Fisica

Gli studi di radiobiologia sugli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla salute umana si concentrano sulla molecola dell’acido desossiribonucleico (DNA) come bersaglio primario degli esiti deleteri. L’interazione delle radiazioni ionizzanti con tessuti e organi può portare a depositi localizzati di energia abbastanza grandi da provocare rotture del doppio filamento del DNA, che possono portare a mutazioni, aberrazioni cromosomiche e cambiamenti nell’espressione genetica. Comprendere i meccanismi alla base di queste interazioni è fondamentale per lo sviluppo di radioterapie e il miglioramento delle strategie di radioprotezione. Christopher Shepard dell'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e i suoi colleghi ora utilizzano potenti simulazioni al computer per mostrare esattamente quale parte della molecola di DNA riceve livelli dannosi di energia quando esposta alla radiazione di particelle cariche (Fig. 1) [1]. Le loro scoperte potrebbero eventualmente aiutare a ridurre al minimo gli effetti delle radiazioni a lungo termine derivanti dai trattamenti contro il cancro e dal volo spaziale umano.

L'interazione della radiazione con la struttura elettronica del DNA è un processo complesso [2, 3]. I modelli numerici attualmente utilizzati in radiobiologia e radioterapia clinica non catturano le dinamiche dettagliate di queste interazioni a livello atomico. Piuttosto, questi modelli utilizzano sezioni trasversali geometriche per prevedere se una particella di radiazione, come un fotone o uno ione, che attraversa il volume della cellula trasferirà energia sufficiente a causare una rottura in uno o entrambi i filamenti di DNA [4–6] . I modelli non descrivono le interazioni a livello atomico ma forniscono semplicemente la probabilità che una certa dose di radiazioni faccia sì che una popolazione di cellule perda la capacità di riprodursi.

Grazie alla loro capacità di neutralizzare le cellule, le radiazioni ionizzanti possono essere utilizzate per contrastare la crescita dei tumori. La radioterapia, infatti, rimane una delle terapie antitumorali più utilizzate [7, 8]. Ma se applicata per trattare tumori maligni, la terapia può anche portare a risultati gravi per i tessuti sani. Nel caso delle terapie con raggi gamma e raggi X, i fotoni ad alta energia iniziano a perdere energia subito dopo essere entrati nel corpo. Al contrario, la radioterapia con ioni pesanti utilizza particelle cariche che perdono gran parte della loro energia alla fine del loro percorso. In particolare per le particelle in rapido movimento, questa rapida perdita di energia su una distanza molto piccola porta ad un forte aumento dell’energia depositata in un volume localizzato. A causa di questa deposizione localizzata di energia, i radioterapisti possono utilizzare un raggio di particelle cariche per colpire con precisione la forma e la profondità del tumore, risparmiando così il tessuto sano davanti al tumore e riducendo al minimo i danni ai tessuti sani oltre il tumore. Questa selettività rende la radioterapia con ioni pesanti una modalità terapeutica rivoluzionaria che può trattare tumori tradizionalmente considerati incurabili con gli attuali trattamenti standard.

La maggior parte dell'energia trasferita da una particella carica a un mezzo è il risultato delle interazioni di Coulomb tra gli orbitali elettronici. L'energia media richiesta per ionizzare un atomo o una molecola in un mezzo viene spesso utilizzata per descrivere ciò che è noto come potere di arresto delle radiazioni di un materiale: la capacità del materiale di rallentare o fermare le particelle cariche, come elettroni o ioni, mentre lo attraversano. [9]. Misurare il potere frenante di un materiale è fondamentale per determinare l'utilità di una radioterapia. Per i tessuti biologici, il potere di arresto viene solitamente misurato in termini di energia persa per micrometro percorso. Tuttavia, una molecola di DNA ha una larghezza media di 2 nm, quindi attualmente non è possibile misurare il potere di arresto su scala del DNA.

Shepard e i suoi colleghi hanno utilizzato simulazioni computazionali su larga scala su supercomputer per quantificare il trasferimento di energia dai protoni ad alta energia al DNA solvatato, ovvero una soluzione di DNA separata nelle sue catene laterali zucchero-fosfato e nei componenti della base nucleobase. Hanno utilizzato la teoria del funzionale densità dipendente dal tempo (DFT) per valutare la complessità del sistema del DNA a livello molecolare. DFT è un metodo computazionale per studiare la struttura elettronica di atomi, molecole e solidi. Si basa sul concetto che le proprietà di un sistema a molti elettroni possono essere determinate da una singola funzione che descrive la densità elettronica del sistema. La DFT è un metodo efficiente per calcolare la struttura elettronica di grandi sistemi perché utilizza una serie di approssimazioni per tenere conto delle interazioni tra gli elettroni anziché risolvere l'equazione di Schrödinger per ciascun elettrone nel sistema. Queste approssimazioni permettono di calcolare la struttura elettronica di sistemi complessi che sarebbe impossibile studiare con metodi tradizionali.