Một nghiên cứu quốc tế mới đây đã đưa ra kết quả về cơ chế gây tổn hại do bức xạ ở cấp độ phân tử. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry với khẳng định về quá trình ion hóa nước cục bộ hay diện rộng diễn ra do các quá trình cực nhanh được kích hoạt bởi sự ion hóa của các ion kim loại hòa tan.
Tổn thương do bức xạ, đặc biệt là trong các hệ thống sinh học, chủ yếu là bởi sự ion hóa các phân tử nước và sự hình thành tiếp theo của các gốc tự do, các electron năng lượng thấp. Thay vì ion hóa trực tiếp các phân tử sinh học, 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 động do bức xạ chủ yếu là do các sự kiện ngẫu nhiên dọc theo đường đi của bức xạ.
Các electron năng lượng thấp và các gốc tự do hình thành trong môi trường nước xung quanh sẽ tiếp cận các phân tử sinh học bằng cách khuếch tán và gây ra tổn thương. Các nguyên tử kim loại, rất quan trọng đối với chức năng của nhiều phân tử sinh học, đã được dự đoán về mặt lý thuyết (ví dụ như Mg2+ trong nước) sẽ hình thành các trung tâm cục bộ gây tổn thương do bức xạ, trong khoảng thời gian vài trăm femto giây, thông qua một loạt các quá trình phân rã nguyên tử cục bộ và không cục bộ. 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 có thể được hình thành, nhưng nhanh chóng giãn ra với sự trợ giúp của các phân tử nước xung quanh, do đó làm ion hóa chúng.
Bước đầu tiên của tổn thương do bức xạ là ion hóa và đối với năng lượng photon từ các ứng dụng tia X, kênh ion hóa chính là ion hóa cấp độ 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 ra tổn thương do bức xạ nhiều hơn so với nồng độ của chúng, do mặt cắt ion hóa cao hơn. Sau quá trình ion hóa 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. Tình hình sẽ thay đổi nếu bị kích thích trong một môi trường cho phép khử kích thích điện tử thông qua truyền năng lượng giữa các phân tử lân cận (ví dụ, trong nước). Điều đó đã đưa đến dự đoán cách đây hơn hai thập kỷ, 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). ICD đã được quan sát thấy trong rất nhiều hệ thống khác nhau, từ các bộ điều chỉnh độ sáng đến các cụm và các dung dịch nước. ICD cũng được dự đoán có vai trò trong việc sửa chữa các phân tử DNA.
Các nhà khoa học đã chứng minh cơ chế phá hủy gồm nhiều bước chi tiết mà qua đó sự hồi phục xảy ra khi sử dụng các ion nhôm hòa tan. Rõ ràng là sự hồi phục của các ion gây ra sự ion hóa trên diện rộng và cục bộ của nước có thể được hình thành và gọi là “điểm nóng” tổn thương do bức xạ. Công trình đã đặc biệt nghiên cứu hoạt động của các ion Al3+ trong dung dịch nước sau quá trình ion hóa ở mức phân tử. Người ta phát hiện ra 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 giãn nghỉ 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 phản ứng được cho là khởi phát một loạt các phản ứng triệt để. Ý nghĩa của nghiên cứu này đặc biệt trong bối cảnh xạ trị điều trị ung thư ngày càng đóng vai trò quan trọng, trong đó hiểu biết về cơ chế gây tổn hại do bức xạ là rất cần thiết 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 ở mức độ cao để xác nhận sự xuất hiện của các quá trình phức tạp xảy ra. Công trình này thể hiện một bước tiến đáng kể trong hiểu biết của chúng ta 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 sửa chữa.
Từ khóa: Bức xạ; tổn thương; ion hóa;
– CMD&DND –
