放射線による水分子の化学変化から最新がん治療に迫る！ ～放射線で分解する水分子の挙動を視覚的に追跡する計算プログラムの開発に成功～（診療放射線学科　講師　吉井勇治）

• 本研究では、がん治療に用いる放射線が生体内で発生させる水の分解生成物の挙動を追跡・可視化する計算プログラムの開発に成功し、公開しました。
• 放射線治療では、放射線の直接的な付与エネルギーと反応性の高い水の分解生成物の間接的な反応により細胞内のDNAへ損傷を発生させ、がん細胞を殺傷します。
• 近年、極めて短い時間に大量の放射線を照射する「FLASH（フラッシュ）療法」が注目され、そのがん殺傷メカニズムの解明に分解生成物の挙動の解析が重要です。
• 開発した計算プログラムを世界中の研究者が使うことで、「FLASH療法」の最適化、他の放射線治療計画の高度化など、医学研究の飛躍的な進展が期待できます。

本研究では、最新のがん治療効果の解明に応用可能な、放射線による水分子の分解とその後の挙動を視覚的に追跡する計算プログラム（以下、「化学コード」）の開発に成功しました。

放射線療法は、外科手術や抗がん剤治療と共にがん治療を支える３本の柱の一つです。放射線療法において生体に放射線を照射すると、生体内の分子と放射線が物理反応を起こします。生体には水が多く含まれるため、物理反応後には水分子は分解され、OHラジカルや水和電子など、さまざまな分解生成物が大量に発生します。放射線治療時のがん殺傷効果や、染色体異常や発がんなどの正常組織への副反応は、これら水の分解生成物とDNAとの化学反応によって引き起こされます。

今日までに、さまざまな放射線治療法が開発されてきました。その中で、近年、極めて短い時間に大量の放射線を照射し、正常組織内での副反応を抑制しながら腫瘍を効率よく殺傷する「FLASH療法」が登場し、世界中で注目を集めています。副反応が抑制される原理として、正常組織内で水の分解生成物の反応が抑制されるとの仮説がありますが、判然としていません。したがって、「FLASH療法」の最適化のためには、生体内における水の分解生成物の挙動や反応への一層の解明が必要です。また、放射線治療で用いる放射線は、重粒子線や陽子線、X線や電子線などがありますが、分解生成物の挙動は異なります。これら放射線治療における化学反応を研究する手法の一つとして、水の分解生成物の動きを予測する化学コードが、世界中の研究者により開発されてきました。しかし、予測可能な放射線の種類には制限がありました。

本研究では、放射線挙動解析コードPHITSを活用し、がん治療に用いるさまざまな放射線による水の放射線分解と発生する分解生成物の挙動を追跡する化学コードを開発しました。本コードは、PHITS専用の３次元可視化アプリケーションと組み合わせることで、目には見えない水の分解生成物の挙動が可視化され、水の放射線分解とDNAとの化学反応の直感的な理解を実現しました。また、本研究の応用として、「FLASH療法」の最適化、他の放射線治療計画の高度化など、医学研究の飛躍的な進展が期待できます。さらに、生命科学分野におけるDNA損傷の発生原理の解明のみならず、原子力工学分野では原子炉内の水素発生量の解析にも応用可能と考えています。

なお、本研究は国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（理事長 小口正範）原子力基礎工学研究センターの研究員でかつ国立大学法人北海道大学（総長 寳金清博）とのクロスアポイントメントで講師を務める松谷悠佑研究員らと、学校法人北海道科学大学（学長 川上敬）の吉井勇治講師、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長 小安重夫）の楠本多聞主任研究員、国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所 海上技術安全研究所（所長 平田宏一）の大西世紀元グループ長との共同研究によるものです。

本成果は、2025年3月21日に英国科学誌「Physical Chemistry Chemical Physics」に掲載されました。同時に、開発コードで作成した図が雑誌の裏表紙に採用されました。

論文名　Development of a chemical code applicable to ions based on the PHITS code for efficient and visual radiolysis simulations（放射線分解を効率的かつ視覚的にシミュレートするPHITSコードに基づくイオン線に適用可能な化学コードの開発）

著者名　松谷悠佑^1、2、 吉井勇治³、楠本多聞⁴、 小川達彦¹、 大西世紀⁵、 平田悠歩¹、佐藤達彦¹、甲斐健師¹（¹国立研究開発法人日本原子力研究開発機構、²国立大学法人北海道大学、³学校法人北海道科学大学、⁴国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構、⁵国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所　海上技術安全研究所）

雑誌名　Physical Chemistry Chemical Physics（放射線物理化学の専門誌）

ＤＯＩ　  10.1039/d4cp04216f

公表日　日本時間2025年3月21日（金）午後6時（英国時間2025年3月21日（金）午前9時）（オンライン公開）