本文发表于《International Journal of Radiation Biology》2024年第100卷第4期，作者是来自清华大学工程物理系、粒子与辐射成像教育部重点实验室以及Nuctech公司（同方威视）的Ankang Hua、Wanyi Zhou、Rui Qiu、Shuoyang Wei、Zhen Wu、Hui Zhang和Junli Li。这项研究属于放射生物学与计算模拟交叉领域，旨在建立一个更精确、更全面的辐射氧效应计算模型，并深入探究抗氧化剂和过氧自由基在该效应中的作用。

研究背景与目的

氧气是关键的辐射增敏剂，在辐射生物学中扮演着至关重要的角色。经典的观察表明，缺氧条件下的细胞比常氧条件下对辐射损伤更具抵抗力，这一现象被称为“氧效应”。氧增强比（Oxygen Enhancement Ratio, OER）是量化这一效应的关键参数。长期以来，解释氧效应的理论主要有两个：“氧固定假说”和“损伤迁移假说”。前者认为，辐射产生的DNA自由基与氧气反应生成过氧自由基，从而“固定”了损伤，使其无法被细胞内修复机制轻易逆转；后者则指出，碱基损伤衍生的过氧自由基可以进一步将损伤“迁移”到DNA骨架上，导致更严重的链断裂。抗氧化剂（如谷胱甘肽GSH）能够与DNA自由基反应，实现“化学修复”，并与氧固定过程竞争；同时，它们也能与过氧自由基反应，阻止损伤迁移。

尽管已有许多数学模型和蒙特卡洛模拟代码（如GEANT4-DNA、PARTRAC、KURBUC）被开发用于研究辐射效应，但许多现有模型要么忽略了抗氧化剂的影响，要么未能充分考虑过氧自由基在损伤迁移中的作用。这导致OER曲线常被视为普适的，而实际上不同细胞类型因其抗氧化剂含量不同，OER响应可能存在显著差异。因此，本研究旨在建立一个整合了氧固定、抗氧化剂化学修复以及碱基过氧自由基损伤迁移的综合性计算模型，并将其耦合到清华大学实验室自主研发的径迹结构蒙特卡洛模拟代码NASIC中，以更精确地模拟不同氧浓度和抗氧化剂条件下DNA损伤的形成，并定量分析抗氧化剂和过氧自由基对OER曲线的影响。

详细研究流程与方法

本研究是一个计算模拟研究，其核心流程是将新开发的氧效应模块集成到现有的NASIC代码框架中，并通过模拟计算来探索机制。研究不涉及传统意义上的实验样本，其“研究对象”是模拟的DNA几何模型及其中发生的物理化学过程。模拟的辐射源是Cs-137释放的伽马射线（代表低传能线密度辐射）。整个工作流程包含以下几个主要步骤：

1. NASIC代码框架与氧模块集成：NASIC是一个多阶段模拟代码，依次包含物理模块、预化学模块、化学模块和生物损伤模块。本研究新增了“氧模块”，置于化学模块之后、损伤模块之前。物理模块模拟辐射粒子与水分子相互作用，生成能量沉积分布。预化学模块模拟水辐解产物的产生和亚激发电子的热化。化学模块模拟这些化学物种（如羟基自由基·OH、水合电子e_aq-）之间的相互反应及其与DNA的间接作用，生成潜在的DNA损伤位点（即DNA自由基）。这些潜在损伤位点随后被输入到新的氧模块中进行处理。

