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放射線照射下におけるDNA損傷生成率のシミュレーション研究

谷内, 淑惠北海道大学

2023.03.23

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放射線照射下におけるDNA損傷生成率のシミュレーション研究

谷内, 淑惠

北海道大学. 博士(保健科学) 甲第15341号

2023-03-23

10.14943/doctoral.k15341

http://hdl.handle.net/2115/89400

theses (doctoral)

Yoshie_Yachi.pdf

Instructions for use

Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP

学位論文

放射線照射下における DNA 損傷生成率のシミュレーション研究

谷

内

淑惠

北海道大学大学院保健科学院
保健科学専攻保健科学コース
２０２２年度

-概要現代医療において放射線の利用は診断や治療に欠かすことができない。しかし、放射線を生体
へ照射した際の影響には、病変の検出や評価、がん細胞の殺傷というメリットだけでなく、正常
組織の損傷や発がん等というリスクもある。したがって、これらの放射線生体影響を正確に評価
することが重要である。
電離放射線が生体へ入射した際、生体組織との相互作用により二次電子線が発生する。二次電
子線は生体中を進みながら相互作用（電離、励起等）を引き起こし、エネルギーを付与する。こ
のとき、DNA 構造を直接損傷する、もしくは生体組織へのエネルギー付与により発生したラジカ
ルが DNA 構造を損傷することにより、DNA 損傷が誘発される。DNA 損傷には様々な種類がある
が、DNA 二本鎖切断（DNA double-strand breaks, DSBs）は DNA 損傷の中でも染色体異常や細胞死
を誘発する損傷であり、その生成率は電離放射線の生物学的影響を評価する上で重要な指標であ
る。さらに、10 塩基対以内に追加の鎖切断を含む複雑な DSB（complex DSB）は、単独の DSB
（simple DSB）よりもさらに複雑な損傷であり、修復が困難である可能性が指摘されている。した
がって、complex DSB 生成率の定量化は、生物学的影響のより正確な評価に必要である。
放射線照射後の物理学的過程を評価するために、モンテカルロ（Monte Carlo, MC）シミュレー
ションを用いた電子線飛跡構造解析コードの開発が進められている。MC コードでは、放射線の
飛行距離・散乱角度・物質との衝突の種類を、乱数を用いて決定することにより、飛跡構造を模
擬することが可能である。現在までに複数のコードが開発されており、その種類として in-house
コードである WLTrack や汎用の粒子線飛跡解析コード（Particle and Heavy Ion Transport code System,
PHITS）
）が挙げられる。
現在まで、放射線防護や放射線治療における生物学的影響に関する様々な研究が行われてきた
が、その評価（とくに物理学的過程から生物学的過程を通した評価）は依然として改善の余地が
ある。そこで本研究では 2 つの MC コードを使用し電子線飛跡解析を行うことにより、物理学的
過程に基づいて初期の生物学的過程（とくに複雑な DSB 生成率）を解析することを目的とした。
そして、この目的に応じた基礎研究「電子線飛跡構造解析に基づく複雑な DNA 損傷生成の実験的
解析」および応用研究「MRI 融合放射線治療における電子線飛跡構造および DNA 損傷生成率に
対する磁場の影響評価」に取り組んだ。
細胞核内 DSB サイトの一般的な実験的検出方法に、ヒストンタンパク質 H2AX（H2A histone
family member X）のリン酸化を蛍光標識にて検出する γ-H2AX focus 形成法が挙げられる。 DSB
の両端から 10 塩基対以内の範囲に追加の鎖切断が存在する損傷（complex DSB）は、γ-H2AX focus
形成法を使用して foci サイズを解析することで検出可能であると考えられている。しかし、foci サ
イズと DSB の複雑さとの関係は明らかにされていない。本研究では、2 つの電子線輸送モンテカ
ルロコード（WLTrack および PHITS）を組み合わせることにより、γ-H2AX foci 顕微鏡画像から光
子線照射により誘発される complex DSB の定量化を可能とする解析手法を開発した。まず、非弾
性散乱イベント（電離および励起）が DNA 鎖切断を誘発する可能性があると仮定し、WLTrack
を使用し液相水中内の電子線飛跡に沿って cube（5.03 x 5.03 x 5.03 nm3）を配置し、cube 内のイベ
ント数を計数した。次に、γ-H2AX focus 形成法によって測定された foci サイズと WLTrack により
i

