28 MeV质子束的放射生物学特性：揭示布拉格峰处DNA损伤谱变化驱动肿瘤细胞杀伤效应的机制

本研究通过系统分析28 MeV质子束在不同LET值（2.6-7.8 keV/μm）下对头颈鳞癌（HNSCC）和HeLa细胞的杀伤效应，首次证实布拉格峰处的高LET质子通过诱导持续性复杂DNA损伤（CDD）和染色体畸变，显著提高相对生物有效性（RBE达2.02）。创新性采用酶修饰中性彗星实验和OGG1 foci标记技术，揭示SSB/ALS修复延迟是CDD的主要特征，为质子治疗（PBT）临床RBE修正提供关键实验依据。

　　

在精准放疗领域，质子束治疗（Proton Beam Therapy, PBT）因其独特的布拉格峰（Bragg peak）效应——能将最大能量沉积在肿瘤靶区同时减少周围正常组织损伤，已成为癌症治疗的重要选择。然而，随着质子束在布拉格峰附近线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）的升高，其引发的生物效应不确定性始终困扰着临床决策。目前治疗计划仍沿用1.1的相对生物有效性（Relative Biological Effectiveness, RBE）标准，但越来越多的证据表明，高LET质子可能通过诱导更复杂的DNA损伤模式显著增强细胞杀伤效果。这一认知缺口使得精确量化PBT的放射生物学效应成为亟待解决的关键科学问题。

英国利物浦大学的研究团队在《Cell Death Discovery》发表的最新研究中，利用MC-40回旋加速器产生的28 MeV原始质子束，首次系统揭示了不同LET值（2.6-7.8 keV/μm）质子对头颈鳞状细胞癌（HNSCC）和HeLa细胞的放射生物学影响。研究发现布拉格峰处7.8 keV/μm的高LET质子可使RBE提升至2.02，并通过创新性的酶修饰中性彗星实验结合OGG1 foci标记技术，证实持续性单链断裂（SSB）和复杂DNA损伤（CDD）的积累是驱动这一效应的核心机制。

研究采用四大关键技术：① 克隆形成实验定量RBE值；② 碱性/中性彗星实验分析SSB和DSB修复动力学；③ 酶修饰彗星实验（APE1/NTH1/OGG1）特异性检测CDD；④ 胞质阻滞微核实验评估染色体畸变。所有实验均在FaDu、UMSCC12和HeLa细胞系中完成，每组数据均来自至少三次独立生物学重复。

Increased RBE as a function of LET across a pristine proton Bragg peak
通过比较入口剂量（2.6 keV/μm）与布拉格峰三个位置（4.3/5.4/7.8 keV/μm）的细胞存活曲线，发现所有细胞系均呈现LET依赖性杀伤效应。HNSCC细胞在最高LET时RBE达2.02，显著高于HeLa细胞（1.44），提示肿瘤类型特异性响应。线性二次模型分析证实5.4/7.8 keV/μm组的存活分数与入口剂量存在统计学差异（p<0.05）。

Increased proton LET leads to delays in the repair of DNA SSBs, but not DSBs
γH2AX/53BP1 foci分析显示DSB初始形成量无LET依赖性差异，但高LET组（7.8 keV/μm）在24小时仍存在未修复焦点。碱性彗星实验首次发现SSB/ALS修复在5.4/7.8 keV/μm组显著延迟（1-2小时p<0.05），提示CDD可能以SSB为主要组分。

CDD persistence is observed in cells with increasing proton LET
酶修饰中性彗星实验揭示：7.8 keV/μm质子诱导的CDD（氧化碱基损伤+无碱基位点）在4小时内持续存在（p<0.002）。OGG1 foci作为CDD标志物，在布拉格峰处显著增加并持久存在，与彗星实验结果相互验证。

Increased chromosomal aberrations are evident in cells with increasing proton LET
胞质阻滞微核实验显示7.8 keV/μm组微核频率较入口剂量增加3倍（p<0.001），核质桥和核芽（NBUDs）也显著增多，证实高LET质子引发基因组不稳定性。

这项研究通过多维度实验证实：布拉格峰处高LET质子通过诱导持续性SSB/ALS主导的CDD和染色体畸变，显著提升RBE值。特别值得注意的是，相比传统DSB焦点分析，研究首次通过酶修饰彗星实验直接证明SSB相关CDD的修复延迟是决定质子放射敏感性的关键因素。这一发现不仅为PBT临床RBE模型优化提供了实验基础，更揭示了OGG1等碱基切除修复（BER）通路蛋白可能成为放射增敏的新靶点。研究建立的CDD检测技术体系为后续高LET辐射生物学研究提供了重要方法论参考。