2. 氧相关反应的建模与参数化：氧模块是本研究的关键创新。它模拟了围绕DNA自由基的一系列竞争性化学反应：

   • 化学修复：DNA自由基（DNA·）与抗氧化剂（以GSH为代表）反应，恢复为完整DNA。
   • 自然固定：DNA自由基自发转化为不可逆的DNA损伤。
   • 氧固定：DNA自由基与氧气反应，生成DNA过氧自由基（DNA-OO·）。
   • 损伤迁移：碱基衍生的过氧自由基（DNA-OO·）可以从邻近的核苷酸糖基上夺取氢原子，产生新的DNA自由基，从而将损伤从碱基迁移到DNA链上，可能导致额外的链断裂。
   • 过氧自由基清除：DNA过氧自由基与抗氧化剂反应，终止链式反应，防止损伤迁移。 这些反应被建模为一个随机过程。对于每个DNA自由基或过氧自由基位点，程序根据各反应的一级速率常数（k1至k5）采样指数分布的反应时间，并选择最先发生的反应路径。反应速率常数基于文献中的实验数据设定，例如氧固定的二级速率常数约为8.9×10^7 M^-1 s^-1，化学修复速率（k1）与抗氧化剂浓度成正比，损伤迁移速率常数（k5）约为0.77 s^-1。

3. DNA损伤评估与OER计算：经过氧模块处理后，剩余的、未被修复的DNA损伤（如碱基损伤、单链断裂）被传递给损伤模块。该模块根据损伤的空间位置（如两条链上相邻的断裂）统计最终的双链断裂（DSB）和复杂DSB（DSBc，即DSB附近10个碱基对内存在额外断裂）。OER的计算采用经典定义：在缺氧条件下产生特定数量DSB所需剂量与在给定氧浓度下产生相同数量DSB所需剂量的比值。

4. 模型校准与验证：由于细胞内抗氧化剂种类和浓度差异很大，模型中的关键参数k1（化学修复速率）需要针对特定细胞条件进行校准。研究者利用Ling等人（1981年）关于CHO细胞的实验数据，该数据提供了多个氧浓度下的OER值。通过调整k1值，使模型模拟出的“半最大OER对应的氧浓度”与实验值（0.5% O2，约5.32 μM）相匹配，从而确定了适用于该实验条件的k1值（约270 s^-1）。随后，用此参数集模拟完整的OER曲线，并与Ling等人的实验数据点进行对比，以验证模型的可靠性。

5. 效应探究模拟：在验证模型后，研究者进行了一系列模拟来探究特定因素的影响：

   • 抗氧化剂对OER曲线的影响：固定其他参数，系统改变k1值（代表不同抗氧化剂水平），模拟生成一系列OER曲线，分析k1对最大OER值及半最大OER对应氧浓度的影响。
   • 抗氧化剂对常氧细胞DNA损伤的影响：在固定高氧浓度（200 μM）下，改变k1值，观察DSB数量的变化，以探究超出氧固定假说之外的机制。
   • 过氧自由基的作用：固定氧浓度和k1，改变损伤迁移速率（k5）与过氧自由基被抗氧化剂清除速率（k4）的比值（k5/k4），观察DSB数量及其复杂度的变化。

主要研究结果

1. 模型成功验证：使用从Ling等人实验数据校准得到的参数（k1 ≈ 270 s^-1），本研究建立的模型所模拟出的OER曲线与Ling等人的实验数据拟合曲线高度吻合。这表明，该整合了抗氧化剂和过氧自由基反应的模型能够有效地复现真实的放射生物学氧效应数据，证明了模型的有效性。

2. 抗氧化剂对OER曲线形状的定量影响：

   • 模拟结果显示，化学修复速率参数k1与“半最大OER对应的氧浓度”呈线性正相关。这直观地体现了抗氧化剂与氧气在争夺DNA自由基方面的竞争关系：细胞内抗氧化剂水平越高（k1越大），需要更高的氧浓度才能达到一半的最大增敏效果。
   • 同时，最大OER值也随k1的增加而增加，并在k1约300 s^-1后增长趋于平缓，最大OER值约为3-3.5。这表明，含有高水平抗氧化剂的细胞，在完全氧合状态下可能表现出更显著的辐射氧效应。这一结果挑战了“仅考虑氧固定时，抗氧化剂不影响完全氧合细胞生物效应”的传统观点。

