전리 방사선의 생물학적 영향은 주로 중요한 표적인 DNA의 손상에서 비롯된다. 전리 방사선은 DNA 손상을 일으키는 생물학적 변화에 따라 세포에 물리적, 화학적 변화를 초래한다. 이러한 DNA 손상은 잘못 회복되거나 회복되지 않을 경우 세포사, 돌연변이 및 발암을 초래한다. 최근 방사선 생물리학에서 몬테카를로 전산 모사 기반의 입자 수송 해석 툴킷들이 DNA 손상의 트랙을 해석하는 필수적인 도구로 자리잡고 있으며 계속해서 발전 해오고 있다. 그 중 Geant4는 마이크로 수준에서 전리 방사선에 의해 유도된 생물학적 손상을 모델링하는 프로세스로 확장하고 있으며 Geant4-DNA 프로젝트에서 진행 중이다.
본 연구는 이온화 방사선에 의해 유도되는 DNA 분자 모델의 다양한 손상을 고려하기 위하여 새로운 생물리학적 모델의 개발을 설명한다. 먼저, 원자 수준의 고급 지오메트리를 사용하여 0.1-50keV의 저에너지 전자의 조사에 의해 유도되는 DNA의 직접적 및 간접적 손상을 예측하였다. 물 방사능 분해 수준의 점진적인 변화를 관찰한 후 방사선의 서로 다른 에너지 수준에서 생성된 분자의 수를 분석하였다. 가장 치명적이다고 알려진 OH라디칼은 1keV의 전자 조사 시 가장 많이 생성되었으며 짧은 시간 안에 폭발적으로 발생하고 급속히 감소하였다. 대부분의 DNA 가닥 절단은 0.5keV의 전자 조사 시 가장 많이 발생하였지만 복잡한 DNA 가닥 절단은 오히려 0.3keV에서 증가하였다. 입사 입자의 LET에 따라 DNA 손상을 유발하는 주된 인자가 다르므로 이 결과는 에너지 최종 전달자인 전자의 유해한 에너지 영역에도 차이가 있음을 보여주며 시간이라는 변수는 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
두 번째 연구에서는 복잡한 DNA 가닥이 발생하고 그 주변을 둘러싼 염기 손상의 밀집도가 이온화 방사선과 관련된 가장 중요한 세포 효과로 이어질 가능성이 있어 DNA의 집중된 손상 정도를 계산했다. 액체 상태인 물의 LET를 계산하고 단일 가닥 절단, 이중 가닥 절단 및 복합 가닥 절단을 중심으로 염기 손상 빈도를 계산하였다. 알파 입자의 경우 206.40 keV/μm에서 높은 LET 영역을 조사하였으며 낮은 LET 영역에 비해 6 개 이상의 염기 손상이 발생한 경우의 수가 약 70배 증가하였다. 이 데이터는 고LET 방사선이 집중된 손상 클러스터를 생성하는 데 훨씬 더 효과적일 가능성이 있으며 다양한 유형의 손상을 추적해 나가며 발생량의 정량적 계산이 가능하다는 것을 보여준다.
마지막으로, RBE 계산을 위해 표적이 될 수 있는 주된 세포 소기관을 포함하는 3D 다세포 모델을 개발하여 흡수선량을 계산하였다. 복셀화된 전체 세포 모델에 0.1MeV 중성자를 조사 후 세포질에서 에너지 침착의 공간적 발생량을 기록하였다. 세포 27개를 포함하는 84X84X108μm³ 크기의 세포질의 경우 매질에 대한 흡수선량은 60%의 가장 큰 격차를 보였다. 세포질 내 이러한 매질에 따른 흡수선량의 차이는 작은 부피에서 더 컸으며 9261개의 세포를 포함하는 부피에서 거의 차이를 보이지 않았다. 세포핵과 같은 특정 세포 소기관은 적절한 세포 간격을 가진 세포 부피에서 액체 상태의 물을 주성분으로 선택하는 것은 비교적 합리적인 선택이 될 수 있음을 보여 주었다. 이 결과는 고LET 조사 시 비교적 작은 부피의 세포 모델이 근접해 있는 환경에는 매질 선택이 선량 계산에 지대한 영향을 미치므로 신중히 선택해야함을 알 수 있다. 이 연구 과정은 최대한 현실적인 지오메트리의 시뮬레이션을 통해 잠재적인 세포 손상의 과정에 대한 새로운 통찰력을 증명할 수 있다.