Física

Los estudios de radiobiología sobre los efectos de la radiación ionizante en la salud humana se centran en la molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) como el objetivo principal de los resultados nocivos. La interacción de la radiación ionizante con los tejidos y los órganos puede conducir a un depósito de energía localizado lo suficientemente grande como para instigar roturas de doble cadena en el ADN, lo que puede provocar mutaciones, aberraciones cromosómicas y cambios en la expresión génica. Comprender los mecanismos detrás de estas interacciones es fundamental para desarrollar terapias de radiación y mejorar las estrategias de protección radiológica. Christopher Shepard de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y sus colegas ahora utilizan potentes simulaciones por computadora para mostrar exactamente qué parte de la molécula de ADN recibe niveles dañinos de energía cuando se expone a la radiación de partículas cargadas (Fig. 1) [1]. Sus hallazgos podrían eventualmente ayudar a minimizar los efectos de la radiación a largo plazo de los tratamientos contra el cáncer y los vuelos espaciales tripulados.

La interacción de la radiación con la estructura electrónica del ADN es un proceso complejo [2, 3]. Los modelos numéricos que se utilizan actualmente en radiobiología y radioterapia clínica no captan la dinámica detallada de estas interacciones a nivel atómico. Más bien, estos modelos utilizan secciones transversales geométricas para predecir si una partícula de radiación, como un fotón o un ion, que cruza el volumen celular transferirá suficiente energía para causar una ruptura en una o ambas cadenas de ADN [4–6]. . Los modelos no describen las interacciones a nivel atómico, sino que simplemente proporcionan la probabilidad de que alguna dosis de radiación haga que una población de células pierda su capacidad de reproducción.

Debido a su capacidad de neutralizar las células, la radiación ionizante se puede utilizar para contrarrestar el crecimiento de tumores. De hecho, la radioterapia sigue siendo una de las terapias contra el cáncer más utilizadas [7, 8]. Pero cuando se aplica para tratar tumores malignos, la terapia también puede conducir a resultados graves para los tejidos sanos. En el caso de las terapias con rayos gamma y rayos X, los fotones de alta energía comienzan a perder energía poco después de ingresar al cuerpo. Por el contrario, la radioterapia de iones pesados ​​utiliza partículas cargadas que pierden la mayor parte de su energía al final de su recorrido. Particularmente para las partículas que se mueven rápidamente, esta rápida pérdida de energía en una distancia muy pequeña conduce a un fuerte aumento de la energía depositada en un volumen localizado. Debido a esta deposición de energía localizada, los radioterapeutas pueden usar un haz de partículas cargadas para apuntar con precisión a la forma y profundidad de un tumor, evitando así el tejido sano frente al tumor y minimizando el daño a los tejidos sanos más allá del tumor. Esta selectividad convierte a la radioterapia de iones pesados ​​en una modalidad terapéutica revolucionaria que puede tratar tumores que tradicionalmente se consideraban incurables con los tratamientos estándar actuales.

La mayor parte de la energía transferida por una partícula cargada a un medio es el resultado de interacciones de Coulomb entre orbitales electrónicos. La energía promedio requerida para ionizar un átomo o una molécula en un medio se usa a menudo para describir lo que se conoce como el poder de detención de radiación de un material: la capacidad del material para ralentizar o detener partículas cargadas, como electrones o iones, a medida que pasan a través de él. [9]. Medir el poder de frenado de un material es clave para determinar la utilidad de una radioterapia. Para los tejidos biológicos, el poder de frenado generalmente se mide en términos de energía perdida por micrómetro recorrido. Sin embargo, una molécula de ADN tiene un ancho promedio de 2 nm, por lo que actualmente no es posible medir el poder de frenado a la escala del ADN.