得られた cube 内イベント数との関係性を評価した。さらに、イベント数と foci サイズの関係性を
利用し、foci サイズから様々なスペクトルの X 線照射後に誘発される DSB の複雑さを解析し、
PHITS に実装されている十分に検証された DNA 損傷推定モデルによって推定された DSB の複雑
さの解析結果と比較した。その結果、cube 内のイベント数は foci サイズに比例し、イベント数が
DSB の複雑さを反映していることが示唆された。本研究にて開発された解析手法は、さまざまな
X 線スペクトル（診断用 kVp X 線および治療用 MV X 線）で測定された foci データに適用可能で
あることが明らかとなった。この解析手法は、γ-H2AX focus 形成法による光子照射後の初期の生
物学的影響の正確な理解への寄与が期待される。
また、近年、磁気共鳴誘導放射線治療法 (Magnetic resonance-guided radiotherapy, MRgRT) が開発
され、様々な臨床施設で外部放射線療法用に導入されている。MRgRT にて照射された荷電粒子
は、ローレンツ力の作用を受け線量分布が変化することが報告されている。しかし、ローレンツ
力が低エネルギー電子線の飛跡構造と初期の DNA 損傷生成率に及ぼす影響は明らかにされてい
ない。本研究では、PHITS に搭載された、1 meV を下限とする低エネルギー電子線を模擬するこ
とが可能な飛跡解析モード（etsmode）を使用して、磁界下における電子線飛跡構造と生物学的効
果を推定した。液相水中における 300 keV 以上の電子線エネルギーによる巨視的な線量分布は、
垂直磁場および平行磁場の両方で変化し、ローレンツ力が腫瘍内の線量計算に影響を及ぼすこと
を示した。一方、原子間相互作用の空間分布に基づく DNA 損傷生成率の推定では、DSB の生成
率が磁束密度に依存しなかった。これは、DSB の生成が主に数十 eV 以下の二次電子線に起因し、
そのエネルギー付与の空間分布はローレンツ力にほぼ影響されないことが要因である。本研究よ
り、線量分布へのローレンツ力の影響のみを考慮して MRgRT の治療計画を立案することが可能
であることを示唆している。
本研究では、電子線飛跡解析シミュレーションを用いて DSB 生成率を推定することにより、電
子線および光子線照射時の生物学的影響を評価した。その結果、光子線照射時の複雑な DSB 生成
率を解析可能とする新たな実験的手法の開発に成功した。また、電子線飛跡構造への磁場の影響
を推定し、MRgRT における電子線照射での生物学的影響としてローレンツ力が重要であることを
示した。これらの結果から、放射線照射後の物理学的過程（電離・励起の空間分布）のシミュレ
ーション解析から放射線治療に資する生物学的過程の初期応答（DNA 損傷生成率）のより高精度
な推定を可能にした。

ii

-ABSTRACTIn clinical, ionizing radiations are commonly used for diagnostic imaging and radiation
therapy. However, radiation, a double-edged sword, has not only the therapeutic effect of killing
cancer cells, but the risk of adverse events such as damage to normal tissues and carcinogenesis.
Thus, it is required that these radiation effects are evaluated accuracy when irradiating the
biological tissues with radiation.
When ionizing radiation is irradiated in biological tissues, secondary electrons are generated
due to interactions with biological tissues. The secondary electrons induce inelastic interaction
(ionization and excitation, etc.), damaging the DNA by energy deposition. This damage is
caused by direct effect due to irradiation or indirect effect due to radicals generated by ionized
biological tissue. Several types of DNA damage exist, and one particularly important form is
DNA double-strand breaks (DSBs), which can induce toxic lesions (e.g., chromosomal
aberrations and cell death). The yield of DSBs is an important parameter for evaluating the
biological effects of ionizing radiation. Furthermore, complex DSBs, which are DSB sites
including additional strand breaks within 10 bp, are more complex lesions than isolated DSBs
and may be difficult to repair. Therefore, it is necessary to quantify the yield of complex DSBs
to make understanding accuracy of the biological effects.
To evaluate the physical process of radiation, several electron track-structure analysis
Monte Carlo (MC) simulation codes, including an in-house code, WLTrack, and a generaliii

purpose MC track structure simulation code, Particle and Heavy Ion Transport code System
(PHITS) were developed. In the MC code, it is possible to simulate the track structure by
determining the flight distance, scattering angle, and type of collision with the material using
random numbers.
To date, previous studies have been implemented on the biological effects related to
radiological protection and radiotherapy, but their evaluation (particularly through physical and
biological processes) has been incomplete. In this thesis, to analyze early biological processes
(especially complex DSB induction) based on physical processes by performing electron trackstructure analysis using two MC codes. For this purpose, we worked on basic study "An analysis
method of complex DNA damage induction based on electron track structure analysis" and
applied study "Evaluating the effect of magnetic field for DNA damage induction by electron
track structure analysis".
A general experimental method for detecting intranuclear DSB sites is the phosphorylated
histone H2A histone family member X (γ-H2AX) focus formation assay. The foci sizes
measured by the γ-H2AX focus formation assay are believed to detect complex DSBs, but the
relationship between foci size and DSB complexity is uncertain. In this study, the γ-H2AX
focus formation assay coupled with the electron track structure MC codes (WLTrack and
PHITS) was developed for the quantification of complex DSBs induced by photon irradiation.
First, we assumed that inelastic events (i.e., ionization and excitation) could induce DNA strand
iv

breaks, and we set the cube (5.03 x 5.03 x 5.03 nm3) along the electron tracks in liquid water
and counted the number of events per cube using WLTrack. Second, we evaluated the
relationship between the foci size measured by the γ-H2AX focus formation assay and the
number of events per cube. Third, using the relationship between the number of events and the
foci size, we analyzed the DSB complexity induced after various X-ray spectra irradiations and
compared it with the results estimated by a well-validated DNA damage estimation model
implemented in PHITS. The number of events per cube were proportional to the foci size,
suggesting that the number of events reflected the DSB complexity. We found that the analytical
method developed in this study is applicable to foci data measured in various X-ray spectra
(diagnostic kVp X-rays and therapeutic MV X-rays). This analytical method can contribute to
understanding the early biological effects of photon irradiation through the γ-H2AX focus
formation assay.
Meanwhile, magnetic resonance-guided radiotherapy (MRgRT) has recently been
developed and introduced for external radiotherapy in several clinical facilities. It has been
reported that the charged particles irradiated in MRgRT are affected by the Lorentz force and
the dose distribution is modified. However, the effects of the Lorentz force on the low-energy
electron track structure and initial DNA damage induction remain uncertain. In this study, we
used the electron track-structure mode (etsmode) in PHITS, which is capable of simulating lowenergy electrons down to 1 meV, to analyze the electron track structure and biological effects
v

