Física

Os estudos de radiobiologia sobre os efeitos da radiação ionizante na saúde humana concentram-se na molécula de ácido desoxirribonucléico (DNA) como o alvo primário para resultados deletérios. A interação da radiação ionizante com tecidos e órgãos pode levar à deposição de energia localizada grande o suficiente para instigar quebras de fita dupla no DNA, o que pode levar a mutações, aberrações cromossômicas e alterações na expressão gênica. Compreender os mecanismos por trás dessas interações é fundamental para desenvolver terapias de radiação e melhorar as estratégias de proteção contra radiação. Christopher Shepard, da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, e seus colegas agora usam poderosas simulações de computador para mostrar exatamente qual parte da molécula de DNA recebe níveis prejudiciais de energia quando exposta à radiação de partículas carregadas (Fig. 1) [1]. Suas descobertas podem eventualmente ajudar a minimizar os efeitos da radiação a longo prazo dos tratamentos contra o câncer e dos voos espaciais tripulados.

A interação da radiação com a estrutura eletrônica do DNA é um processo complexo [2, 3]. Os modelos numéricos atualmente utilizados em radiobiologia e radioterapia clínica não captam a dinâmica detalhada dessas interações no nível atômico. Em vez disso, esses modelos usam seções transversais geométricas para prever se uma partícula de radiação, como um fóton ou um íon, atravessando o volume da célula transferirá energia suficiente para causar uma quebra em uma ou ambas as fitas de DNA [4-6] . Os modelos não descrevem as interações em nível atômico, mas simplesmente fornecem a probabilidade de que alguma dose de radiação fará com que uma população de células perca sua capacidade de se reproduzir.

Devido à sua capacidade de neutralização celular, a radiação ionizante pode ser usada para combater o crescimento de tumores. De fato, a radioterapia continua sendo uma das terapias contra o câncer mais amplamente utilizadas [7, 8]. Mas quando aplicada para tratar doenças malignas, a terapia também pode levar a resultados graves para tecidos saudáveis. No caso das terapias de raios gama e raios-x, os fótons de alta energia começam a perder energia logo após entrar no corpo. Em contraste, a radioterapia de íons pesados ​​usa partículas carregadas que perdem a maior parte de sua energia no final de sua faixa de viagem. Particularmente para partículas em movimento rápido, essa rápida perda de energia em uma distância muito pequena leva a um aumento acentuado na energia depositada em um volume localizado. Devido a essa deposição de energia localizada, os radioterapeutas podem usar um feixe de partículas carregadas para atingir com precisão a forma e a profundidade do tumor, poupando assim o tecido saudável na frente do tumor e minimizando os danos aos tecidos saudáveis ​​além do tumor. Essa seletividade torna a radioterapia de íons pesados ​​uma modalidade terapêutica revolucionária que pode tratar tumores tradicionalmente considerados incuráveis ​​com os tratamentos padrão atuais.

A maior parte da energia transferida por uma partícula carregada para um meio é o resultado de interações de Coulomb entre orbitais de elétrons. A energia média necessária para ionizar um átomo ou molécula em um meio é frequentemente usada para descrever o que é conhecido como poder de interrupção da radiação de um material: a capacidade do material de retardar ou interromper partículas carregadas, como elétrons ou íons, à medida que passam por ele [9]. Medir o poder de parada de um material é a chave para determinar a utilidade de uma terapia de radiação. Para tecidos biológicos, o poder de parada é geralmente medido em termos de energia perdida por micrômetro percorrido. No entanto, uma molécula de DNA tem uma largura média de 2 nm, então medir o poder de parada na escala do DNA não é possível atualmente.

Shepard e seus colegas usaram simulação computacional em grande escala em supercomputadores para quantificar a transferência de energia de prótons de alta energia para DNA solvatado, ou seja, uma solução de DNA separada em suas cadeias laterais de açúcar-fosfato e componentes da espinha dorsal de nucleobase. Eles usaram a teoria funcional da densidade dependente do tempo (DFT) para avaliar a complexidade do sistema de DNA no nível molecular. DFT é um método computacional para estudar a estrutura eletrônica de átomos, moléculas e sólidos. Baseia-se no conceito de que as propriedades de um sistema de muitos elétrons podem ser determinadas por uma única função que descreve a densidade de elétrons do sistema. DFT é um método eficiente para calcular a estrutura eletrônica de grandes sistemas porque usa um conjunto de aproximações para explicar as interações entre os elétrons em vez de resolver a equação de Schrödinger para cada elétron no sistema. Essas aproximações permitem calcular a estrutura eletrônica de sistemas complexos que seriam impossíveis de estudar pelos métodos tradicionais.