本文描述了輻射與生物體相互作用的宏觀量和微觀量之間的聯系,介紹了從微劑量學到納米劑量學的發展趨勢和最新成果,以及測量、計算其中的微觀物理量的方法;探討了微劑量學和納米劑量學與輻射生物學之間的關系,以及它們在輻射防護和放射治療等應用中存在的問題和未來進一步發展的方向。
引用本文： 傅玉川, 李平. 從微劑量學到納米劑量學——連接放射生物和輻射物理的橋梁. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(3): 703-707. doi: 10.7507/1001-5515.20140131 復制
引言
輻射與物質的相互作用理論，是在上世紀由著名物理學家Bohr、Bethe、Heitler和Fano[1-3]等建立起來的，它一直支撐著最前沿的物質結構學科--從高能物理、大氣空間物理和天體物理學、電子束光刻和材料分析技術(如電子顯微鏡、X射線光譜儀)到生物醫學工程等一系列最先進的技術和應用。但是在醫學應用中，如影像和放射治療，涉及到的是生物系統內發生的電磁相互作用，由輻射粒子激發和電離生物體分子引起的輻射效應(即放射生物學效應)，性質與其他應用相比，有著顯著的不同。
描述輻射與物質相互作用的基本量是吸收劑量，即每單位質量體積中沉積的平均能量。而對輻射生物效應而言，能量的吸收無論在空間還是在時間上都有可能是不均勻的。針對生物體基本單位--細胞的輻射損傷包括細胞失活[4]、染色體畸變[5]、微核誘變[6]、致瘤性轉變[7]和DNA雙鏈斷裂[8]等，它們都可以通過一定的生物學實驗進行測量。大量的生物效應實驗證明，吸收相同劑量引起的生物效應會因電離輻射能量沉積的微觀分布不同而有差別，即決定生物效應的因素不僅僅是受照器官或組織中沉積的平均能量，更重要的是與這些能量沉積在時間和微觀空間中的分布情況有關。為了嚴密地了解細胞初級輻射損傷的物理本質，并解釋影響這種損傷出現或者補償的條件，微劑量學和納米劑量學應運而生并逐步發展[9-12]。
本文將從描述輻射與生物體相互作用的宏觀量和微觀量之間的聯系說起，介紹從微劑量學到納米劑量學的發展趨勢和最新成果，并介紹測量、計算其中微觀物理量的方法，最后探討微劑量學、納米劑量學與輻射生物學之間的關系，以及它們在輻射防護和放射治療等應用中存在的問題和未來進一步發展的方向。
1 通往相對生物效應的微劑量學途徑
1.1 相對生物效應的定義
為了量化單位體積內的能量吸收數量，以Jkg-1(Gy)為單位的吸收劑量D被選作輻射劑量學的基本量[13]。但是電離輻射的生物效應不能被解釋為只包含劑量的函數。傳統上，輻射的生物有效性評估是通過比較不同輻射束達到相同程度的一個特定生物學終點需要的吸收劑量值來進行的，該比值就是相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)[14]。引入RBE概念的原因在于只用吸收劑量無法預測生物效應[15],而不同輻射品質的射束，在吸收劑量相同的情況下，可能導致在特定生物終點條件下危害程度的重大差別[16]。例如在輻射防護中，最大和最小有效輻射品質條件下吸收劑量的差別因子可達20。其中帶電粒子徑跡結構的差異扮演著重要角色，如天然產生的α粒子就能產生比高能電子和光子更加密集的徑跡。
1.2 微劑量學中的參量
電離輻射穿過活細胞或組織時產生的物理和化學事件的徑跡或歷史可能會導致細胞機能的中斷。從傳統的角度來看，細胞核，尤其是基因組，是電離輻射傷害的主要目標[17]。能量沉積可能會導致脫氧核糖核酸(desoxyribonucleic acid，DNA)以單鏈或雙鏈斷裂和堿基受損等形式的損傷[18]。反過來，細胞修復系統會嘗試修復損傷。于是有些細胞被修復，有些還剩下部分損傷，而一些細胞無法被修復[19]。初始能量沉積的后果是一些細胞死亡，其它存活細胞中一些攜帶了染色體損傷，另一些可能會出現或大或小的基因缺失或堿基變化等變異特征[20]。顯然，有關徑跡結構的參量有望改善射束的表征量并有助于人們進一步理解生物效應和有效性的機制和定量性。
