质子治疗是目前国内大力发展放射治疗手段。当质子射线到达特定部位时，速度突然降低并停止，释放最大能量，产生Bragg峰，实现“定向爆破”杀死肿瘤组织，同时也有效地保护正常组织。 为适应肿瘤大小，通常将布拉格峰进行扩展形成扩展布拉格峰（SOBP）。质子SOBP在宏观上其剂量相对一致，而其造成的生物损伤不同，且相对生物效应（RBE）不同。所以亟需在微观尺度探究质子SOBP的能量沉积模式以及造成的生物损伤差异。

图1：细胞群落模型的构建与其用于质子SOBP剂量评估流程

近期，18新利体育 放射医学与辐射防护国家重点实验室孙亮副教授及其团队在“Phys. Med. Biol”杂志上发表了“Microdosimetric assessment about proton spread-out Bragg peak at different depths based on the normal human mesh-type cell population model” 研究论文。该研究中，通过构建细胞群落模型，在微观层面分析质子SOBP在细胞群落模型中的能量沉积模式以及相关影响因素。研究人员通过对激光共聚焦扫描单个细胞的荧光断层图像进行勾画，使用相关软件进行曲面重建和优化。模拟构建96孔板细胞培养皿贴壁细胞场景，在其内随机抽取10%的体积大小，生成细胞随机分布的具体位置。同时，根据两种真实细胞尺寸大小，在PHITS里构建简易的同心椭球的体素模型，将体素模型与曲面模型分别填入细胞群落的具体位置。同时，细胞群落模型放置在SOBP不同深度处，流程如图1所示。从宏观剂量到微观分布，多尺度探究SOBP随深度的变化情况以及细胞形态、尺寸和材料构成等因素对能量沉积的影响。

基于上述方法研究团队发现，尽管质子SOBP在宏观剂量趋于一致，但其微剂量学量随SOBP深度变化差异较大。即使在宏观吸收剂量相同的情况下，可以观察到微观能量沉积之间的明显差异。在细胞群落中，细胞核和细胞质的平均比能量通常大于群体模型的总吸收剂量，最大达1.1。结果表明与宏观剂量水平不等同。传统的宏观剂量测量不足以描述细胞核内的剂量，特别是在相同辐射水平下获取微观体积内的能量沉积的异质性。因此，我们认为具有预测RBE的潜力。

与细胞曲面模型相比，几何型模型高估了细胞的吸收剂量。对于不同的曲面细胞模型，体积缩小导致比能分布的高离散度。与曲面化细胞群落模型结合，可以评估靶组织和正常组织的微剂量分布，更好地反映由细胞形态和体积差异引起的剂量偏差。基于曲面化的细胞模型和当前结果，对DNA损伤的定量预测将有助于未来质子SOBP的RBE评估工作，相关研究也正在进行中。

放射医学与辐射防护国家重点实验室为第一完成单位，18新利体育 孙亮副教授为通讯作者，18新利体育 2021级硕士研究生孔祥慧和2021级博士生王一迪为共同第一作者。该研究得到了国自然（No. 12105200, 12175161）等项目的资助。