in the static magnetic field (SMF). The electron dose distributions, which are macroscopic
spatial distributions of deposit energy, with electron energies of approximately 300 keV in
liquid water are modified against the incident direction in both perpendicular- and paralleldirection SMFs. However, we found that the yield of DSBs estimated by the spatial distribution
of inelastic events was independent of the magnetic flux density of the SMF. This result is
occurred because DSBs are generated mainly by secondary electrons with energies under
several tens of eV, and the spatial distribution of deposit energy for these electrons is almost
unaffected by the Lorentz force. This study suggests that treatment planning for MRgRT can be
made with consideration of only the effect of the Lorentz force on dose distribution.
In these studies, we evaluated the biological effects of photon and electron irradiation based
on the yield of DSBs estimated by electron track-structure MC codes. As these results, we
successfully developed a new experimental method which enables estimating the yield of
complex DSBs by photon irradiation. We also estimated the effect of the magnetic field on the
electron track structure and evaluated the biological effects of electron irradiation in the case of
MRgRT. From these studies, we succeeded in estimating the initial response (i.e., the yield of
DNA damage) of the biological process contributing to radiation therapy with high accuracy by
simulation analysis of the physical processes (i.e., the spatial distribution of ionization and
excitation) after irradiation.

vi

目次
第 1 章緒言 ........................................................................................... ...

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参考文献

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第3章

MRI 融合放射線治療における電子線飛跡構造および DNA 損傷生成率に対する磁場の影響評価

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第4章

総括および今後の展望

第4章

総括および今後の展望

4.1. 総括

本研究では、放射線照射時に誘発される初期の生物学的影響である DNA 損傷、と

くに染色体異常や細胞死といった重篤な損傷を誘発しやすい DSB に着目した。そし

て、放射線照射後の物理学的過程（電離・励起の発生）について MC コードを用いて

解析し、初期の生物学的過程である DNA 損傷生成率を推定した。

第 2 章では、細胞核内に発生する DSB を計測することが可能な γ-H2AX focus 形成

法と、MC コードによる電離、励起の局所密度解析とを組み合わせることにより、光

子線照射時の complex DSB 生成率を簡便な実験手法にて推定することに成功した。γH2AX foci 面積とナノメートルスケールの領域内に発生する電離、励起数に比例関係

