利用蒙特卡洛方法量化125I前列腺近距离放射治疗中低能电子对DNA的间接损伤

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Monte Carlo quantification of indirect DNA damage from low-energy electrons in 125I prostate brachytherapy

本研究通过蒙特卡洛模拟分析125I种子在前列腺近距离放疗中发射的低能电子，发现其虽直接剂量贡献仅0.02%，但通过水辐解产生羟基自由基，显著影响DNA损伤机制。结果揭示了传统剂量模型忽略低能电子间接生物效应的局限性，为优化放射治疗计划提供新方向。

　　在前列腺癌治疗领域，放射性粒子植入术（brachytherapy）是一种广泛应用的治疗方法。该技术通过将含有放射性同位素的种子植入肿瘤组织，利用其释放的辐射能量直接作用于癌细胞，从而达到治疗目的。然而，传统的剂量学模型往往忽视了由放射性种子释放的低能电子的生物效应，因为这些电子的射程较短，对剂量分布的影响被认为微乎其微。本研究旨在探讨这些低能电子对DNA的间接损伤作用，特别是通过活性氧物种（reactive oxygen species, ROS）的生成，从而揭示其在前列腺癌治疗中的潜在生物学意义。

### 1. 研究背景与重要性

放射性粒子植入术以其精准的剂量控制和微创特性，成为前列腺癌治疗的重要手段之一。在临床实践中，常使用的放射性同位素包括碘-125（¹²⁵I）和钯-103（¹⁰³Pd）。这些同位素在衰变过程中不仅释放伽马射线，还会产生低能电子。尽管这些电子在传统剂量计算中常被忽略，但越来越多的研究表明，它们在诱导DNA损伤方面可能发挥重要作用。ROS是低能电子在水介质中引发化学反应的产物，能够导致DNA单链断裂（single-strand breaks, SSBs）和双链断裂（double-strand breaks, DSBs），这些损伤是细胞死亡的关键因素。

因此，理解低能电子在前列腺癌治疗中的生物学影响，对于优化治疗方案、提高疗效、减少对健康组织的损伤具有重要意义。本研究通过蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟技术，评估低能电子对DNA的间接损伤作用，为未来更精确的放射治疗规划提供依据。

### 2. 研究方法与模拟设置

为了准确评估低能电子的生物效应，研究团队采用GAMOS/GEANT4和GEANT4-DNA工具包进行模拟。GAMOS是一个基于GEANT4的医疗模拟接口，能够对复杂的几何结构和粒子相互作用进行高精度建模。GEANT4-DNA是GEANT4的一个扩展模块，专门用于模拟生物介质中的辐射化学过程，包括水的辐射分解和活性氧物种的生成。

研究中使用的种子是GE公司生产的OncoSeed 6711，其几何结构包括一个钛合金外壳，内部嵌套银和碘的混合物，以及一个空气层。这种设计不仅符合临床标准，还为模拟提供了物理上的合理性。通过模拟，研究团队能够量化种子释放的光子和电子的能量谱及其对剂量分布的贡献。此外，还考虑了种子之间的相互作用（inter-seed attenuation, ISA），这是多种子植入时剂量变化的重要因素。

研究采用了两种不同的模拟场景：一种是单种子植入，另一种是98个种子均匀分布于前列腺模型中。这种设计有助于评估种子数量对剂量分布的影响，以及低能电子在不同条件下如何传播并引发生物效应。模拟中使用的粒子数量为2.5 × 10⁷个，以确保结果的统计可靠性。

### 3. 模拟结果与分析

研究结果显示，尽管低能电子在总剂量中的贡献仅为约0.02%，但它们在引发ROS生成和DNA损伤方面具有显著的生物学相关性。在单种子模拟中，低能电子的能量范围从1 keV到35.5 keV，其中能量低于1 keV的电子占比较大，这表明这些低能电子在种子周围仍具有一定的作用。

在多种子植入的情况下，由于ISA效应，低能电子的剂量贡献进一步减少。然而，这种减少并不意味着它们对生物效应的贡献可以忽略不计。相反，ISA可能影响电子在前列腺组织中的分布和相互作用，进而影响DNA损伤的模式。因此，治疗计划中需要综合考虑光子和电子的剂量分布，以更全面地评估治疗效果。

此外，研究还发现，低能电子的能量分布与ROS的生成密切相关。在低能范围内（例如200 eV至1 keV），电子的辐射分解作用更为显著，能够引发水的裂解并产生大量OH•自由基。这些自由基是DNA损伤的主要介质，其生成和分布对于评估治疗的生物效应至关重要。

### 4. 生物学意义与临床应用

本研究的发现表明，低能电子在前列腺癌治疗中可能扮演一个被低估的角色。虽然它们对总剂量的贡献较小，但其通过ROS引发的DNA损伤可能在细胞死亡中发挥关键作用。因此，未来的治疗规划需要考虑这些间接效应，以更全面地评估辐射对组织的影响。

从临床角度来看，优化种子设计和材料选择可以影响低能电子的释放和分布。例如，调整种子的封装材料或内部结构，可以增强或减弱电子的相互作用，从而优化治疗效果。此外，针对低能电子的剂量分布进行精确计算，有助于在治疗过程中更好地控制剂量，减少对周围健康组织的损伤。

本研究还强调了ISA在治疗规划中的重要性。在多种子植入时，种子之间的相互作用可能导致电子的衰减，从而影响其对DNA的损伤能力。因此，治疗方案的设计需要考虑种子之间的距离和数量，以确保最佳的剂量分布和最小的副作用。

### 5. 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了重要的证据，表明低能电子在前列腺癌治疗中具有潜在的生物学意义，但仍存在一些局限性。首先，研究未考虑原子弛豫过程和俄歇电子（Auger electrons）的贡献，这些低能电子可能在某些情况下对DNA损伤产生额外影响。其次，前列腺的模拟被简化为一个水球，忽略了其复杂的解剖结构，这可能影响对实际治疗环境中电子分布的准确预测。

未来的研究可以进一步完善这些模拟，包括考虑更复杂的生物介质和更精细的电子相互作用机制。此外，将MC模拟结果与放射生物学模型（如线性二次模型（LQ model）和局部效应模型（LEM））相结合，可以更全面地评估辐射对细胞的影响。这将有助于开发更精确的治疗方案，提高治疗的个性化程度，并减少治疗相关的副作用。

### 6. 结论与展望

综上所述，本研究通过蒙特卡洛模拟技术，揭示了低能电子在前列腺癌治疗中的生物学意义。尽管这些电子对总剂量的贡献微小，但它们通过ROS引发的DNA损伤可能在治疗效果中发挥重要作用。因此，未来的治疗规划应纳入这些间接效应，以实现更精确的剂量控制和更全面的生物效应评估。

本研究的发现为改进现有放射治疗模型提供了新的视角，强调了低能电子在治疗中的潜在价值。随着技术的发展，将这些生物效应纳入治疗规划，不仅有助于提高治疗效果，还可能减少对健康组织的损伤。因此，未来的前列腺癌治疗研究应进一步探索低能电子的生物学机制，并将其整合到更精确的剂量评估模型中，以推动放射治疗技术的进步。