超高通量率辐照下自由基产率的蒙特卡罗模拟及其对FLASH放疗机制的启示

本文推荐：该研究采用Geant4-DNA模拟超高通量率（UHDR）辐照下活性氧自由基（ROS）的生成过程，创新性引入分区模型（compartment-based model）将水辐射分解模拟时间延长至毫秒级。研究发现初始氧浓度显著影响HO2•和O2?等自由基产率，而温度主要调控H•相关反应路径，为揭示FLASH效应（FLASH-RT）中自由基重组假说提供重要理论依据，对优化精准放疗方案具有指导价值。

　　

Highlight

电离辐射引发的水分子解离

水作为生物体的主要成分（占人体重量55%-80%），在低线性能量转移（LET）辐射中，约70%能量通过水辐射分解(water radiolysis)过程被吸收。该过程产生•OH、H•、e_aq^?等初级活性粒子，进而触发级联化学反应。

分区模型对自由基产率的影响

在化学反应阶段，传统布朗动力学模型计算效率低下。本研究采用创新的分区模型(voxel division)，将辐照区域划分为微观反应单元，显著提升毫秒级模拟效率，使自由基扩散与反应动力学的长时程观测成为可能。

结论

通过Geant4-DNA的UHDR模块模拟证实：氧浓度升高会显著增加HO₂•和O₂^?等有害ROS的产量，而低氧环境可能产生细胞保护效应；温度主要影响H•反应路径，升高温度会促进H₂和HO₂•的生成。这些发现为解释FLASH效应中"氧耗竭假说"和"自由基重组假说"提供了分子动力学证据。