Một nghiên cứu quốc tế mới đây đã đưa ra những khám phá sâu sắc về cơ chế gây tổn hại do bức xạ ở cấp độ phân tử. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry cũng đã chứng minh được quá trình ion hóa nước cục bộ, diện rộng diễn ra do các kích hoạt cực nhanh bởi quá trình ion hóa ở cấp độ lõi của các ion kim loại hòa tan.
Tác động tổn hại do bức xạ, đặc biệt trong các hệ thống sinh học, chủ yếu là do sự ion hóa các phân tử nước và sự hình thành tiếp theo của các gốc tự do và các electron năng lượng thấp. Thay vì ion hóa trực tiếp các phân tử sinh học, nghiên cứu đã chứng minh rằng sự khởi đầu của tổn thương do bức xạ có liên quan chặt chẽ với các ion kim loại hòa tan trong nước. Đây là sự khác biệt so với các lý thuyết trước đây cho rằng tác hại do bức xạ chủ yếu là do các sự kiện ngẫu nhiên dọc theo đường đi của bức xạ.
Nguồn: Credit: Nature Chemistry (2023)
Một vài năm trước, về mặt lý thuyết, người ta đã dự đoán rằng khi chiếu tia X vào các ion magie, các trạng thái kích thích và ion hóa cao được hình thành, nhưng chúng nhanh chóng giãn ra dưới sự hỗ trợ của các phân tử nước xung quanh làm ion hóa chúng. Cơ chế tác động đó gồm nhiều bước mà qua đó sự hồi phục xảy ra được kiểm chứng bằng các thử nghiệm sử dụng các ion nhôm hòa tan. Sự hồi phục đó của các ion gây ra sự ion hóa trên diện rộng và rất cục bộ của nước, được gọi là “điểm nóng” về thiệt hại do phóng xạ.
Các nhà khoa học đặc biệt nghiên cứu hoạt động của các ion Al3+ trong dung dịch nước sau quá trình ion hóa ở mức lõi. Họ đã phát hiện ra rằng sự phục hồi điện tử trong các hệ thống này bao gồm hai quá trình phân rã tuần tự qua trung gian chuyển điện tử chất tan-dung môi. Các bước phân rã qua trung gian chuyển điện tử tương ứng với sự chuyển đổi tuần tự từ Al5+ đến Al3+ kèm theo sự hình thành của bốn phân tử nước bị ion hóa và hai electron năng lượng thấp. Sự nhân điện tích như vậy và tạo ra điện tích cao được cho là sẽ khởi động một loạt các phản ứng sau đó.
Bước đầu tiên của tổn hại do bức xạ là ion hóa và đối với năng lượng photon phù hợp với các ứng dụng tia X, ion hóa chủ yếu ở cấp độ lõi (phân tử). Vật liệu sinh học chủ yếu bao gồm các nguyên tử có Z thấp, nhưng các nguyên tử Z cao góp phần gây tác động do bức xạ nhiều hơn so với nồng độ của chúng, do mặt cắt ion hóa cao hơn. Sau quá trình ion hóa lõi của các phân tử hoặc nguyên tử bị cô lập, sự phân rã Auger–Meitner nhanh chóng dẫn đến các trạng thái bị ion hóa gấp bội chỉ trong vài femto giây, từ đó kênh khử kích thích duy nhất là phát xạ photon, xảy ra trong khoảng thời gian dài hơn. Điều đó sẽ thay đổi nếu bị kích thích trong một môi trường cho phép khử điện tử thông qua truyền năng lượng giữa các phân tử lân cận (ví dụ, trong nước). Về các quá trình phân rã điện tử phi cục bộ, nổi bật nhất là phân rã Coulombic liên phân tử (ICD) và phân rã qua trung gian chuyển điện tử (ETMD). Kể từ dự đoán đó, ICD đã được quan sát thấy trong rất nhiều hệ thống khác nhau, từ các bộ điều chỉnh độ sáng đến các cụm, dung dịch nước. ICD cũng được dự đoán có vai trò trong việc sửa chữa các phân tử DNA. Sau khi chiếu xạ tia X, sự phân rã Auger–Meitner cục bộ chiếm ưu thế so với các quá trình thay thế nếu cho phép về mặt năng lượng. Đối với các phân rã không cục bộ, ICD nổi bật hơn, bất cứ khi nào ICD khả thi về mặt năng lượng. Cả hai quá trình chuyển đổi Auger–Meitner và ICD đều có thể kết thúc ở trạng thái kích thích có đủ năng lượng cho sự phân rã điện tử tiếp theo nhưng thiếu electron ở các lớp vỏ cao hơn để lấp đầy bất kỳ chỗ trống electron nào được tạo ra do quang tạo còn lại và làm giảm năng lượng của hệ thống.
Các quá trình phát xạ điện tử thứ cấp không cục bộ, do tia X gây ra và sự hình thành cục bộ của nhiều phân tử nước bị ion hóa đã được thảo luận trong trường hợp mẫu các ion kim loại Mg2+ hòa tan. Ở đó, các tính toán ban đầu dự đoán rằng quá trình ion hóa lõi, sau đó là phân rã Auger–Meitner cục bộ và các quá trình ICD tiếp theo, dẫn đến sự hình thành các gốc và electron chậm trong vùng lân cận của ion kim loại, chỉ trong vòng vài trăm femto giây. Để kiểm tra những dự đoán này, các nhà khoa học đã nghiên cứu quá trình hồi phục điện tử gồm nhiều bước xảy ra sau khi chiếu tia X lên các ion Al3+ dạng nước, là quá trình đẳng điện với Mg2+. Ở đây, tập trung vào sự hồi phục không cục bộ của các ion Al4+ và Al5+ pha nước, được tạo ra bởi quá trình ion hóa cấp độ lõi và sự hồi phục chính tiếp theo, Auger–Meitner phân rã thành cấu hình Al5+(2p−2).
Sơ đồ các quá trình nghiên cứu và các trạng thái được tạo ra sau 1 giây hòa tan ion hóa Al3+ (Nguồn: Nature Chemistry)
Ý nghĩa của nghiên cứu rất sâu rộng, đặc biệt là trong bối cảnh xạ trị điều trị ung thư, trong đó hiểu biết về cơ chế gây tổn hại do bức xạ là rất quan trọng để tối ưu hóa các chiến lược điều trị. Ngoài ra, nghiên cứu này có thể đưa đến những hiểu biết mới về quá trình sửa chữa các phân tử DNA và góp phần phát triển các biện pháp bảo vệ bức xạ hiệu quả hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu đã kết hợp các kỹ thuật thí nghiệm tiên tiến, bao gồm quang phổ quang phát tia chất lỏng, với các phép tính ban đầu ở mức độ cao để xác nhận sự xuất hiện của các quá trình phức tạp này. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng công trình này thể hiện một bước tiến đáng kể trong hiểu biết về tổn hại do bức xạ ở cấp độ phân tử và nêu bật vai trò của các ion kim loại hòa tan trong việc bắt đầu các quá trình này.
Từ khóa: bức xạ; ion hóa;
– CMD&DND –