が成立すると仮定し、complex DSB の生成に必要な電離、励起数の閾値を γ-H2AX foci

面積の閾値に換算した。その結果、γ-H2AX foci 面積の閾値から各 X 線エネルギーの

complex DSB 生成率を推定することが可能となった。加えて、光子線エネルギーの生

物学的影響を考慮する際は、complex DSB 生成率ではなく、総 DSB 数が重要である

ことが明らかとなった。

第 3 章では、現在普及の進む MRgRT を想定した電子線照射の生物学的影響に対す

る磁場の影響を、MC シミュレーションを用いて DNA 損傷生成率を解析することで

評価した。放射線治療で用いられる高エネルギー電子線（1 MeV, 10 MeV 電子線）で

は、線量分布や電子線飛程のようなマクロスケールの領域で磁場強度の増加により変

化が確認された。一方で、ナノメートルスケールでの電離、励起密度を反映する DSB

生成率では磁場による変化が確認されなかった。したがって、MRgRT を行う際の治

療計画では、磁場による線量分布を考慮する必要はあるが、DSB 生成率すなわち生物

学的影響は、従来の非磁界下における放射線治療と同等とみなすことが可能であるこ

第4章

総括および今後の展望

とが示唆された。

これらの研究では、MC シミュレーションを用いることで、complex DSB 生成率の

新たな実験的解析手法の開発および新たな放射線治療における生物学的影響の推定

を遂行した。本論文で扱われた 2 つの研究より、MC シミュレーションの利用は

complex DSB のような細胞実験のみでは解析不可能である損傷の精細な解析が可能と

なる。また、磁界下における電子線照射といった、実測可能な施設が限られるような

体系をシミュレーション上で模擬し、新たな放射線治療を行う場合の DNA 損傷生成

率を推定することが可能となる。これらの研究から、MC シミュレーションを用いた

物理学的過程（電離・励起の空間分布）の解析により、治療に資する生物学的過程の

初期応答（DNA 損傷生成率）の高精度な推定に成功したといえる。

4.2. 今後の展望

本研究にて行われた解析の高精度化を図るために、次のような事項が今後の課題と

して挙げられる。

本研究の DSB 生成率解析に用いられた MC コード（PHITS および WLTrack）は、

物理学的過程（二次電子線の飛跡構造）のみ考慮している。したがって、二次電

子線が誘発する電離、励起により直接引き起こされる DSB のみを定量化してお

り、ラジカルの挙動（拡散、相互反応）とそれによって引き起こされる DSB は推

定しておらず、化学的過程については考慮していない。本研究では電子線・光子

線といった低 LET 放射線を使用しており、電離・励起の空間分布がシングルスパ

ーのような離散的分布であるため、ラジカルの反応がスパー内で完結する。その

ため、直接作用による DSB 生成率と間接作用による DSB 生成率が比例関係とな

り、DSB 生成率の相対値には影響を及ぼさない。しかし、高 LET 放射線のような

飛跡に沿って多数の二次電子線が発生する線質の放射線を解析する場合は、ラジ

カルの反応もさらに考慮する必要があると考えられる。このように、様々な放射

線の種類において生物学的影響をより正確に把握するためには、化学的過程の解

析が可能なコードの開発が必要である。

第4章

総括および今後の展望

本研究では、生体内の構造とは異なる任意体系でのシミュレーション解析・細胞

実験を行っている。シミュレーションにおいては、液相水中における電子線飛跡

構造解析にて DSB 生成率を推定したが、実際の生体では、液相水と比較して、よ

り不均一かつ複雑な構成であると考えられる。また、臨床適応となる悪性腫瘍に

関しては、細胞や細胞核等の大きさが不均一である。そういった腫瘍内不均一性

においてもシミュレーション解析を可能とするためには、将来的に生体構造をよ

り正確に模擬できるような体系をコード内に組み込み、検証する必要がある。細

胞実験においては、より実際の生体構造に近い 3D 培養法や in vivo 実験への応用

について検討する必要がある。

【第 2 章電子線飛跡構造解析に基づく複雑な DNA 損傷生成の実験的解析】

本研究では、実験的解析のみで完結する手法にて complex DSB 生成率を実測して

いない。今後の課題として、SSB や BD に対する免疫蛍光染色を行い γ-H2AX foci

との共焦点を観測するといった手法を用い、complex DSB の実測値を取得し、本

研究にて開発された解析手法による complex DSB 推定値との比較が必要である。

本研究にて開発された complex DSB 生成率推定手法は、光子線や電子線といった

低 LET 放射線のみを対象としている。低 LET 放射線照射時に生成される γ-H2AX

foci は隣接する foci 同士が重なる確率が低く、foci 面積が DSB の複雑さを反映し

ている。しかし、高 LET 放射線では、飛跡に沿って大量の二次電子線が発生する

ため、foci 同士の重なりを考慮する必要がある。今後は高 LET 放射線にも適用可

能となるよう、解析手法の発展が期待される。

【第 3 章 MRI 融合放射線治療にて磁場が飛跡構造および DNA 損傷生成率に与える

影響の推定】

本研究にて解析したエネルギーと同一の電子線照射による実測データは存在せず、

本研究にて解析された DSB 生成率は実測値と比較されていない。etsmode による

推定値は、先行研究にて良く検証された EGS モードの推定値と良い一致を示し、

第4章

総括および今後の展望

妥当性は検証されている。しかし、今後の課題としてシミュレーションと同条件

での照射実験による DSB 生成率の測定値を取得し、MC コードによる推定値と比

較検討する必要がある。

謝辞

本研究を遂行するにあたり、指導教員として直接ご指導を賜りました北海道大学大

学院保健科学研究院教授伊達広行先生、同研究院准教授福永久典先生に厚くお礼申

し上げます。また、本論文の執筆にあたり、主査および副査としてご助言を賜りまし

た同研究院教授神島保先生、北海道大学アイソトープ総合センター教授久下裕司先

生に深謝いたします。副指導教員である北海道大学大学院保健科学研究院助教堤香

織先生には、細胞実験の遂行に際し、多くのご助言を頂きました。同じく副指導教員

である同研究院講師松谷悠佑先生には、数々の議論を通し、本研究全体を通してご

助力を賜りました。深く感謝申し上げます。

日本原子力研究開発機構（JAEA）甲斐健師博士には、PHITS シミュレーションコ

ードによる開発やデータ解析について数多くのご助言、ご助力を賜りました。北海道

大学アイソトープ総合センター吉井勇治博士には、DNA 損傷生成率の解析コードに

ついて数多くのご助言、ご助力を賜りました。深く感謝申し上げます。

本研究は、日本原子力研究開発機構萌芽研究開発制度および北海道大学 DX 博士

人材フェローシップ（JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム Grant No. JPMJSP2119）

の助成を受けたものです。ここに深く感謝申し上げます。

最後に、博士後期課程にて、充実した学生生活をともに送った伊達研究室の皆様、

前向きな言葉で励まし続けてくれた家族へ、心から感謝申し上げます。

業績リスト

【原著論文】

Yachi, Y., Kai, T., Matsuya, Y., Hirata, Y., Yoshii, Y., Date, H. Impact of the Lorentz Force on

Electron Track Structure and Early DNA damage yields in Magnetic Resonance-Guided

Radiotherapy. Sci. Rep. 12: 16412 (2022).

Yachi, Y., Matsuya, Y., Yoshii, Y., Fukunaga, H., Date, H., Kai, T. An analytical method for

quantifying the yields of DNA double-strand breaks coupled with strand breaks by γ-H2AX focus

formation assay based on track-structure simulation. Int. J. Mol. Sci. 24: 1386 (2023).

【参考論文】

Matsuya, Y., Kai, T., Yoshii, Y., Yachi, Y., Naijo, S., Date, H., Sato, T. Modeling of yield estimation

for DNA strand breaks based on Monte Carlo simulations of electron track structure in liquid water.

J. Appl. Phys. 126: 124701 (2019).

Yachi, Y., Yoshii Y., Matsuya, Y., Mori, R., Oikawa, J., Date, H. Track Structure Study for Energy

Dependency of Electrons and X-rays on DNA Double-Strand Break Induction. Sci. Rep. 9: 17649

(2019).

Yamashina, H., Terashima, M., Oikawa, J., Naijo, j., Miyao, T., Yachi, Y., Matsuya, Y., Yamaguchi,

M., Tsujiguchi, T., Saga, R., Jun, H., Goh Valerie Swee Ting, Nakamura, T., Hosokawa, Y., and

Date, H. Radiation Safety and Public Health for Radiological Professionals: Meeting Report on

The 5th Educational Symposium on Radiation and Health (ESRAH) by Young Scientists in 2018.