電離輻射的徑跡可以用許多形式來描述和模擬，如傳能線密度(linear energy transfer,LET)、品質因子(Q)、線能和特征能量(z)[9, 15] 等。單個帶電粒子可以用LET和線能來描述。在大多數情況下，帶電粒子有一個能量范圍，可以用LET和線能分布來表征。
用符號LΔ表示的LET，在ICRU報告60[13]中被定義為一個非隨機量。它是dEΔ和dl的商，其中dEΔ是帶電粒子在遍歷一個距離dl過程中由于電子碰撞損失的能量，減去能量損失超過Δ的動能總和;LΔ=dEΔ/dl也被稱為受限制的LET。如果不存在截止限制，LET就被寫成L∞或L，等于電子的阻止本領。
L是一個平均量，不能顯示射束在相互作用中的隨機性，在實踐中的測量也很困難。因此定義了微劑量學參量及其分布來克服這些缺點[21]。對應于L的參量是線能y，它是ε除以1的商，其中ε是在一個體積內由一次單個能量沉積事件授予介質的能量，1則是該體積的平均弦長。
與LET的定義不同，在y中能量必須總是被授予的(ε＞0)。與LET相似，兩個分布f(y)和d(y)分別用來描述頻率和劑量分布[15]。在頻率分布中，f(y)dy表示在線能間隔y和y+dy之間發現一次事件的概率及其平均值F，稱為頻率平均線能。類似地，劑量分布d(y)dy表示在線能間隔y和y+dy之間一次事件能量授予的概率。同樣，D是劑量平均線能。因此在情況y下，其分布還包括粒子與物質相互作用固有的隨機效應，對每一個單獨的LET值都有一個線能的平均值。 另一個有用的量是比能z=ε/m，表示在一個特定的體積內被授予的能量除以該體積質量m的量[10, 15]。它與線能存在類似的分布。但是，與線能不同，特定能量分布可以不僅定義為一個單一事件，而且還可定義一個體積內同時存在多次事件的情況。這種分布也可以包括沒有能量沉積的事件的概率。多個事件分布的平均特定能量等于吸收劑量D。由單一事件引起的特定能量可表示為z1，其概率分布分別為f1(z)和d1(z)。
1.3 微劑量學參量與RBE的比較
將微劑量學結果與RBE聯系起來最簡單的方法是比較生物實驗中射束線能的劑量分布[14]。如果劑量分布是相同的，可以預期的是RBE值將相等；如果它們是不同的，不能排除會有不同的RBE。進一步的簡化是比較分布的平均值F和D，而不是全部分布。
利用線能描述輻射品質的主要優點在于線能本身能夠直接測定，并且能夠與某些輻射作用的理論模型相聯系[9]。在ICRP出版物92 (2003)[22]中，針對不同單能光子在不同模擬直徑下的劑量傳能線密度D和測得的劑量平均線能D都已給出。Chen[23]研究了小的和大的受體的影響，計算了光子能量分別為10 keV和2 MeV兩種條件下，直徑50 nm至1 μm的組織等效球的D值。對于一個小的受體，這些光子和康普頓電子可以被認為是源自第一次光子相互作用。對于大型的受體，所有相互作用產生的電子都包括在里面。光子能量在50 keV和100 keV之間時，小型和大型的受體的D值之間沒有大的差異，而相對于1 MeV的光子，這些值有一個約2倍的因子。
2 納米劑量學的發展
2.1 納米劑量學簡介
由輻射引起的生物細胞初始損傷主要源自發生于DNA及其附近的非彈性相互作用。Brenner等[24]的研究表明由不同電離品質的電離粒子產生的多次電離輻射群(2~3 nm尺寸內)與雙鏈斷裂產額有很好的相關性。Goodhead[25]的觀察也支持這一結論，即針對某個生物學終點的放射生物學效應在LET約100 keV/mm時呈現出顯著的最大值。而這一LET值對應的輕離子在水中的一次電離平均自由程小于0.5 nm，使得該電離簇對應幾納米的靶尺寸。
