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Publicação
Modelação biofísica e simulação de nanoplataformas multifuncionais de B/Fe para terapia com protões
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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| 8.97 MB | Adobe PDF |
Resumo(s)
Proton beams can be an attractive form of treatment for certain types of cancer, due to the significant
reduction in the integral dose delivered to the patient, even when compared with newer photon techniques
like intensity modulated radiation therapy. However, there is still a need to make proton therapy more efficient in terms of dose delivery and cellular death. One emerging technique to improve dose enhancement
is based on the nuclear capture reaction between low-energy protons and 11B atoms. The 11B(p,α)αα
reaction has a broad resonance at 670 keV, which is supposed to induce DNA damage through α-particles,
impairing tumor growth without harming healthy tissues.
This work presents Monte Carlo (MC) simulations performed with TOPAS (TOol for PArticle
Simulation) to assess the cellular dosimetry, using a realistic model of a U87 cell. U87 cells were
radiosensitized with a boron compound, Ferrabisdicarbollides (FESAN), and irradiated at the CTN/IST
(Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal)
2.5 MV Van de Graaff accelerator. FESAN compounds are not toxic for the cells but, upon proton
irradiation, have been shown to induce cellular damage and cell death.
Firstly, we studied the resonance conditions, at the cellular monolayer, using our irradiation setup.
Then, we downscaled the simulations to the microscopic level of a single cell to obtain the dose enhancement factors at different irradiation points of a plate. Since the default version of TOPAS does not include
the proton-boron capture cross-section in the resonance energy, we devised a methodology to include
the 3-α production yields around the resonance region, based on available experimental α spectrum.
This methodology will be presented, and the dosimetric results will be discussed in light of the observed
biological response.
Although a beneficial effect of FESAN has been confirmed, it was not possible to estimate which
process or processes are responsible for the observed experimental effects. Among the possibilities are
the formation of ROS, α-particles, and hot spots, resulting from the electrons produced near the FESAN.
In the future, the quantity of lethal and sub-lethal damage to the cells could be assessed. It will also be
necessary to improve the α-particles production model implemented in TOPAS in order to perform a more
accurate calculation of the α-particles production yield. Additionally, from an experimental point of view,
further studies on the cellular effects of FESAN should continue.
Os feixes de protões podem ser uma forma de tratamento atrativa para certos tipos de cancro, devido à significativa redução na dose integral no paciente, mesmo quando comparado com técnicas mais recentes com fotões, como a radioterapia de intensidade modulada. No entanto, ainda é necessário tornar a terapia com protões mais eficiente em termos de dose e morte celular. Uma técnica emergente para otimizar a dose baseia-se na reação de captura nuclear entre protões de baixa energia e átomos de 11B. A reação 11B(p,α)αα tem uma ressonância a 670 keV, que poderá induzir danos no ADN através das partículas-α, inibindo o crescimento tumoral sem afetar os tecidos saudáveis. Este trabalho apresenta simulações de Monte Carlo (MC) realizadas com o TOPAS ( TOol for PArticle Simulation) para avaliar a dosimetria celular, utilizando um modelo realista de uma célula U87. As células U87 foram radiossensibilizadas com um composto de boro, Ferrabisdicarbollides (FESAN), e irradiadas no acelerador Van de Graaff de 2.5 MV do CTN/IST (Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal). Os compostos FESAN não são tóxicos para as células, mas, após irradiação com protões, demonstraram induzir danos celulares e morte celular. Primeiramente, estudamos as condições de ressonância na monocamada celular, utilizando o nosso setup de irradiação. Depois, reduzimos as simulações a escala microscópica de uma célula individual para obter os fatores de aumento de dose em diferentes pontos de irradiação de uma placa de poços. Como a versão atual do TOPAS não inclui a secção eficaz de captura protão-boro na energia de ressonância, desenvolvemos uma metodologia para incluir os rendimentos de produção de triplo- α em torno da região de ressonância, com base no espectro de partículas-α disponível experimentalmente. Esta metodologia será apresentada, e os resultados dosimétricos serão discutidos a luz da resposta biológica observada. Apesar de confirmado um efeito benéfico do FESAN, não foi possível estimar qual ou quais os processos responsáveis pelos efeitos experimentais observados. Entre as possibilidades encontram-se a formação de ROS, partículas-α e pontos quentes, resultantes da produção de eletrões secundários na vizinhança do FESAN. No futuro, poderá ser simulado a quantidade de danos letais e sub-letais nas células. Também será necessário melhorar o modelo de produção de partículas-α implementado no TOPAS, de modo a realizar um calculo mais preciso do seu rendimento de produção. Al em disso, do ponto de vista experimental, devem continuar a ser estudados os efeitos celulares do FESAN.
Os feixes de protões podem ser uma forma de tratamento atrativa para certos tipos de cancro, devido à significativa redução na dose integral no paciente, mesmo quando comparado com técnicas mais recentes com fotões, como a radioterapia de intensidade modulada. No entanto, ainda é necessário tornar a terapia com protões mais eficiente em termos de dose e morte celular. Uma técnica emergente para otimizar a dose baseia-se na reação de captura nuclear entre protões de baixa energia e átomos de 11B. A reação 11B(p,α)αα tem uma ressonância a 670 keV, que poderá induzir danos no ADN através das partículas-α, inibindo o crescimento tumoral sem afetar os tecidos saudáveis. Este trabalho apresenta simulações de Monte Carlo (MC) realizadas com o TOPAS ( TOol for PArticle Simulation) para avaliar a dosimetria celular, utilizando um modelo realista de uma célula U87. As células U87 foram radiossensibilizadas com um composto de boro, Ferrabisdicarbollides (FESAN), e irradiadas no acelerador Van de Graaff de 2.5 MV do CTN/IST (Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal). Os compostos FESAN não são tóxicos para as células, mas, após irradiação com protões, demonstraram induzir danos celulares e morte celular. Primeiramente, estudamos as condições de ressonância na monocamada celular, utilizando o nosso setup de irradiação. Depois, reduzimos as simulações a escala microscópica de uma célula individual para obter os fatores de aumento de dose em diferentes pontos de irradiação de uma placa de poços. Como a versão atual do TOPAS não inclui a secção eficaz de captura protão-boro na energia de ressonância, desenvolvemos uma metodologia para incluir os rendimentos de produção de triplo- α em torno da região de ressonância, com base no espectro de partículas-α disponível experimentalmente. Esta metodologia será apresentada, e os resultados dosimétricos serão discutidos a luz da resposta biológica observada. Apesar de confirmado um efeito benéfico do FESAN, não foi possível estimar qual ou quais os processos responsáveis pelos efeitos experimentais observados. Entre as possibilidades encontram-se a formação de ROS, partículas-α e pontos quentes, resultantes da produção de eletrões secundários na vizinhança do FESAN. No futuro, poderá ser simulado a quantidade de danos letais e sub-letais nas células. Também será necessário melhorar o modelo de produção de partículas-α implementado no TOPAS, de modo a realizar um calculo mais preciso do seu rendimento de produção. Al em disso, do ponto de vista experimental, devem continuar a ser estudados os efeitos celulares do FESAN.
Descrição
Tese de mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
GBM Prototerapia PBCT FESAN Monte Carlo Teses de mestrado - 2024