Radiat. Emviron. Med. 10(1): 48-54 (2021).

Matsuya, Y., McMahon, S. J., Butterworth, K. T., Naijo, S., Nara, I., Yachi, Y., Saga, R., Ishikawa,

M., Sato, T., Date, H., Prise, K. M. Oxygen enhancement ratios of cancer cells after exposure to

intensity modulated x-ray fields: DNA damage and cell survival. Phys. Med. Biol. 66: 075014

(2021).

Hasegawa, K., Kitayama, Y., Nugraha, E. D., Yachi, Y., Naijo S., Miyao, T., Seino, R., Shiroto, Y.,

Tsujiguchi, T., Nakamura, T., Date, H. and Kashiwakura, I. Meeting Report on “The 6th Educational

Symposium on Radiation and Health by Young Scientists (ESRAH2019)”. Radiat. Emviron. Med.

10(2): 108-114 (2021).

Matsuya, Y., Kusumoto T., Yachi, Y., Hirata, Y., Miwa, M., Ishikawa, M., Date, H., Iwamoto, Y.,

Matsuyama, S., Fukunaga, H. Features of accelerator-based neutron source for boron neutron

capture therapy calculated by particle and heavy ion transport code system (PHITS). AIP Adv. 12:

025013 (2022).

Matsuya, Y., Hamada, N., Yachi, Y., Satou, Y., Ishikawa, M., Date, H., Sato, T. Inflammatory

Signaling and DNA Damage Responses after Local Exposure to an Insoluble Radioactive

Microparticle. Cancers 14(4): 1045 (2022).

【国際会議】

〇Yachi, Y., Yoshii, Y., Matsuya, Y., Date, H. Effects of X-ray energy spectrum and electron track

structure on DNA damage. The 5th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by

young scientists (ESRAH2018). September 29-30, 2018 (Sapporo, Japan). (poster)

〇Yachi, Y., Yoshii, Y., Matsuya, Y., Date, H. Monte Carlo simulation of the energy deposition by

ionizing radiations in micro- and nano-meter scales. 18th Asia-Oceania Congress of Medical

Physics (AOCMP) & 16th South-East Asia Congress of Medical Physics (SEACMP). November

11-14, 2018 (Kuala Lumpur, Malaysia). (oral)

〇Yachi, Y., Niwa, M., Yoshii Y., Matsuya, Y., Date, H. Evaluation of the Biological Impact by

Mammographic Low-Energy X-rays. The 4th FHS International Conference. July 5, 2019 (Sapporo,

Japan). (poster and 1min-oral)

〇Yachi, Y., Yoshii, Y., Matsuya, Y., Date, H. Electron track structure analysis for an update of cross

sections. The 6th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young scientists

(ESRAH2019). September 14, 2019 (Hirosaki, Japan). (poster and 1min-oral).

〇H. Mori, Y. Yachi, H. Date. Evaluation of the Radio-Sensitivity Associated with Bystander

Effects for Normal and Tumor Cells. The 5th FHS International Conference. September 17-18,

2021 (Sappro, Japan). (poster and 1min-oral)

〇S. Saito, Y. Yachi, K. Tsutsumi, H. Date. Analysis of Non-Targeted Effects on the Cells Under

Intensity-Modulated Radiation Exposure. The 5th FHS International Conference. September 17-18,

2021 (Sappro, Japan). (poster and 1min-oral)

〇T. Yamashita, Y. Yachi, H. Date. Monte Carlo Simulation Analysis of Direct DNA Damage

Induction by Photon Irradiations. The 5th FHS International Conference. September 17-18, 2021

(Sappro, Japan). (poster and 1min-oral)

〇Yachi, Y., Date, H. Evaluation of DNA damage aggregation for various X-ray energies. The 5th

FHS International Conference. September 17-18, 2021 (Sappro, Japan). (poster and 1min-oral)

〇 H. Mori, Y. Yachi, H. Date. Evaluation of the radio-sensitivity of cells after non-uniform

irradiations. The 8th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young scientists

(ESRAH2021). November 12-13, 2021 (online). (poster and 3min-oral)

10. 〇S. Saito, Y. Yachi, K. Tsutsumi, H. Date. Analysis of biological effects on the cells under

intensity-modulated radiation exposure. The 8th Educational Symposium on RADIATION AND

HEALTH by young scientists (ESRAH2021). November 12-13, 2021 (online). (poster and 3minoral)

11. 〇T. Yamashita, Y. Yachi, H. Date. Analysis of the relationship between the energy of X-rays and

DNA cluster damage by Monte Carlo simulation. The 8th Educational Symposium on RADIATION

AND HEALTH by young scientists (ESRAH2021). November 12-13, 2021 (online). (poster and

3min-oral)

12. 〇Yachi, Y., Kai, T., Matsuya, Y., Hirata, Y., Yoshii, Y., Date, H. Estimation of biological effects

after electron irradiation during static magnetic fields in magnetic resonance-guided radiotherapy.

The 8th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young scientists

(ESRAH2021). November 12-13, 2021 (online). (poster and 3min-oral)

13. 〇Yachi, Y., Matsuya, Y., Yoshii, Y., Fukunaga, H., Date, H., Kai, T. Evaluation of complex DNA

double-strand breaks after exposure to photon beams by means of γ-H2AX focus formation assay

and Monte Carlo track-structure simulation. The 9th Educational Symposium on RADIATION

AND HEALTH by young scientists (ESRAH2022). December 3-4, 2022 (online). (oral)

【国内学会】

〇谷内淑惠、吉井勇治、松谷悠佑、伊達広行. 光子線・電子線による微視的線量付与のモ

ンテカルロシミュレーション解析. 日本放射線技術学会北海道支部第 73 回秋季大会.

