شبیه‌سازی شکست‌های ایجاد شده در مولکول DNA دراثر تابش پروتون‌ و ذرات ثانویه با استفاده از کد Geant4

نویسندگان

1 دانشگاه بوعلی سینا

2 دانشگاه پیام نور

چکیده

یکی از روش‌های درمان سرطان، پرتو درمانی با استفاده از پرتو‌های مختلف است، برای درمان سرطان‌هایی که نزدیک ارگان‌های حیاتی هستند از هادرون‌ها استفاده می‌شود.. مهم‌ترین جزء سلول که در برخورد با پرتوهای یونیزان آسیب می‌بیندDNA است .در این مقاله،  شکست‌های ایجاد شده در ماده وراثتی سلول‌های زنده،DNA)) تعریف شده با مدل اتمی از پروتئین دیتا بانکPDB)) در اثر تابش پروتون‌ها  و ذرات  ثانویه آن با استفاده از کدGeant4  بررسی شده است.
میزان راندمان کل شکست‌های تک رشته ای (Yield SSB) ایجاد شده در مولکولDNA تقریبا مستقل از انرژی ذره ورودی هست و با کاهش انرژی ذره ورودی ( افزایش LET  ) راندمان کل  شکست های دو رشته ای (DSB Yield) افزایش می‌یابد. نسبت کل رویدادهای ناکشسان به دز جذب شده برای ذرات اولیه و همچنین ذرات  ثانویه آن مستقل از انرژی است. سهم ذرات  ثانویه در ایجاد  شکست‌های تک رشته ای و شکست‌های دو رشته ای نیز محاسبه شده است. با کاهش انرژی ذره ورودی میزان راندمان شکست‌های دو رشته ای ایجاد  شده توسط ذرات ثانویه افزایش می‌یابد و سهم ذرات  ثانویه در ایجاد شکست های دو رشته ای برای انرژی های کمتر از Mev  5  بیشتر از سهم آن ها در ایجاد شکست‌های تک رشته ای است. نسبت شکست‌های دو رشته‌ای به شکست‌های تک رشته‌ای با افزایش انرژی ذره تابشی، کاهش یافته است.

 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of strand breaks induced in DNA molecule by radiation of proton and Secondary particles using Geant4 code

نویسندگان [English]

  • Pezhman Shamshiri 1
  • Ghasem Forozani 2
  • Azam Zabihi 1
چکیده [English]

Radiotherapy using various beams is one of the methods for treating cancer, Hadrons  used   to  treat cancers  that  are  near critical organs. The most important part of the cell that is damage by ionizing radiation is DNA. In this study, damages induced in the  genetic material of  living cells (DNA) defined by  the  atomic model from the  protein data bank (PDB) have been studied by  radiation of monoenergetic protons and its secondary particles using  Geant4 code. The total SSB yield is independent of energy of incident particle. The total DSB yield is increase with increasing of  incident particle LET. The ratio of total inelastic events to absorbed dose for primary protons as well as its  secondary particles is independent of energy. The contribution of  secondary particles in the formation  of  single-strand  breaks and double-strand breaks have been calculated. The DSB yield generated by secondary particles is increase with decreasing the energy of the incident particle and the contribution of  secondary particles to the generate of double-strand break for energies less than 5 Mev  is greater than their contribution to the creation of single-strande breaks. The ratio of double-strand breaks to single- strand breaks have been reduced by increasing  the energy of   the radiation particle.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Radio therapy
  • Single-strand break
  • Double-strand break
  • DNA
  • GEANT4
  • Protein data bank
[1] T.S.Lawrence, R.K.T. Haken, A. Giacci Principles of Radiation Oncology. Philadelphia, Lippincott Williams, (2008). [2] G. Kraft, Tumor therapy with heavy charged particles. Particle and Nuclear Physics, 45(2), (2000) 473-544. [3] C.M. Charlie Ma, T. Lomax. Proton and Carbon Ion Therapy. Boca Raton, (2013). [4] H.L. Andrews. Radiation Biophysics. Prentice Hall, (1961). [5] J. Allison, Recent developments in Geant4. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 835, (2016) 186-225. [6] J.Allison, Geant4 Developments and Applications. IEEE Transactions on Nuclear Science. 53,(2006) 270-278. [7] S. Agostinelli, Geant4 a simulation toolkit, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Volume 506 ( 3), (2003) 250-303. [8] Z.Francis,S. Incerti, V. Ivanchenko, C.Champion, M. Karamitros, M. Bernal, E.B Ziad. Monte Carlo simulation of energy-deposit clustering for ions of the same LET in liquid water. Physics in medicine and biology. 57. (2011) 209-24. [9] M. Dingfelder, D. Hantke, M. Inokuti, H.G. Paretzke, Electron inelastic-scattering cross sections in liquid water, Radiation Physics and Chemistry, 53 ( 1) ,(1999) 1-18. [10] P. Bernhardt, W. Friedland, P. Jacob, H.G. Paretzke. Modeling of ultrasoft X-ray induced DNA damage using structured higher order DNA targets,International Journal of Mass Spectrometry, 223–224,(2003) 579-597. [11] 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, C.Zacharatou. Comparison of GEANT4 very low energy cross section models with experimental data in water Medical Physics, 37 (9), (2010) 4692-4708. [12] W. Friedland, M. Dingfelder, P. Kundrát, P. Jacob, