and yields stronger bio-effects. The track structure has a close relationship with the bio-effects. Meanwhile, DNA is an important target which ionizing-radiation affects on cells. In order to accurately evaluate the radiation bio-effects on astronauts from HZE in space radiation, it is needed to study the particle track structure on DNA domain in nano-scale. However, the cross-section of liquid water is commonly used in this field. It may lead inaccurate evaluations of DNA injury induced by HZE in space radiation. In this study, we will deduce the cross-section of iron ions on DNA bases and establish the plasmid model, then code Monte-Carlo simulation program. The ionizing track structure induced by iron ions will be simulated and the yield of single and double strand breaks of DNA will be calculated. This study will provide theoretical basic data for a better understanding of the primary interactions between iron ions and DNA.

空间辐射风险评价中重离子对航天员的影响一直是研究人员关心的问题。高能重离子作用于生物物质时的径迹结构极为复杂，会产生更高的生物学效应。电离辐射径迹与生物效应有密切的联系，而DNA是电离辐射作用于细胞的重要靶点，因此为准确评价空间辐射重离子对航天员的辐射效应，需在纳米尺度研究DNA结构基于电离簇形成的粒子径迹结构。但目前相关研究主要使用液态水的反应截面数据，这可能对空间辐射高能重离子致DNA损伤做出不准确的评价。本研究拟推导出Fe离子与DNA碱基的截面数据，并建立质粒DNA模型，基于建立的模型和截面数据，编写蒙特卡洛模拟计算程序，计算Fe离子作用于DNA时产生的电离辐射径迹，并进一步计算DNA单双链断裂产额，为更好得理解Fe离子与DNA相互作用的原初过程提供理论数据。

空间辐射重离子作用于生物物质时的电离径迹结构极为复杂，相较于光子和电子的能量沉积密度、剂量分布等性质有很大不同，会产生更高的辐射生物效应，但从宏观剂量学的层面还无法给出很好的解释。DNA是电离辐射作用于细胞的重要作用靶点，在纳米尺度研究基于电离簇形成的粒子径迹结构，有助于为今后深空探测航天员辐射风险评价工作提供帮助。本项目利用建立了DNA原子模型，并利用蒙特卡洛方法计算了100MeV/n、500MeV/n、1GeV/n和2GeV/n Fe离子不同入射方向引起的DNA链能量沉积和断裂情况，并比较了20MeV/n~2GeV/n Fe离子和10keV/n~100MeV/n质子造成的DNA单双链断裂结果，主要研究结果和结论包括：（1）利用pdb4DNA程序，通过PDB蛋白质数据库的DNA结构信息，建立了1ZBB的DNA原子模型，包含核苷酸、核小体和残基；（2）利用Geant4程序计算了Fe离子与DNA结构相互作用，发现Fe离子能量相同时，入射方向为DNA模型沿双螺旋方向水平与垂直的沉积能量和断裂数量（包括单链和双链）基本一致，均远小于全向随机的入射方式；入射方向相同时，随着Fe离子能量增加，DNA链的沉积能量和断裂个数在减少，并呈指数下降趋势；100MeV/n Fe离子引起的DNA的单双链断裂最多，尤其是在全向随机入射条件下；从传能线密度角度分析DNA单双链断裂，Fe离子和质子变化规律基本一致，但从入射粒子能量角度来看，Fe离子造成的DNA链断裂明显高于同能量质子。本项目研究成果可为今后深空探测航天员辐射风险评价提供给基础数据。