2017 年 11 月 18-19 日札幌. （口頭発表）

〇 Yachi, Y., Yoshii, Y., Matsuya, Y., Date, H. Microdosimetric evaluation of photon-energy

dependence on biological effectiveness. 第 115 回日本医学物理学会学術大会. 2018 年 4 月 1215 日横浜. （口頭発表）

〇谷内淑惠、吉井勇治、松谷悠佑、伊達広行. 核内誘発 DNA 損傷数に関する光子・電子

エネルギーの依存性. 日本保健物理学会第 51 回研究発表会. 2018 年 6 月 29-30 日札幌.

（口頭発表）

〇丹羽茉衣花、谷内淑惠、吉井勇治、松谷悠佑、伊達広行. 乳房 X 線撮影による生物学的

影響の推定. 日本放射線技術学会北海道支部第 74 回秋季大会. 2018 年 11 月 24-25 日

札幌. （口頭発表）

〇Saito, S., Matsuya, Y., Yachi, Y., Naijo, S., Date, H. Temporal change in the number of DNA

double-strand breaks caused by non-target effects in an intensity-modulated irradiation field. 第 76

回日本放射線技術学会総会学術大会. 2020 年 5 月 15 日-6 月 14 日 online 開催. （口頭発

表）

〇Mori, H., Matsuya, Y., Yachi, Y., Naijo, S., Date, H. Radio-sensitivities of cultured cells exposed

to a variety of irradiation area. 第 76 回日本放射線技術学会総会学術大会. 2020 年 5 月 15 日

-6 月 14 日 online 開催. （口頭発表）

〇Yamashita, T., Yachi, Y., Yoshii, Y., Matsuya, Y., Date, H. Nanoscopic analysis of DNA-strand

breaks of the cells exposed to X-ray radiations. 第 76 回日本放射線技術学会総会学術大会.

2020 年 5 月 15 日-6 月 14 日 online 開催. （口頭発表）

〇斉藤駿、谷内淑惠、伊達広行. 低酸素環境下における生体細胞への放射線照射が引き起

こす非標的効果の検討. 第 49 回日本放射線技術学会秋季学術大会. 2021 年 10 月 15-17 日

熊本.（口頭発表）

〇森大成、谷内淑惠、堤香織、伊達広行. 正常組織および腫瘍組織への照射割合の変化に

よるバイスタンダー効果の解析. 第 49 回日本放射線技術学会秋季学術大会. 2021 年 10 月

15-17 日熊本.（口頭発表）

10. 〇R. Seino, Y. Yachi, H. Mori, H. Date. A model analysis of radiation-induced damage considering

repair probabilities of the lesions as time elapses. 第 64 回日本放射線影響学会秋季大会. 2021

年 9 月 22-24 日 online 開催. （口頭発表）

11. 〇Y. Yachi, H. Data. Experimental analysis of DNA damage formation depending on X-ray energy.

第 64 回日本放射線影響学会秋季大会. 2021 年 9 月 22-24 日 online 開催. （口頭発表）

【セミナー】

○谷内淑惠, 吉井勇治, 伊達広行. 低エネルギー電子線による DNA 損傷の生成率解析.

PHITS 研究会. 2019 年 8 月 5 日つくば. （口頭発表）

【社会活動】

Committee member, The 5th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young

scientists (ESRAH2018). September 29-30, 2018 (Sapporo, Japan).

Chairperson, Invited Talk 3, The 5th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by

young scientists (ESRAH2018). September 30, 2018 (Sapporo, Japan).

Committee member, The 6th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young

scientists (ESRAH2019). September 14, 2019 (Hirosaki, Japan).

Chairperson, Educational Lecture 3, The 6th Educational Symposium on RADIATION AND

HEALTH by young scientists (ESRAH2019). September 14, 2019 (Hirosaki, Japan).

Committee member, The 8th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young

scientists (ESRAH2021). November 12-13, 2021 (online).

Chairperson, Educational Lecture 1, The 8th Educational Symposium on RADIATION AND

HEALTH by young scientists (ESRAH2021). November 12, 2021 (online).

Committee member, The 9th Educational Symposium on RADIATION AND HEALTH by young

scientists (ESRAH2022). December 3-4, 2022 (online).

Chairperson, Short presentation section 3, The 9th Educational Symposium on RADIATION AND

HEALTH by young scientists (ESRAH2022). December 3, 2022 (online).

