A Theoretical Study for Estimation of Oxygen Effect in Radiation Therapy

방사선 조사시 산소가 세포에 미치는 영향의 이론적 분석

Purpose: For estimation of yields of l)NA damages induced by radiation and enhanced by oxygen, a mathematical model was used and tested. Materials and Methods: Reactions of the products of water radiolysis were modeled as an ordinary time dependant equations. These reactions include formation of radicals, DNA damage, damage repair, restitution, and damage fixation by oxygen and H-radical. Several rate constants were obtained from literature while others were calculated by fitting an experimental data. Sensitivity studies were performed changing the chemical rate constant at a constant oxygen number density and varying the oxygen concentration. The effects of oxygen concentration as well as the damage fixation mechanism by oxygen were investigated. Oxygen enhancement ratio(OER) was calculated to compare the simulated data with experimental data. Results: Sensitivity studies with oxygen showed that DNA survival was a function of both oxygen concentration and the magnitude of chemical rate constants. There were no change in survival fraction as a function of dose while the oxygen concentration change from 0 to 1.0 x 10$^{7}$ . When the oxygen concentration change from 1.0 $\times$ 107 to 1.0 $\times$ 101o, there was significant decrease in cell survival. The OER values obtained from the simulation study were 2.32 at 10% cell survival level and 1.9 at 45% cell survival level. Conclusion: Sensitivity studies with oxygen demonstrated that the experimental data were reproduced with the effects being enhanced for the cases where the oxygen rate constants are largest and the oxygen concentration is increased. OER values obtained from the simulation study showed good agreement for a low level of cell survival. This indicated that the use of the semi-empirical model could predict the effect of oxygen in cell killing.

목적: 방사선조사에 의해 형성된 DNA 손상정도가 산소에 의해 변화되는 추세을 이론적 모델을 이용하여 평가 및 분석하였다. 방법 및 대상: Water radiolysis(물의 방사성분해)시 생성되는 유리기 들간의 반응, 손상된 DNA의 형성, 손상의 복구, 및 산소에 의한 손상의 고정들을 시간 미분 방정식을 이용하여 표현하였다. 문헌에 나와 있는 반응상수(rate constants)들은 그대로 사용되었고 알려지지 않은 상수들은 실험에서 얻어진 데이터에서 얻은 곡선을 대입하여 얻었다. 화학반응상수 변화와 산소농도변화에 따른 세포 생존도를 구하였다. 모델을 통해 얻어진 세포 생존도와 방사선량의 상관관계를 세포 생존곡선으로 표시하였다. 산소에 의한 손상의 fixation(고착화)과정과 산소농도가 세포생존에 미치는 영향을 분석하여 보았다. 산소가 세포생존에 미치는 정도를 정량화 하기 위하여 산소증가효과비(Oxygen Ehhancement Ratio, OER)를 계산하여 실험치와 이론치를 비교하였다. 결과: 산소에 대한 민감성 연구에서 DNA생존도는 산소의 농도와 화학반응속도상수에 영향을 받았다. 산소의 농도가 0에서 1.0 $\times$ $10^{7}$ 으로 변화할 때 세포 생존도에는 변화가 없었다. 그러나 1.0 x $10^{7}$ 에서 1.0 $\times$ $10^{10}$ 변화할 경우 세포의 생존률이 감소하였다. 모의연구에서 얻은 OER치는 10% 세포생존시에는 2.32, 45% 세포생존시에는 1.9 이었다. 결론: 산소의 감수성 연구에서 보여주듯이 방정식을 이용하여 얻어진 새포생존곡선은 실험에서 얻어진 세포생존곡선을 재연할 수 있었다 또한 방사선조사시 생성되는 손상된 세포의 양은 산소 반응상수가 가장 크고 산소농도가 증가되는 경우에 증가됨을 알수있었다. 모의연구에서 얻은 산소증가효과비는 세포생존이 low level인 경우 높은 일치성을 보여 주었다 따라서 본 연구는 세포살해시 산소의 효과를 semi-empirical 모델을 사용하여 예측할수 있다는 것을 보여주고 있다.