以上所述微劑量學考慮了相當于細胞核大小的靶體積內能量沉積的空間分布，其尺寸通常為幾微米。而Brenner 和Ward的上述發現意味著對細胞的初始輻射損傷與粒子在DNA或在其附近(即納米尺寸的目標內)的電離簇大小相關。因此，一種更恰當的方法是發展一種新的劑量學概念，即納米劑量學，來表征一個納米體積內基于電離簇形成的粒子徑跡結構。它具有將經驗輻射品質因子與徑跡結構等微觀屬性聯系起來的潛力[12]。
2.2 納米劑量學中的參量
在納米劑量學中，徑跡結構由電離簇尺寸ν的頻度分布來表征，它是在一個特定體積內產生的電離數量。通常將靶體積假設為圓柱體，從而在形狀上模擬DNA的基本形狀。一個具有輻射品質Q的電離粒子的徑跡結構可以通過圓柱體靶體積內發生ν電離概率的統計分布P(ν|Q; d)來描述[12]。其中d 是一個初始粒子與靶中心之間的距離。當初始粒子從垂直于圓柱中心軸且位于靶一半高度的平面上穿過靶體積時，d=0 nm，簇大小分布的符號表示為P(ν|Q)。
電離簇大小分布反映了不同的輻射品質與粒子類型和能量的關聯關系。例如，對于5 MeV的質子，簇的大小分布特征為當簇大小為零時為高概率，隨著簇大小的增加概率迅速減小；與此類似，20 MeV的α粒子在簇的大小為零時表現出最大的概率，但隨著簇大小的增加以較慢的速率減少；而 60 MeV的碳離子和100 MeV的氖離子的簇大小概率在簇大小分別增加至9和26時達到最大值，然后隨簇大小的增加而減小。
一個假定的與雙鏈斷裂形成相關聯的納米劑量學參量是大于2的電離簇大小累積概率 [26]，這一重要假設背后的邏輯是，為了產生雙鏈斷裂，至少需要在很短的DNA片段內有兩次擊中，而發生這種情況的可能性應該與兩次或更多次的電離概率成正比。
2.3 粒子徑跡結構的蒙特卡羅模擬
在過去的20年里，蒙特卡羅徑跡結構模型常被用來確定粒子徑跡的微劑量學參量和納米劑量學參量[27-29]，因為它可以一步一步真實地模擬電離粒子的空間行為，描述能量損失中的電離、δ射線及其它分叉徑跡等。人們開發了多種可專門模擬粒子徑跡的蒙特卡羅程序，如Livermore、Penelope、Geant4和PTB等[30-31]，并將它們用于放射生物學和納米劑量學應用，如模擬微束細胞照射實驗，顯示當一個粒子打到一個實際的細胞模型上時的局部能量沉積和電離分布[32]。
開發這類蒙特卡羅程序的難點在于：除了標準原子碰撞相互作用的橫截面數據庫，還必須提供具備低能電子截面的理論模型和相關數據，從而使其可以精確地以離散形式模擬所有相互作用[33]。由于缺乏全面的DNA分子內輻射相互作用數據集，蒙特卡羅徑跡結構程序常用物理性質相近的液態水來代替DNA。有研究結果表明，使用液態水而不是DNA的截面數據，可能導致高估平均電離簇大小，它意味著雙鏈斷裂概率和放射生物學效應可能被高估[12]。因此需要進一步進行除液態水之外的生物分子替代物的電離截面研究。
3 微劑量學和納米劑量學的實驗研究方法
微劑量學實驗研究方法的基本出發點是使用一個組織等效氣體體積來模擬一個正常密度的小生物組織體積[9]。所謂模擬是指帶電粒子通過計數管體積中組織等效氣體時，和通過同一位置上組織的小靈敏體積時所遭受的碰撞數目相同，因此將計數管放在與生物材料相同的位置上時，可以用計數管測量到的輻射能量沉積分布來表示所要模擬的生物材料小組織中的能量沉積分布。計數管工作時所用的氣體一般為甲烷、二氧化碳和氮氣的混合物。
目前使用的微劑量測量技術包括基于單事件分析的脈沖高度分析(the pulse-heights analyses，PHA)技術和基于多個事件分析的方差 - 協方差(the variance-covariance，V-C)技術[15],兩者是相互獨立的技術。
當關注的對象體積為納米級時，雖然確定該凝聚態物質體積內電離簇大小的分布可利用模擬進行，但對這些分布進行直接測量是不可能的[12]，而間接測量的技術還有待發展。因此，如同微劑量的情形，密度縮放的原理可以被應用于將氣體宏觀體積內的可測量參數與凝聚態物質微觀體積內的相應量聯系起來。
