Modeling and simulating the biological impact of gold nanoparticles conjoined with radiation for enhanced treatment and diagnosis

Abstract

Introdução: O cancro é a segunda principal causa de morte a nível mundial, motivando o desenvolvimento de tecnologias de diagnóstico e tratamento, e a procura de soluções que permitam reverter os seus impactos nefastos na saúde e qualidade de vida humana. As nanopartículas de ouro (AuNPs) têmse destacado significativamente na comunidade científica devido às suas propriedades únicas e à facilidade com que podem ser manipuladas para diversas aplicações. Estas nanopartículas oferecem um potencial notável tanto para o diagnóstico quanto para o tratamento de tumores. Dadas as suas vantagens e características únicas, como o seu número atómico elevado e a sua natureza inerte, garantem a biocompatibilidade e não toxicidade. No diagnóstico, as AuNPs podem ser utilizadas como agentes de contraste em diversas técnicas de imagem, como tomografia computadorizada e a ressonância magnética. Com a sua utilização, e devido às suas propriedades físicas, podem melhorar o contraste da imagem e facilitar a distinção entre tecidos saudáveis e tumorais. Para tratamento, especialmente quando combinadas com radioterapia, as AuNPs têm a capacidade de amplificar o efeito de ionização localmente nos tumores e sensibilizar as células tumorais ao nível do DNA. A capacidade de manipulação das AuNPs, seja em termos de tamanho, forma ou carga, permite otimizar as suas propriedades para maximizar os seus efeitos teragnósticos, o que as torna uma ferramenta promissora na área de oncologia. Objetivo: Este projeto tem como objetivo principal a validação do potencial uso clínico das AuNPs quando conjugadas com o tratamento de radioterapia. Para a avaliação deste potencial, foram utilizados como indicadores de resultado: o fator de amplificação de dose (DEF) e o fator de radiossensibilização (REF), na interação com radiação na gama dos MV. Estas métricas são resultantes de rácios relativos a cenários com AuNPs face ao cenário sem AuNPs. O DEF é calculado em função da dose no volume alvo com e sem AuNPs, e o REF é calculado em função do número de lesões especificas no ADN com e sem AuNPs, considerando as seguintes lesões obtidas como output direto das simulações TOPAS: ruturas de cadeia dupla (DSBs), ruturas de cadeia simples (SSBs), danos de base (BDs), clusters não complexos (NonComplex Clusters). O trabalho desenvolvido visou cumprir três objetivos principais: estudar a amplificação de dose causada pela interação física das nanopartículas de ouro com radiação ionizante; investigar o processo químico e biológico de radiossensibilização induzido pelas nanopartículas de ouro e o consequente aumento dos danos complexos nas cadeias de DNA; e validar as ferramentas TOPAS e TOPAS-nBio paralelamente com o experimento in vitro previamente realizado, integrados na investigação em curso na “Universidad de Seville”. Materiais e Métodos: Para investigar o potencial das AuNPs na amplificação de dose e na radiossensibilização, este estudo utilizou simulações Monte Carlo, uma técnica previamente validada e utilizada para estudos de modelação de processos complexos de interação entre radiação e matéria. A respetiva simulação foi desenvolvida, com recurso às ferramentas TOPAS e TOPAS n-Bio, que permitem a modelação detalhada de interações físicas, químicas e biológicas em sistemas complexos. Esta modelação teve como objetivo a replicação de um experimento in vitro previamente desenvolvido, de forma a validar as ferramentas de simulação e avaliar os efeitos das AuNPs sob diferentes condições, utilizando como parâmetro de referência a internalização. Foi desenvolvida uma simulação multi-escala para considerar as diversas interações das AuNPs com a radiação e o ambiente celular. A simulação incluiu configurações TOPAS relativas a aspetos físicos, como a dispersão e absorção de radiação pelas nanopartículas; aspetos químicos, como as reações entre as AuNPs e o meio intracelular; e aspetos biológicos, como a internalização das nanopartículas nas células e o impacto na estrutura do DNA. Dois módulos de física do TOPAS, g4em-livermore e TsEmDNAPhysics, foram comparados de forma a validar a ferramenta utilizada e estudar o impacto das considerações de TOPAS nos resultantes efeitos de amplificação de dose e de radiosensibilização das AuNPs. Tendo em conta que conceptualmente os módulos de história condensada e rastreamento de partículas são distintos e seguem as partículas com aproximações distintas, os resultados em contextos de elevado detalhe podem revelar-se incompatíveis com dados in vitro e in vivo. Por forma a escolher o mais adequado para considerações biológicas, que permitam uma aproximação ao experimento in vitro, estes módulos foram comparados para aproximar o mais possível a simulação à realidade. Resultados: Os resultados obtidos a partir das simulações com o módulo TsEmDNAPhysics do TOPAS mostraram os efeitos mais significativos em relação ao aumento de dose proporcionado pelas AuNPs. O DEF máximo de obtido foi de 1.42%, registado com a internalização de 120.000 AuNPs, com 7.5 nm de raio, na célula. Este resultado indica um aumento no valor da dose de radiação fornecida devido à presença das AuNPs, refletindo a capacidade desta modalidade terapêutica melhorar a eficácia da radioterapia. Além disso, o valor de REF alcançado foi de 33%, relativo às DSBs. O aumento da internalização de AuNPs levou a um aumento correspondente nos valores de DEF e REF quantificado pelas DSBs, sugerindo que a presença das AuNPs intensifica a resposta das células tumorais à radiação. Este efeito é particularmente importante para a eficácia da radioterapia, pois a radiosensibilização das células tumorais aumenta a probabilidade de morte celular. Os valores de REF foram também avaliados considerando outras lesões no ADN, como SSBs. Os resultados mostraram valores negativos de REF para SSBs na presença de AuNPs, indicando uma redução na ocorrência dessas lesões. Essa redução pode ser atribuída ao fato de que as AuNPs promovem danos mais severos nas cadeias de ADN, garantindo uma resposta mais eficaz ao tratamento com radiação, o que pode resultar numa diminuição do número de SSBs quando comparado ao caso sem AuNPs. Conclusões: Os resultados deste estudo, apesar de consistentes, apresentaram valores inferiores aos esperados com base no experimento in vitro. A discrepância evidenciada no valor das métricas deste estudo pode ser atribuida a vários fatores, incluindo as condições específicas das simulações e as diferenças entre os modelos computacionais e os experimentos laboratoriais. Os efeitos positivos de amplificação de dose e radiossensibilização observados validam o potencial das AuNPs quando combinadas com radioterapia. As AuNPs demonstraram uma capacidade significativa de reforçar a dose de radiação e sensibilizar as células tumorais, o que é um indicativo promissor para sua aplicação clínica futura. A validação contínua destes resultados em ambientes experimentais e clínicos é recomendável para confirmar a eficácia e segurança das AuNPs em tratamentos oncológicos. A utilização de módulos de história condensada (g4em-livermore) não se revelaram adequados para estudos que exigem um nível equivalente, de detalhe e complexidade, às simulações propostas neste projeto. As aproximações inerentes a este módulo têm um impacto significativo a nível microscópico, produzindo resultados incoerentes que fundamentaram o seu consequente abandono, depois de um exaustivo número de simulações. Embora estes módulos estejam validados e apresentem alta precisão para simulações macroscópicas, não são apropriados para simulações microscópicas com elevado nível de complexidade. Para simulações que utilizem TOPAS n-Bio e visem o estudo de estruturas de DNA, é recomendável utilizar módulos de física baseados em rastreamento de partículas (TsEmDNAPhysics), visto que seguem todas as partículas de forma detalhada. Apesar do uso deste módulo de física aumentar drasticamente o tempo de computação, os resultados produzidos têm uma maior significância estatística e são coerentes com as evidencias in vitro, razão pela qual fundamentamos a sua utilização. Os métodos e algoritmos desenvolvidos, podem ser utilizados para a continuação deste projeto. É possível replicar as simulações apresentadas com os códigos TOPAS disponibilizados.

