更新 MPEXS2.1-DNA 蒙特卡罗代码：助力离子辐照下的水辐射分解模拟与放疗研究

为提升放疗效果，尤其是离子束放疗效果，研究人员开展了 MPEXS2.1-DNA 蒙特卡罗代码更新研究。通过引入新模型和考虑多电离过程，模拟结果与实验数据吻合良好，计算速度大幅提升，有助于研究 DNA 损伤机制。

　　在现代医学中，放疗是治疗癌症的重要手段之一，其中离子束放疗，如质子和碳离子束放疗，因其能在有效治疗肿瘤的同时，最大程度减少对周围健康组织的影响，受到了广泛关注。然而，要进一步优化放疗方案，就必须深入了解电离辐射引发的相互作用机制。在这一过程中，水辐射分解产生的间接作用对 DNA 损伤有着关键影响，其产生的羟基自由基等物质能破坏 DNA 结构，导致细胞损伤甚至死亡。据估算，在 X 射线照射下，间接作用对细胞存活的影响约占 80%。但目前，用于模拟水辐射分解和 DNA 损伤的 MPEXS2.1-DNA 蒙特卡罗模拟代码存在不足，其原始化学模型未涵盖反应活性氧物种（ROS，如 O^-、O₂、HO₂等）的详细化学反应，无法准确计算离子辐照下的水辐射分解物种的辐射化学产率。因此，开展相关研究对完善放疗机制、提高放疗效果意义重大。

为解决这些问题，日本高能加速器研究组织（High Energy Accelerator Research Organization，KEK）等机构的研究人员对 MPEXS2.1-DNA 进行了更新研究 。研究人员通过引入基于格林函数扩散方程（GFDE）理论的替代分步（SBS）模型，并将其命名为 GFDE-SBS 模型，同时考虑了多电离过程。最终研究得出，该更新后的模型模拟结果与之前研究的实验数据吻合良好，计算速度相比原模型提升约十倍，且适用于长达数十秒的长时间模拟。这一成果对于准确模拟辐射相互作用、研究 DNA 损伤机制具有重要意义，相关论文发表在《Scientific Reports》上。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是基于 MPEXS2.1-DNA 和 RITRACKS 代码的模拟技术，利用 MPEXS2.1-DNA 在 GPU 设备上运行的优势，结合 RITRACKS 处理化学反应的能力，引入 GFDE-SBS 模型；二是设置模拟参数，采用 TRACIRT 代码的参数集，确定化学参数并自动计算相关反应参数；三是进行对比模拟实验，通过设置不同的粒子辐照条件，对比模拟结果与实验数据，如进行水辐射分解模拟和 Fricke 剂量计模拟。

下面来看具体的研究结果：

• 辐射化学产率模拟结果：在电子辐照下，GFDE-SBS 模型能合理再现已发表数据趋势，与传统 SBS 模型（CONV-SBS）相比，由于考虑了静电作用力、自旋效应和背景反应，在某些分子物种的 G 值（辐射化学产率）上存在差异。例如，对于氢自由基，自旋效应使其组合自旋的单重态构型允许反应发生，使氢分子产率增加约 30%；对于 OH^-阴离子，附近带电分子间的静电力作用使其产率增加约 10% 。在碳离子辐照下，该模型可精确追踪分子扩散，评估水辐射分解物种的 4 维演化，为预测 DNA 分子损伤位置提供了依据。此外，研究还对比了不同离子辐照下典型水辐射分解产物 G 值的 LET（线性能量转移）依赖性，模拟结果与实验数据相符。随着 LET 增加，e_aq^-和?OH 生成后消耗增强，化学产率单调下降；而 H₂分子的 G 值则随 LET 增加而增加。对于过氧化氢（H₂O₂），在质子和 α 粒子辐照下，其 G 值随 LET 增加单调上升；在碳离子辐照下，当 LET 约为 200 keV/μm 时达到最大值，随后下降，这主要是由于多电离过程导致?OH 消耗增加，影响了 H₂O₂的生成 。
• Fricke 剂量计模拟结果：通过 Fricke 剂量计模拟，研究人员验证了 GFDE-SBS 模型在长时间尺度模拟中的有效性。模拟结果显示，质子辐照数十秒后，Fe³⁺的辐射化学产率达到约 15.6 [species/100 eV]，与国际辐射单位与测量委员会（ICRU）报告值相符，且计算的 G (Fe³⁺) 的 LET 依赖性也与实验数据一致，证实该模型适用于长达数十秒的模拟。
• 计算性能评估结果：与 CONV-SBS 模型相比，GFDE-SBS 模型的计算性能显著提升，计算速度提高了约十倍。这主要是因为 GFDE-SBS 模型采用固定时间步长，而 CONV-SBS 模型的动态时间步长在分子物种密集生成时会缩短，导致计算时间延长。

在研究结论和讨论部分，研究人员通过更新 MPEXS2.1-DNA，引入 GFDE-SBS 模型和多电离过程，提升了离子辐照下的水辐射分解模拟能力。模拟结果能准确再现不同粒子辐照下各种分子物种的化学产率数据，且 GFDE-SBS 模型适用于长时间尺度的化学模拟，计算效率更高。这一成果对于定量评估离子诱导的 DNA 损伤程度和 DNA 修复过程具有重要意义，有望为放疗方案的优化提供理论支持。同时，该模型在超高剂量率（UHDR）条件下的水辐射分解模拟中也具有优势，有助于从计算机模拟研究中深入了解 FLASH 效应，为未来放疗技术的发展开辟新的道路。