在納米劑量學中，可利用低壓氣體中的電離簇大小分布測量來探測粒子在納米生物靶(如DNA)上的徑跡結構。到目前為止，通過構建三種不同類型的納米計量計才實現了這個概念，它們是噴氣計數器、納米徑跡計數器和離子計數納米計量計。在填充低氣壓氣體的條件下，這些復雜的設備被用來測量電離簇大小。獲得的測量結果可用來作為粒子徑跡結構Monte Carlo模擬電離簇大小分布的基準[34]。
4 總結
應用于評估和理解生物分子中輻射損傷方面的微劑量學和徑跡結構，是從基本物理和化學原理出發，提供可進行實驗檢測的一種假設理論途徑。為此，徑跡結構提供了理解劑量 - 效應關系(S形狀)機制的基礎。已積累的來自于化學、細胞學和細胞放射生物學的豐富資料和數據需要被放置在一個統一描述的理論框架內。在很多經典放射生物學問題仍然沒有答案的情況下，新思路和具有挑戰性的問題正在不斷涌現。其中，分子水平上的徑跡結構模擬是放射生物學和放射治療學理論中一個新興的工具。
輻射相互作用的最豐富產物是低能電子，這些電子與周圍分子的碰撞是導致生物系統中輻射損傷生化反應序列的主要初始來源[14]。我們現在對于輻射引起的亞細胞尺度上生物損傷(小至納米體積)的理解源于微劑量學和納米劑量學研究，但這些研究成果尚未很好地得到應用，如在放射治療中輻射品質的測量可以有兩種不同的用途：首先是確定治療區域內輻射品質是否有任何變化，其次可用于探討輻射品質差異的重要性。然而，到目前為止，關于治療區域內輻射品質的變化研究尚未充分展開，而線能分布差異的生物影響也未能充分了解。
現在，由于不可避免的健康組織低劑量輻射暴露[35]，為接受過放射治療的癌癥生存者的繼發惡性腫瘤發病率逐步上升，提供了解切的非靶內損傷證據。現在越來越多的放射治療研究更關注對受照射腫瘤周圍的正常細胞的影響[36]。但是目前的研究仍缺乏定量的基于人體動機的模型，主要是因為經典放射生物學中以DNA為中心的方法在低劑量時不再有效。因此如何利用微劑量學和納米劑量學工具來探討輻射生物效應的物理機制，從而建立預測生物性病變頻率和復雜性的模型，并改進徑跡結構模型以使其提供更準確的治療和風險評估信息[37]，是我們今后進一步探索的方向。
引言
輻射與物質的相互作用理論，是在上世紀由著名物理學家Bohr、Bethe、Heitler和Fano[1-3]等建立起來的，它一直支撐著最前沿的物質結構學科--從高能物理、大氣空間物理和天體物理學、電子束光刻和材料分析技術(如電子顯微鏡、X射線光譜儀)到生物醫學工程等一系列最先進的技術和應用。但是在醫學應用中，如影像和放射治療，涉及到的是生物系統內發生的電磁相互作用，由輻射粒子激發和電離生物體分子引起的輻射效應(即放射生物學效應)，性質與其他應用相比，有著顯著的不同。
描述輻射與物質相互作用的基本量是吸收劑量，即每單位質量體積中沉積的平均能量。而對輻射生物效應而言，能量的吸收無論在空間還是在時間上都有可能是不均勻的。針對生物體基本單位--細胞的輻射損傷包括細胞失活[4]、染色體畸變[5]、微核誘變[6]、致瘤性轉變[7]和DNA雙鏈斷裂[8]等，它們都可以通過一定的生物學實驗進行測量。大量的生物效應實驗證明，吸收相同劑量引起的生物效應會因電離輻射能量沉積的微觀分布不同而有差別，即決定生物效應的因素不僅僅是受照器官或組織中沉積的平均能量，更重要的是與這些能量沉積在時間和微觀空間中的分布情況有關。為了嚴密地了解細胞初級輻射損傷的物理本質，并解釋影響這種損傷出現或者補償的條件，微劑量學和納米劑量學應運而生并逐步發展[9-12]。
本文將從描述輻射與生物體相互作用的宏觀量和微觀量之間的聯系說起，介紹從微劑量學到納米劑量學的發展趨勢和最新成果，并介紹測量、計算其中微觀物理量的方法，最后探討微劑量學、納米劑量學與輻射生物學之間的關系，以及它們在輻射防護和放射治療等應用中存在的問題和未來進一步發展的方向。