【競争的資金】

北海道大学 DX 博士人材フェローシップ（JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム Grant

No. JPMJSP2119）採択期間：2021.10-2023.3 研究奨励費年間 1800,000 円, 研究費年間

400,000 円

付録

WLTrack における複雑な DNA 損傷生成率の解析コード

!*************************************************************************************

modCube.f90

ver.1.00!

prototype(modSphere_cubemode_yyachi.f90) by Y.Yachi (2019/07)

completed ver. by Y.Yachi (2020/02)

last update 2020/02/28 Y.Yachi

!*************************************************************************************

module modCube

implicit none

public::EventCnt,iniEventCnt,setEventCnt,postEventCnt,endEventCnt2

integer,private :: cnt,cnt2,cnt3

real(8),private :: thist_inum(10000)

real(8),private :: squa

real(8),private :: radius,radius2,squa2

integer,private :: total_inum(1000,100000)

contains

subroutine setEventCnt(squa0)

real(8),intent(in) :: squa0

squa=squa0

write(700,*)'squa,',squa

close(700)

end subroutine

subroutine iniEventCnt

real(8)::yyscale(10001)

integer::cnt

!--OPEN_csv--------------------OPEN(700,FILE='700modCube_Parameter.csv')

write(700,*)'modSpere Parameter'

OPEN(710,FILE='710modCube_eventnum.csv')

write(710,*)'event_number,freq'

OPEN(720,FILE='720modCube_event-to-damage.csv')

write(720,*)'event_number,tot_freq,avr_freq,sd,sSSB,sd,sDSB,sd'

OPEN(730,FILE='730modCube_cubemode_ssb-and-dsb.csv')

write(730,*)'batch,SSB,DSB'

OPEN(740,FILE='740modCube_cubemode_raw-data.csv')

write(740,*)'batch,event_number,freq,sSSB,sDSB'

!****USER SETTING INFORMATION******************************

squa=3.4

! square[nm]

!**********************************************************

write(700,*)'squa,',squa

!--- parameter of modCube----------------total_inum=0.0

!-----------------------------------------

end subroutine

subroutine preEventCnt

!initialization

thist_inum=0.0

end subroutine

subroutine postEventCnt(batch)

integer,intent(in)::batch

integer :: i

integer :: inum(10000),sum_inum(10000)

integer,save::k=0

!*** total track *********************************************

!--- for modCube --------------------------------------------do cnt2=1,100

total_inum(batch,cnt2)=thist_inum(cnt2)

print*,'total_inum',batch,cnt2,total_inum(batch,cnt2)

end do

!-------------------------------------------------------------

!*** end total track *****************************************

end subroutine

subroutine endEventCnt2(inie,nbch)

real(8),intent(in)::inie

integer,intent(in)::nbch

real(8)::sSSB(nbch,10000),sDSB(nbch,10000),sDSB_per_ssb

integer :: cnt

integer :: sumhist_inum(10000)

real(8)::avr_inum(100),sub_inum(nbch,100),sum_sub_inum(100),std_inum(100)

real(8)::sum_sSSB(100),avr_sSSB(100),sub_sSSB(nbch,100),sum_sub_sSSB(100),std_s

SSB(100)

real(8)::sum_sDSB(100),avr_sDSB(100),sub_sDSB(nbch,100),sum_sub_sDSB(100),std_s

DSB(100)

real(8)::tsum_sSSB(nbch),tsum_sDSB(nbch)

!----set parameter-------------------------------------------real,parameter :: pc=0.117

!default:0.117 (Garty et al,2010)

!-------------------------------------------------------------

!-----for modCube-------------------------------------sumhist_inum=0.0

do cnt=1,nbch

do cnt2=1,100

sumhist_inum(cnt2)=sumhist_inum(cnt2)+total_inum(cnt,cnt2)

end do

avr_inum=0.0

do cnt2=1,100

avr_inum(cnt2)=dble(sumhist_inum(cnt2))/nbch

end do

sub_inum=0.0

sum_sub_inum=0.0

do cnt2=1,100

do cnt=1,nbch

sub_inum(cnt,cnt2)=(avr_inum(cnt2)-total_inum(cnt,cnt2))**2.0

sum_sub_inum(cnt2)=sum_sub_inum(cnt2)+sub_inum(cnt,cnt2)

end do

std_inum=0.0

do cnt2=1,100

std_inum(cnt2)=sqrt(sum_sub_inum(cnt2)/nbch)

end do

sSSB=0.0

sum_sSSB=0.0

tsum_sSSB=0.0

do cnt=1,nbch

do cnt2=1,100

sSSB(cnt,cnt2)=total_inum(cnt,cnt2)*2.0*((1.0pc/2.0)**cnt2-(1.0-pc)**cnt2)

sum_sSSB(cnt2)=sum_sSSB(cnt2)+sSSB(cnt,cnt2)

tsum_sSSB(cnt)=tsum_sSSB(cnt)+sSSB(cnt,cnt2)

end do

avr_sSSB=0.0

do cnt2=1,100

avr_sSSB(cnt2)=dble(sum_sSSB(cnt2))/nbch

end do

sub_sSSB=0.0

sum_sub_sSSB=0.0

do cnt2=1,100

do cnt=1,nbch

sub_sSSB(cnt,cnt2)=(avr_sSSB(cnt2)-sSSB(cnt,cnt2))**2.0

sum_sub_sSSB(cnt2)=sum_sub_sSSB(cnt2)+sub_sSSB(cnt,cnt2)

end do

std_sSSB=0.0

do cnt2=1,100

std_sSSB(cnt2)=sqrt(sum_sub_sSSB(cnt2)/nbch)

end do

sDSB=0.0

sum_sDSB=0.0

tsum_sDSB=0.0

do cnt=1,nbch

do cnt2=1,100

sDSB(cnt,cnt2)=(1.0+(1.0-pc)**cnt2-2.0*(1.0pc/2.0)**cnt2)*total_inum(cnt,cnt2)

sum_sDSB(cnt2)=sum_sDSB(cnt2)+sDSB(cnt,cnt2)

tsum_sDSB(cnt)=tsum_sDSB(cnt)+sDSB(cnt,cnt2)