3. 过氧自由基在损伤放大中的作用及抗氧化剂的第二重保护机制：

   • 在完全氧合（200 μM O2）条件下，模拟发现随着抗氧化剂浓度（k1）增加，DSB数量反而减少。这一现象无法用单纯的氧固定假说解释，因为在高氧环境下，DNA自由基应几乎全部被氧气固定。该结果直接支持了损伤迁移假说：抗氧化剂通过清除DNA过氧自由基（反应R4），阻止了其将损伤迁移至DNA链，从而减少了最终DSB的数量。这揭示了抗氧化剂保护作用的第二条重要途径。
   • 进一步模拟改变损伤迁移与过氧自由基清除的速率比（k5/k4）发现，当损伤迁移的相对贡献增大时（即k5/k4增大），产生的DSB数量更多，且复杂DSB（DSBc）的比例也升高。这证实了碱基过氧自由基的损伤迁移是导致DNA损伤放大和复杂化的重要因素，而抗氧化剂通过终止这一链式反应发挥着关键的保护作用。

研究结论与意义

本研究成功建立并验证了一个基于径迹结构蒙特卡洛模拟的、更全面的辐射氧效应计算模型。该模型创新性地同时包含了氧固定、抗氧化剂化学修复以及碱基过氧自由基损伤迁移等关键化学反应。研究得出结论： 1. 抗氧化剂通过两种主要途径影响辐射氧效应：一是通过与氧气和自然固定竞争，修复DNA自由基，这直接影响OER曲线的形状（最大OER和半最大OER对应的氧浓度）；二是通过清除过氧自由基，阻止损伤从碱基向DNA链的迁移，这即使在完全氧合条件下也能提供保护。 2. 过氧自由基介导的损伤迁移是导致DNA损伤（尤其是复杂损伤）放大的重要机制。 3. 不同细胞类型因其抗氧化剂组成和浓度的差异，会拥有不同的OER曲线。因此，在放射生物学实验和放射治疗中，忽视抗氧化剂的差异可能导致错误结论或疗效偏差。 4. 该模型为深入研究辐射氧效应及相关化学因素（如抗氧化剂、过氧自由基）的作用提供了一个有价值的计算工具。研究结果也暗示，过氧自由基相关的反应可能在FLASH放疗（超高剂量率放疗）的效应机制中扮演重要角色。

研究亮点

1. 模型创新性：本研究没有局限于传统的氧固定假说，而是建立了一个整合了“氧固定”、“化学修复”和“损伤迁移”三个核心化学过程的综合性计算模型，对氧效应的描绘更为全面和精细。
2. 机制深入探究：通过参数化模拟，清晰量化并区分了抗氧化剂影响OER的两条独立路径，并明确展示了过氧自由基在导致DNA损伤复杂化方面的作用，为理解抗氧化型辐射防护剂的机制提供了新见解。
3. 对经典观点的补充与修正：研究结果明确指出，由于抗氧化剂水平的差异，不同细胞的OER曲线并非通用。这纠正了以往一些模型忽略抗氧化剂影响、将OER曲线视为普适的简化做法，强调了在放射生物学研究和临床应用中考虑细胞微环境化学差异的重要性。
4. 工具价值：将模型作为模块集成到自主开发的NASIC代码中，形成了一个可用于从微观机制层面系统性研究辐射氧效应及其影响因素的模拟平台，具备扩展到研究其他条件（如FLASH放疗）的潜力。

其他有价值内容与局限

文章还讨论了该模型与已有文献模型的区别，强调了其对抗氧化剂和过氧自由基作用的考量是重要拓展。同时，作者也客观指出了本研究的局限性：1) 径迹结构模拟本身包含简化和近似，部分参数需根据实验结果调整；2) 氧相关反应路径和参数基于有限实验数据估算，存在不确定性，且模型对抗氧化剂的处理（以GSH为代表）和反应网络的构建进行了必要简化；3) 当前模型未包含细胞自身的生物修复过程；4) 模型目前仅适用于低LET辐射。这些均为未来的研究指明了改进方向，例如耦合生物修复模块、扩展至高LET辐射等。