Introduction: Gold nanoparticles (AuNPs) have garnered significant interest for tumor diagnosis and treatment. In diagnostics, AuNPs act as contrast agents, and in treatment, they can enhance dose delivery and radiosensitize tumor cells when used with radiotherapy. This project is focused on validating TOPAS and the potential clinical use of AuNPs. The study had three main goals: to examine dose enhancement from AuNPs interacting with ionizing radiation, to investigate the radiosensitization process and increased DNA damage, and to validate TOPAS and TOPAS-nBio tools alongside previous in vitro experiments at the “Universidad de Seville”. Materials and Methods: This project used Monte Carlo simulations with TOPAS and TOPAS n-Bio to replicate an in vitro experiment and evaluate dose enhancement and radiosensitization effects. A multiscale simulation considered the physical, chemical, and biological interactions of AuNPs with radiation. Two TOPAS physics modules, g4em-livermore and TsEmDNAPhysics, were compared to assess TOPAS constraints on the effects. Simulations were conducted with varying nanoparticle concentrations and cell internalizations to ensure statistical significance. Results: The TsEmDNAPhysics module showed the most significant dose enhancement results, with a maximum dose enhancement factor (DEF) of 1.42% observed with 120,000 AuNPs per cell. A notable 33% radiosensitization factor (REF), quantified by the number of double-strand breaks (DSBs), was achieved. Increasing AuNP internalization led to more complex DNA damage. Data also evidence a reduction in single-strand breaks (SSBs) in the presence of AuNPs. Conclusions: Although the study's results were consistent, they were lower than those observed in the in vitro experiments. The dose enhancement and radiosensitization effects observed validate the potential of AuNPs in combination with radiotherapy. The developed algorithms and methods are ready for use, and the TOPAS simulations can be reproduced.