Влияние вторичных частиц на микрораспределение поглощенной дозы в биологической ткани в присутствии наночастиц золота и гадолиния при облучении фотонами

25.03.2019 2019 - №01 Ядерная медицина

И.А. Конобеев Ю.А. Кураченко И.Н. Шейно

https://doi.org/10.26583/npe.2019.1.14

Экспериментально доказано, что наночастицы из материалов с высоким Z могут использоваться как радиосенсибилизаторы для фотонной лучевой терапии. По мнению авторов, на сегодня недостаточно данных о влиянии вторичных частиц (электронов, фотонов и позитронов, образующихся в биоткани при прохождении через нее первичного пучка фотонов) на распределение поглощенной дозы при фотонной лучевой терапии в присутствии наночастиц. Исследование этого влияния является основной целью работы.

Выполнен двухэтапный расчет по программе Geant4. На первом этапе слой биоткани (воды) облучался моноэнергетическими источниками фотонов с энергией от 10 кэВ до 6 МэВ. Результатом моделирования являлись спектры электронов, фотонов и позитронов на глубине 5 см. На втором этапе полученными спектрами облучались наночастицы из золота, гадолиния и воды, в результате чего находились радиальные распределения поглощенной энергии вокруг наночастиц.

В результате обработки полученных данных находились радиальные значения DEF (Dose Enhancement Factor) вокруг наночастиц золота и гадолиния, находящихся на глубине 5 см в воде. Вычислены вклады в дополнительную поглощенную дозу вокруг этих наночастиц от первичных фотонов и вторичных частиц (электронов, фотонов и позитронов, рождаемых в слое биоткани толщиной 5 см при прохождении через нее первичных фотонов).

Показано, что слой биоткани, находящийся между источником фотонов и наночастицами, существенно меняет начальный спектр фотонов, что является значимым при анализе механизма радиосенсибилизации биоткани наночастицами для любых энергий источника фотонов (до 6 МэВ).

Установлено, что взаимодействие электронов и позитронов с наночастицами не приводит к существенному росту дополнительной дозы вблизи их поверхности и, скорее всего, может быть исключено из рассмотрения при анализе механизма радиосенсибилизации биоткани наночастицами.

Ссылки

1. Van Dyk J. Advances in modern radiation therapy. – Электронный ресурс: https://www.researchgate.net/profile/Jacob_Van_Dyk/publication/255609857_Advances_in_Modern_Radiation_Therapy/links/0f31753b4203dadbb9000000/Advances-in-Modern-Radiation-Therapy.pdf?origin=publication_detail. Дата обращения: 08.11.2018.
2. Connell P.P., Hellman S. Advances in radiotherapy and implications for the next century: a historical perspective // Cancer Research. – 2009. – Vol. 69. – No. 2. – PP. 383-392.
3. Lehnert S. Radiosensitizers and radiochemotherapy in the treatment of cancer. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2015, 548 p.
4. Bergs J.W., Wacker M.G., Hehlgans S., Piiper A., Multhoff G., Rцdel C., Rцdel F. The role of recent nanotechnology in enhancing the efficacy of radiation therapy // Biochimica et Biophysica Acta. – 2015. – Vol. 1856. – No. 1. – PP. 130-143.
5. Sheino I.N. Dose-supplementary therapy of malignant tumors. / Advances in Neutron Capture Therapy 2006. Proceedings of ICNCT-12. / Edited by Y. Nakagawa, T. Kobayashi and H. Fukuda. / Takamatsu, Kagawa, Japan, 2006. – PP. 531-534.
6. Хохлов В.Ф., Шейно И.Н, Кулаков В.Н., Митин В.Н. и др. Способ фотон-захватной терапии злокачественных опухолей. / Патент РФ 2270045, 2006.
7. Kwatra D., Venugopal A., Anant S. Nanoparticles in radiation therapy: a summary of various approaches to enhance radiosensitization in cancer // Translational Cancer Research. – 2013. – Vol. 2. – No. 4. – PP. 330-342.
8. Chithrani D. B., Jelveh S., Jalali F. et al. Gold nanoparticles as radiation sensitizers in cancer therapy // Radiation Research. – 2010. – Vol. 173. – No. 6. – PP. 719-728.
9. Liu C.-J., Wang C.-H., Chen S.-T. et al. Enhancement of cell radiation sensitivity by pegylated gold nanoparticles. // Physics in medicine and biology. – 2010. – Vol. 55. – No. 4. – PP. 931-945.
10. Jain S., Coulter J.A., Hounsell A.R. et al. Cell-specific radiosensitization by gold nanoparticles at megavoltage radiation energies // International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. – 2011. – Vol. 79. – No. 2. – PP. 531-539.
11. Hainfeld J.F., Slatkin D.N., Smilowitz H.M. The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice // Physics in medicine and biology. – 2004. – Vol. 49. – N309-N315.
12. Berbeco R.I., Korideck H., Ngwa W. et al. DNA damage enhancement from gold nanoparticles for clinical MV photon beams // Radiation Research. – 2012. – Vol. 178. – No. 6. – PP. 604-608.
13. Butterworth K.T., McMahon S.J., Currell F.J. et al. Physical basis and biological mechanisms of gold nanoparticle radiosensitization // Nanoscale. – 2012. – Vol. 4. – No. 16. – PP. 4830-4838.
14. Tsiamas P., Liu B., Cifter F. et al. Impact of beam quality on megavoltage radiotherapy treatment techniques utilizing gold nanoparticles for dose enhancement // Physics in medicine and biology. – 2013. – Vol. 58. – No. 3. – PP. 451-464.
15. Detappe A., Kunjachan S., Rottmann J. et al. AGuIX nanoparticles as a promising platform for image guided radiation therapy // Cancer Nanotechnology. – 2015. – Vol. 6. – No. 1. – P. 4.
16. Шейно И.Н., Конобеев И.А., Ижевский П.В., Федотов Ю.А. Оценка относительной биологической эффективности неоднородного микрораспределения поглощенной дозы в бинарных технологиях лучевой терапии. / Материалы VI Конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-6). Троицк, 2014. – C. 223-226.
17. McMahon S.J., Hyland W.B. et al. Biological consequences of nanoscale energy deposition near irradiated heavy atom nanoparticles. // Scientific Reports. – 2011. – Vol. 1. – Article no. 18. Электронный ресурс: https://www.nature.com/articles/srep00018?page=3 Дата обращения: 08.11.2018.
18. Agostinelli S. et al. Geant4 - a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 2003. – Vol. 506. – No. 3. – PP. 250-303.
19. Geant4 physics reference manual. – Электронный ресурс: http://geant4-userdoc.web.cern.ch/geant4-userdoc/UsersGuides/PhysicsReferenceManual/fo/PhysicsReferenceManual.pdf. Дата обращения: 08.11.2018.
20. Karamitros M. et al. Diffusion-controlled reactions modeling in Geant4-DNA // Journal of Computational Physics. – 2014. – Vol. 274. – No. 1. – PP. 841-882.
21. Incerti S. et al. Comparison of Geant4 very low energy cross section models with experimental data in water // Medical Physics. – 2010. – Vol. 37. – No. 9. – PP. 4692-4708.
22. Cunha M., Monini C., Testa E., Beuve M. NanOx, a new model to predict cell survival in the context of particle therapy // Physics in medicine and biology. – 2017. – Vol. 62. – No. 4. – PP. 1248-1268.

наночастицы золота и гадолиния поглощенная доза фотонная лучевая терапия Geant4 моделирование методом Монте-Карло

Ссылка для цитирования статьи: Конобеев И.А., Кураченко Ю.А., Шейно И.Н. Влияние вторичных частиц на микрораспределение поглощенной дозы в биологической ткани в присутствии наночастиц золота и гадолиния при облучении фотонами. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 1. – С. 155-167. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.1.14 .