1 通往相對生物效應的微劑量學途徑
1.1 相對生物效應的定義
為了量化單位體積內的能量吸收數量，以Jkg-1(Gy)為單位的吸收劑量D被選作輻射劑量學的基本量[13]。但是電離輻射的生物效應不能被解釋為只包含劑量的函數。傳統上，輻射的生物有效性評估是通過比較不同輻射束達到相同程度的一個特定生物學終點需要的吸收劑量值來進行的，該比值就是相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)[14]。引入RBE概念的原因在于只用吸收劑量無法預測生物效應[15],而不同輻射品質的射束，在吸收劑量相同的情況下，可能導致在特定生物終點條件下危害程度的重大差別[16]。例如在輻射防護中，最大和最小有效輻射品質條件下吸收劑量的差別因子可達20。其中帶電粒子徑跡結構的差異扮演著重要角色，如天然產生的α粒子就能產生比高能電子和光子更加密集的徑跡。
1.2 微劑量學中的參量
電離輻射穿過活細胞或組織時產生的物理和化學事件的徑跡或歷史可能會導致細胞機能的中斷。從傳統的角度來看，細胞核，尤其是基因組，是電離輻射傷害的主要目標[17]。能量沉積可能會導致脫氧核糖核酸(desoxyribonucleic acid，DNA)以單鏈或雙鏈斷裂和堿基受損等形式的損傷[18]。反過來，細胞修復系統會嘗試修復損傷。于是有些細胞被修復，有些還剩下部分損傷，而一些細胞無法被修復[19]。初始能量沉積的后果是一些細胞死亡，其它存活細胞中一些攜帶了染色體損傷，另一些可能會出現或大或小的基因缺失或堿基變化等變異特征[20]。顯然，有關徑跡結構的參量有望改善射束的表征量并有助于人們進一步理解生物效應和有效性的機制和定量性。
電離輻射的徑跡可以用許多形式來描述和模擬，如傳能線密度(linear energy transfer,LET)、品質因子(Q)、線能和特征能量(z)[9, 15] 等。單個帶電粒子可以用LET和線能來描述。在大多數情況下，帶電粒子有一個能量范圍，可以用LET和線能分布來表征。
用符號LΔ表示的LET，在ICRU報告60[13]中被定義為一個非隨機量。它是dEΔ和dl的商，其中dEΔ是帶電粒子在遍歷一個距離dl過程中由于電子碰撞損失的能量，減去能量損失超過Δ的動能總和;LΔ=dEΔ/dl也被稱為受限制的LET。如果不存在截止限制，LET就被寫成L∞或L，等于電子的阻止本領。
L是一個平均量，不能顯示射束在相互作用中的隨機性，在實踐中的測量也很困難。因此定義了微劑量學參量及其分布來克服這些缺點[21]。對應于L的參量是線能y，它是ε除以1的商，其中ε是在一個體積內由一次單個能量沉積事件授予介質的能量，1則是該體積的平均弦長。
與LET的定義不同，在y中能量必須總是被授予的(ε＞0)。與LET相似，兩個分布f(y)和d(y)分別用來描述頻率和劑量分布[15]。在頻率分布中，f(y)dy表示在線能間隔y和y+dy之間發現一次事件的概率及其平均值F，稱為頻率平均線能。類似地，劑量分布d(y)dy表示在線能間隔y和y+dy之間一次事件能量授予的概率。同樣，D是劑量平均線能。因此在情況y下，其分布還包括粒子與物質相互作用固有的隨機效應，對每一個單獨的LET值都有一個線能的平均值。 另一個有用的量是比能z=ε/m，表示在一個特定的體積內被授予的能量除以該體積質量m的量[10, 15]。它與線能存在類似的分布。但是，與線能不同，特定能量分布可以不僅定義為一個單一事件，而且還可定義一個體積內同時存在多次事件的情況。這種分布也可以包括沒有能量沉積的事件的概率。多個事件分布的平均特定能量等于吸收劑量D。由單一事件引起的特定能量可表示為z1，其概率分布分別為f1(z)和d1(z)。
1.3 微劑量學參量與RBE的比較