Shepard y sus colegas utilizaron simulación computacional a gran escala en supercomputadoras para cuantificar la transferencia de energía de los protones de alta energía al ADN solvatado, lo que significa una solución de ADN que se separa en sus cadenas laterales de azúcar-fosfato y los componentes de la columna vertebral de la nucleobase. Utilizaron la teoría funcional de la densidad (DFT) dependiente del tiempo para evaluar la complejidad del sistema de ADN a nivel molecular. DFT es un método computacional para estudiar la estructura electrónica de átomos, moléculas y sólidos. Se basa en el concepto de que las propiedades de un sistema de muchos electrones pueden determinarse mediante una sola función que describe la densidad electrónica del sistema. DFT es un método eficiente para calcular la estructura electrónica de grandes sistemas porque utiliza un conjunto de aproximaciones para tener en cuenta las interacciones entre los electrones en lugar de resolver la ecuación de Schrödinger para cada electrón del sistema. Estas aproximaciones permiten calcular la estructura electrónica de sistemas complejos que serían imposibles de estudiar con métodos tradicionales.

En sus simulaciones, los investigadores expresaron la energía total del sistema de ADN solvatado como una función matemática de la densidad electrónica. La densidad electrónica se puede calcular a partir de la función de onda del sistema, que, a su vez, describe la probabilidad de encontrar un electrón en una posición particular y con un espín particular. Usando este enfoque, encontraron que el desplazamiento de electrones estaba muy localizado a lo largo del camino del protón y significativamente más alto en trayectorias más cercanas a las cadenas de fosfato. El mayor desplazamiento indica que el esqueleto de azúcar-fosfato del ADN absorbió más energía que las nucleobases.

Las simulaciones cuestionan la suposición convencional de que el poder de frenado es proporcional a la densidad del número de agujeros generados en el medio. Sobre la base de sus resultados, Shepard y sus colegas argumentan que el poder de frenado del medio de ADN solvatado también depende de las energías de los agujeros generados. Sus resultados indicaron una mayor prevalencia de formación de huecos de electrones en el esqueleto de azúcar-fosfato, lo que puede conducir a la formación de radicales libres altamente dañinos. Los radicales libres son átomos o moléculas acuosas que tienen un electrón de valencia desapareado, lo que los hace altamente reactivos con el medio local. Los radicales que interactúan con el esqueleto de azúcar-fosfato pueden causar fracturas en el esqueleto y la eventual ruptura de una o más cadenas de ADN.

Este trabajo demuestra la utilidad y el poder de las computadoras multinúcleo de alto rendimiento para estudiar dinámicas de interacción complejas que de otro modo serían difíciles de replicar en un entorno de laboratorio. Los resultados señalan dónde las partículas cargadas depositan la mayor parte de su energía en una molécula de ADN, lo que ayuda a cerrar la brecha en nuestro conocimiento de cómo la radiobiología se cruza con la física del transporte de partículas cargadas. Pero se debe tener cierta precaución al aceptar las conclusiones del estudio hasta que los resultados experimentales detallados validen los modelos de los investigadores. Con una mayor aclaración de los mecanismos subyacentes del daño del ADN, los científicos pueden mejorar la eficiencia de la radiación ionizante terapéutica. También pueden desarrollar contramedidas, como nuevos medicamentos, que minimicen los efectos adversos de la radiación ionizante en las células sanas.

Jeffery C. Chancellor es profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Luisiana y también tiene cargos adjuntos en el Departamento de Medicina Preventiva y Salud de la Población de la Rama Médica de la Universidad de Texas y el Instituto del Espacio Exterior de la Universidad de Columbia Británica, Canadá. Sus intereses de investigación se centran en las aplicaciones de cómo la radiación de iones pesados ​​interactúa con la materia blanda y condensada para la estructura de vehículos de vuelos espaciales tripulados, el blindaje y la atención médica clínica. Es el fundador y CTO de Atlantis Industries, que desarrolla tecnologías para proteger a los humanos, los sistemas espaciales y la microelectrónica de los peligros de la radiación ionizante inherentes a los viajes espaciales.

Christopher Shepard, Dillon C. Yost y Yosuke Kanai

física Rev. Lett. 130, 118401 (2023)

Publicado el 13 de marzo de 2023

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