end do

avr_sDSB=0.0

do cnt2=1,100

avr_sDSB(cnt2)=dble(sum_sDSB(cnt2))/nbch

end do

sub_sDSB=0.0

sum_sub_sDSB=0.0

do cnt2=1,100

do cnt=1,nbch

sub_sDSB(cnt,cnt2)=(avr_sDSB(cnt2)-sDSB(cnt,cnt2))**2.0

sum_sub_sDSB(cnt2)=sum_sub_sDSB(cnt2)+sub_sDSB(cnt,cnt2)

end do

do cnt2=1,100

std_sDSB(cnt2)=sqrt(sum_sub_sDSB(cnt2)/nbch)

end do

do cnt=1,100

write(720,*)cnt,',',sumhist_inum(cnt),',',avr_inum(cnt),',',std_inum(cnt),',',a

vr_sSSB(cnt)&

,',',std_sSSB(cnt),',',avr_sDSB(cnt),',',std_sDSB(cnt)

end do

do cnt=1,nbch

write(730,*)cnt,',',tsum_sSSB(cnt),',',tsum_sDSB(cnt)

end do

do cnt=1,nbch

do cnt2=1,100

write(740,*)cnt,',',cnt2,',',total_inum(cnt,cnt2),',',sSSB(cnt,cnt2),',',sDSB(c

nt,cnt2)

end do

!-----end---------------------------------------------end subroutine

subroutine EventCnt(inie,tnum,num,cpos,ctyp,cedep,max_inum,hist_inum)

use mtmod

real(8),intent(in)::inie

integer,intent(in)::tnum

integer,intent(in)::num

real(8),intent(in)::cpos(3,num),cedep(num)

integer,intent(in)::ctyp(num)

integer,intent(out)::max_inum,hist_inum(10000)

integer :: pcnt

real(8) :: cpos2(3,num)

real(8) :: pos(3,3000000)

integer :: ntot

integer(8) :: inum(num)

squa2=squa**2

!--Step1-!print*,"step1"

call EventCnt_step1(cpos,num,cpos2)

!cpos2=0.0

!--Step2_2-!print*,"step2_2"

call

EventCnt_step2(cedep,num,cpos2,pcnt,pos,max_inum,hist_inum,inum)

!--- calcuration of event number in cube ----------------call EventCnt_step3(max_inum,hist_inum)

!--- reccording of event number in cube ------------------

end subroutine

subroutine EventCnt_step1(cpos,num,cpos2)

integer,intent(in)::num

real(8),intent(in)::cpos(3,num)

real(8),intent(out) :: cpos2(3,num)

real(8)::x,y,z

x=minval(cpos(1,1:num))

y=minval(cpos(2,1:num))

z=minval(cpos(3,1:num))

do cnt=1,num

cpos2(1,cnt)=cpos(1,cnt)-x+squa*2

cpos2(2,cnt)=cpos(2,cnt)-y+squa*2

cpos2(3,cnt)=cpos(3,cnt)-z+squa*2

end do

end subroutine

subroutine

EventCnt_step2(cedep,num,cpos2,pcnt,pos,max_inum,hist_inum,inum)

real(8),intent(in) :: cedep(num)

integer,intent(in) :: num

real(8),intent(in) :: cpos2(3,num)

integer,intent(out) :: pcnt

real(8),intent(out) :: pos(3,num)

integer :: flag,x,y,z,k

integer :: xx(num),yy(num),zz(num)

integer :: xmax,ymax,zmax,numcube0

integer(8),intent(out) :: inum(num)

integer,intent(out) :: max_inum,hist_inum(10000)

pos=0.0

pcnt=1

pos(1,pcnt)=int(cpos2(1,1)/squa)

pos(2,pcnt)=int(cpos2(2,1)/squa)

pos(3,pcnt)=int(cpos2(3,1)/squa)

inum=0

do cnt=1,num

x=int(cpos2(1,cnt)/squa)

y=int(cpos2(2,cnt)/squa)

z=int(cpos2(3,cnt)/squa)

flag=1

do cnt3=1,pcnt

if(x==pos(1,cnt3))then

if(y==pos(2,cnt3))then

if(z==pos(3,cnt3))then

flag=0

inum(cnt3)=inum(cnt3)+1

end if

end do

if(cnt/=num)then

pcnt=pcnt+1

pos(1,pcnt)=int(cpos2(1,pcnt)/squa)

pos(2,pcnt)=int(cpos2(2,pcnt)/squa)

pos(3,pcnt)=int(cpos2(3,pcnt)/squa)

end if

xx(cnt)=x

yy(cnt)=y

zz(cnt)=z

end do

xmax=maxval(xx)

ymax=maxval(yy)

zmax=maxval(zz)

numcube0=(xmax*ymax*zmax)-pcnt

write(710,*)0,',',numcube0

max_inum=maxval(inum)

hist_inum=0.0

do cnt=1,max_inum

do cnt3=1,pcnt

if(inum(cnt3)==cnt)then

hist_inum(cnt)=hist_inum(cnt)+1

end if

end do

do cnt=1,max_inum

write(710,*)cnt,',',hist_inum(cnt)

end do

end subroutine

subroutine EventCnt_step3(max_inum,hist_inum)

integer,intent(in) :: max_inum,hist_inum(10000)

do cnt=1,max_inum

thist_inum(cnt)=thist_inum(cnt)+hist_inum(cnt)

end do

end subroutine

end module

!-------- end modCube ---------------------------------------------------------------

...

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大学

学位論文種類・取得年

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放射線照射下におけるDNA損傷生成率のシミュレーション研究

概要

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参考文献

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