將微劑量學結果與RBE聯系起來最簡單的方法是比較生物實驗中射束線能的劑量分布[14]。如果劑量分布是相同的，可以預期的是RBE值將相等；如果它們是不同的，不能排除會有不同的RBE。進一步的簡化是比較分布的平均值F和D，而不是全部分布。
利用線能描述輻射品質的主要優點在于線能本身能夠直接測定，并且能夠與某些輻射作用的理論模型相聯系[9]。在ICRP出版物92 (2003)[22]中，針對不同單能光子在不同模擬直徑下的劑量傳能線密度D和測得的劑量平均線能D都已給出。Chen[23]研究了小的和大的受體的影響，計算了光子能量分別為10 keV和2 MeV兩種條件下，直徑50 nm至1 μm的組織等效球的D值。對于一個小的受體，這些光子和康普頓電子可以被認為是源自第一次光子相互作用。對于大型的受體，所有相互作用產生的電子都包括在里面。光子能量在50 keV和100 keV之間時，小型和大型的受體的D值之間沒有大的差異，而相對于1 MeV的光子，這些值有一個約2倍的因子。
2 納米劑量學的發展
2.1 納米劑量學簡介
由輻射引起的生物細胞初始損傷主要源自發生于DNA及其附近的非彈性相互作用。Brenner等[24]的研究表明由不同電離品質的電離粒子產生的多次電離輻射群(2~3 nm尺寸內)與雙鏈斷裂產額有很好的相關性。Goodhead[25]的觀察也支持這一結論，即針對某個生物學終點的放射生物學效應在LET約100 keV/mm時呈現出顯著的最大值。而這一LET值對應的輕離子在水中的一次電離平均自由程小于0.5 nm，使得該電離簇對應幾納米的靶尺寸。
以上所述微劑量學考慮了相當于細胞核大小的靶體積內能量沉積的空間分布，其尺寸通常為幾微米。而Brenner 和Ward的上述發現意味著對細胞的初始輻射損傷與粒子在DNA或在其附近(即納米尺寸的目標內)的電離簇大小相關。因此，一種更恰當的方法是發展一種新的劑量學概念，即納米劑量學，來表征一個納米體積內基于電離簇形成的粒子徑跡結構。它具有將經驗輻射品質因子與徑跡結構等微觀屬性聯系起來的潛力[12]。
2.2 納米劑量學中的參量
在納米劑量學中，徑跡結構由電離簇尺寸ν的頻度分布來表征，它是在一個特定體積內產生的電離數量。通常將靶體積假設為圓柱體，從而在形狀上模擬DNA的基本形狀。一個具有輻射品質Q的電離粒子的徑跡結構可以通過圓柱體靶體積內發生ν電離概率的統計分布P(ν|Q; d)來描述[12]。其中d 是一個初始粒子與靶中心之間的距離。當初始粒子從垂直于圓柱中心軸且位于靶一半高度的平面上穿過靶體積時，d=0 nm，簇大小分布的符號表示為P(ν|Q)。
電離簇大小分布反映了不同的輻射品質與粒子類型和能量的關聯關系。例如，對于5 MeV的質子，簇的大小分布特征為當簇大小為零時為高概率，隨著簇大小的增加概率迅速減小；與此類似，20 MeV的α粒子在簇的大小為零時表現出最大的概率，但隨著簇大小的增加以較慢的速率減少；而 60 MeV的碳離子和100 MeV的氖離子的簇大小概率在簇大小分別增加至9和26時達到最大值，然后隨簇大小的增加而減小。
一個假定的與雙鏈斷裂形成相關聯的納米劑量學參量是大于2的電離簇大小累積概率 [26]，這一重要假設背后的邏輯是，為了產生雙鏈斷裂，至少需要在很短的DNA片段內有兩次擊中，而發生這種情況的可能性應該與兩次或更多次的電離概率成正比。
2.3 粒子徑跡結構的蒙特卡羅模擬
在過去的20年里，蒙特卡羅徑跡結構模型常被用來確定粒子徑跡的微劑量學參量和納米劑量學參量[27-29]，因為它可以一步一步真實地模擬電離粒子的空間行為，描述能量損失中的電離、δ射線及其它分叉徑跡等。人們開發了多種可專門模擬粒子徑跡的蒙特卡羅程序，如Livermore、Penelope、Geant4和PTB等[30-31]，并將它們用于放射生物學和納米劑量學應用，如模擬微束細胞照射實驗，顯示當一個粒子打到一個實際的細胞模型上時的局部能量沉積和電離分布[32]。
