مدل‌سازی توزیع انرژی انباشت پرتوهای آلفای ناشی از واپاشی رادون 223 و تأثیر آن بر DNA

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء (ص) بهبهان

2 دانشگاه شیراز

چکیده

پرتوهای یون‌ساز به‌واسطه فرآیند‌های فیزیکی و شیمیایی منجر به شکست‌های تک‌رشته‌ای و دو رشته‌ای اده و پیچیده و همچنین آسیب بازها در DNA سلول‌ها می‌شوند. در این پژوهش، با در نظر گرفتن کلیه فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی پرتوهای یون‌ساز با ماده، آسیب‌های اولیه DNA به‌وسیله پرتوهای آلفا MeV 7/5 ناشی از ایزوتوپ رادون 223 محاسبه شده ‌است. احتمال انواع شکست‌ها بر حسب نوع شکست و میزان انرژی انباشت محاسبه شده و احتمال آسیب‌های مستقیم و غیرمستقیم به‌صورت تابعی از تعداد شکست‌ها بررسی شده‌ است. هم‌چنین کمیت بازده شکست‌های دو رشته‌ای در DNA که در پرتودرمانی بسیار کاربرد دارد، در مولکول‌های DNA به روش توزیع انرژی انباشت در نمونه‌ها، محاسبه و با کارهای قبلی مقایسه شده‌ است. مشاهده شد که احتمال شکست‌های تک‌رشته‌ای در انرژی‌های انباشت کم، بیشتر از گونه‌های دو رشته‌ای است و با افزایش انرژی انباشت سهم گونه‌های دو رشته‌ای بسیار بیشتر از تک‌رشته‌ای می‌شود. در انرژی‌های انباشت بالاتر از eV 950، شکست‌های دو رشته‌ای پیچیده بسیار افزایش می‌یابد که این اتفاق می‌تواند به دلیل انباشت انرژی بیشتر در نوکلئوتیدهای نزدیک به‌هم در ‌DNA هدف و رسیدن انرژی‌ انباشت کل به آستانه شکست و هم‌چنین سهم آسیب‌های غیر مستقیم رادیکال هیدروکسیل، به‌دلیل بالارفتن تعداد الکترون‌های ثانویه و افزایش واکنش آن‌ها با آب پس از حرارتی شدن باشد. با مقایسه با کارهای قبلی مشاهده شد، نتیجه این پژوهش از نزدیکی خوبی به نتایج آزمایش‌های تجربی برخوردار است.
 
 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling the distribution of deposited energy by alpha particles from Radon 223 decay and its effect on DNA

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Mokari 1
  • Hossein Moeini 2
  • Mohammad Eghbali 1
1
2
چکیده [English]

 The ionizing radiations, through physical and chemical processes, lead to simple and complex single- and double- strand breaks, as well as base lesions to the DNA. In this study, taking into account all the physical and chemical processes involved in the interaction of ionizing radiation with matter, the initial damage induced to DNA was evaluated for 5.7 MeV alpha-rays from Radon 223 isotope. The probability of damage types was calculated in terms of the energy deposition and the probability of direct and indirect damage was investigated as a function of the number of breaks. The results show that, for low deposited energies, the probability of single-strand breaks is more than double-strand breaks. As the amount of the deposited energy increases, this pattern is reversed and the probability of various types of double-strand breaks dominates. The yield of double-strand breaks in the DNA segments, as a main target in radiotherapy, was calculated by the method of energy deposition in DNA samples and compared with previous works. Our results are in good agreement with experimental results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radon 223
  • Alpha particles
  • GEANT4
  • DNA damage
  • double strand breaks
  • Physical/Chemical simulations

