Low Temperature Physics: 47, 214 (2021); https://doi.org/10.1063/10.0003521
Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 3 (Март 2021), c. 235-240    ( к оглавлению , назад )

On possible role of hydrogen peroxide molecules in ion beam therapy of cancer cells

Sergey N. Volkov

Laboratory of Biophysics of Macromolecules, Bogolyubov Institute for Theoretical Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv 03143, Ukraine
E-mail: snvolkov@bitp.kiev.ua

Received October 31, 2020, published online January 26, 2021

Abstract

The possible role of molecular products of cell radiolysis, in particular, hydrogen peroxide molecules, in blocking DNA activity in cancer cells during irradiation with heavy ions is investigated. It is supposed that hydrogen peroxide molecules can form long-lived molecular complexes with DNA atomic groups and, thus, prevent the realization of genetic information in the biological cells. Using the quantum-mechanical approach based on density functional method and implicitly taking into account the aqueous medium, the competitive interactions of water and hydrogen peroxide molecules with DNA nucleic bases have been analyzed. Estimates of the characteristic lifetimes of complexes of water molecules and hydrogen peroxide with atomic groups of DNA allow showing the possibility to block the genetic activity of DNA by hydrogen peroxide in biological cells after their irradiation with ion beams. The effect of DNA blocking in cancer cells could be enhanced by a decrease in the cell temperature.

Анотація

Досліджено можливу роль молекулярних продуктів радіолізу клітин, зокрема молекул перекису водню, у блокуванні активності ДНК у ракових клітинах під час опромінення важкими іонами. Припускається, що молекули перекису водню можуть утворювати довготривалі молекулярні комплекси з атомними групами ДНК і, таким чином, перешкоджати реалізації генетичної інформації в біологічних клітинах. За допомогою квантово-механічного підходу, заснованого на використанні метода функціонала густини та неявного урахування водного середовища, проаналізовано конкурентні взаємодії молекул води та перекису водню з нуклеїновими основами ДНК. Оцінки характерних часів життя комплексів молекул води та перекису водню з атомними групами ДНК дозволяють показати можливість блокування генетичної активності ДНК молекулами перекису водню в біологічних клітинах після їх опромінення пучками іонів. Ефект блокування ДНК в ракових клітинах може бути посилений зниженням клітинної температури.

Key words: ion beam therapy, DNA blocking, hydrogen peroxide, computational studies.