開發這類蒙特卡羅程序的難點在于：除了標準原子碰撞相互作用的橫截面數據庫，還必須提供具備低能電子截面的理論模型和相關數據，從而使其可以精確地以離散形式模擬所有相互作用[33]。由于缺乏全面的DNA分子內輻射相互作用數據集，蒙特卡羅徑跡結構程序常用物理性質相近的液態水來代替DNA。有研究結果表明，使用液態水而不是DNA的截面數據，可能導致高估平均電離簇大小，它意味著雙鏈斷裂概率和放射生物學效應可能被高估[12]。因此需要進一步進行除液態水之外的生物分子替代物的電離截面研究。
3 微劑量學和納米劑量學的實驗研究方法
微劑量學實驗研究方法的基本出發點是使用一個組織等效氣體體積來模擬一個正常密度的小生物組織體積[9]。所謂模擬是指帶電粒子通過計數管體積中組織等效氣體時，和通過同一位置上組織的小靈敏體積時所遭受的碰撞數目相同，因此將計數管放在與生物材料相同的位置上時，可以用計數管測量到的輻射能量沉積分布來表示所要模擬的生物材料小組織中的能量沉積分布。計數管工作時所用的氣體一般為甲烷、二氧化碳和氮氣的混合物。
目前使用的微劑量測量技術包括基于單事件分析的脈沖高度分析(the pulse-heights analyses，PHA)技術和基于多個事件分析的方差 - 協方差(the variance-covariance，V-C)技術[15],兩者是相互獨立的技術。
當關注的對象體積為納米級時，雖然確定該凝聚態物質體積內電離簇大小的分布可利用模擬進行，但對這些分布進行直接測量是不可能的[12]，而間接測量的技術還有待發展。因此，如同微劑量的情形，密度縮放的原理可以被應用于將氣體宏觀體積內的可測量參數與凝聚態物質微觀體積內的相應量聯系起來。
在納米劑量學中，可利用低壓氣體中的電離簇大小分布測量來探測粒子在納米生物靶(如DNA)上的徑跡結構。到目前為止，通過構建三種不同類型的納米計量計才實現了這個概念，它們是噴氣計數器、納米徑跡計數器和離子計數納米計量計。在填充低氣壓氣體的條件下，這些復雜的設備被用來測量電離簇大小。獲得的測量結果可用來作為粒子徑跡結構Monte Carlo模擬電離簇大小分布的基準[34]。
4 總結
應用于評估和理解生物分子中輻射損傷方面的微劑量學和徑跡結構，是從基本物理和化學原理出發，提供可進行實驗檢測的一種假設理論途徑。為此，徑跡結構提供了理解劑量 - 效應關系(S形狀)機制的基礎。已積累的來自于化學、細胞學和細胞放射生物學的豐富資料和數據需要被放置在一個統一描述的理論框架內。在很多經典放射生物學問題仍然沒有答案的情況下，新思路和具有挑戰性的問題正在不斷涌現。其中，分子水平上的徑跡結構模擬是放射生物學和放射治療學理論中一個新興的工具。
輻射相互作用的最豐富產物是低能電子，這些電子與周圍分子的碰撞是導致生物系統中輻射損傷生化反應序列的主要初始來源[14]。我們現在對于輻射引起的亞細胞尺度上生物損傷(小至納米體積)的理解源于微劑量學和納米劑量學研究，但這些研究成果尚未很好地得到應用，如在放射治療中輻射品質的測量可以有兩種不同的用途：首先是確定治療區域內輻射品質是否有任何變化，其次可用于探討輻射品質差異的重要性。然而，到目前為止，關于治療區域內輻射品質的變化研究尚未充分展開，而線能分布差異的生物影響也未能充分了解。
現在，由于不可避免的健康組織低劑量輻射暴露[35]，為接受過放射治療的癌癥生存者的繼發惡性腫瘤發病率逐步上升，提供了解切的非靶內損傷證據。現在越來越多的放射治療研究更關注對受照射腫瘤周圍的正常細胞的影響[36]。但是目前的研究仍缺乏定量的基于人體動機的模型，主要是因為經典放射生物學中以DNA為中心的方法在低劑量時不再有效。因此如何利用微劑量學和納米劑量學工具來探討輻射生物效應的物理機制，從而建立預測生物性病變頻率和復雜性的模型，并改進徑跡結構模型以使其提供更準確的治療和風險評估信息[37]，是我們今后進一步探索的方向。