مراجع

[1] A. Brahme. Recent Advances in Light Ion Radiation Therapy, Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., 58 (2004) 603–616. [2] G. Sgouros. Alpha-particles for targeted therapy, Advanced Drug Delivery Reviews, 60 (2008) 1402-1406. [3] D.T. Goodhead. Initial events in the cellular effects of ionizing radiations: clustered damage in DNA, Int. J. Radiat. Biol., 65 (1994) 7–17. [4] H. Nikjoo, D. Emfietzoglou, T. Liamsuwan, R. Taleei, D. Liljequist and S. Uehara. Radiation track, DNA damage and response-a review, Rep. Prog. Phys., 79 (2016) 116601. [5] H. Nikjoo, P. O’Neill, W.E. Wilson and D.T. Goodhead. Computational Approach for Determining the Spectrum of DNA Damage Induced by Ionizing Radiation, Radiation Research, 156 (2001) 577–583. [6] W. Friedland, E. Schmitt, P. Kundrát, M. Dingfelder, G. Baiocco, S. Barbieri and A. Ottolenghi. Comprehensive track-structure based evaluation of DNA damage by light ions from radiotherapy relevant energies down to stopping, Sci. Rep., 7 (2017) 45161. [7] S. Incerti, A. Ivanchenko, M. Karamitros, A. Mantero, P. Moretto, H.N. Tran, B. Mascialino, C. Champion, V.N. Ivanchenko, M. A. Bernal, Z. Francis, C. Villagrasa, G. Baldacchino, P. Guèye, R. Capra, P. Nieminen and C. Zacharatou. Comparison of Geant4 very low energy cross section models with experimental data in water, Medical Physics, 37 (2010) 4692–4708. [8] O. Sartor, B. Maalouf, C. Hauck and R. Macklis. Targeted use of Alpha Particles: Current Status in Cancer Therapeutics, J. Nucl. Med. Radiat. Ther., 3 (2012) 136. [9] M. Mokari, M.H. Alamatsaz, H. Moeini and R. Taleei. A Simulation Approach for Determining the Spectrum of DNA Damage Induced by Protons, Phys. Med. Biol., 63 (2018) 175003. [10] L. De la Fuente Rosales, S. Incerti, Z. Francisc and M. A. Bernal. Accounting for radiation-induced indirect damage on DNA with the Geant4-DNA code, Phys. Med., 51 (2018) 108-116. [11] H. Nikjoo, P. O’Neill, D.T. Goodhead and M. Terrisol. Computational Modelling of Low-energy Electron-induced DNA, Int. J. Radiat. Biol., 71 (1997) 467-483. [12] S. Meylan, U. Vimont, S. Incerti, I. Clairand and C. Villagrasa. Geant4-DNA simulations using complex DNA geometries generated by the DnaFabric tool, Computer Physics Communications, 204 (2016) 159–169. [13] A. Kellerer. Fandamental of microdosimetry. in The Dosimetry of Ionizing Radiation, K.R. Kase, B.E. Bjarngaard and F. H. Attix, Eds., Academic Press, 77-162 (1975). [14] S. Kandaiya, P. N. Lobachevsky, G. D’cunha, and R.F. Martin. DNA strand breakage by 125I decay in synthetic oligodeoxynucleotide: 1. Fragment distribution and DMSO protection effect, Acta Oncol., 35 (1996) 803–8. [15] D. Charlton, H. Nikjoo and J.L. Humm. Calculation of initial yields of single- and double-strand breaks in cell nuclei from electrons, protons and alpha particles, Int. J. Radiat. Biol., 56 (1989) 1-19. [16] J.R. Milligan, C.C.L. Wu, J.N.N. Ng, J.A. Aguiler and J.F. Ward. Characterization of the reaction rate coefficient of DNA with the hydroxyl radical, Radiation research, 146 (1996) 510–513. [17] M. Mokari, M.H. Alamatsaz, H. Moeini, A.A. Babaei Brojeny and R. Taleei. Track structure simulation of low energy electron damage to DNA using Geant4-DNA, Biomed. Phys. Eng. Express, 4 (2018) 065009. [18] D. Frankenberg, H.J. Brede, U.J. Schrewe, C. Steinmetz, M. Frankenberg-Schwager, G. Kasten and E. Pralle. Induction of DNA Double-Strand Breaks by 1H and 4He Ions in Primary Human Skin Fibroblasts in the LET Range of 8 to 124 keV/um, Radiation Research, 151 (1999) 540–549. [19] W. Friedland, M. Dingfelder, P. Jacob and H. Paretzke. Calculated DNA double-strand break and fragmentation yields after irradiation with He ions, Radiat. Phys. Chem., 72 (2005) 279–286. [20] G. Famulari, P. Pater and S. Enger. Microdosimetry calculations for monoenergetic electrons using Geant4-DNA combined with a weighted track sampling algorithm, Phys. Med. Biol., 62 (2017) 5495–5508.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار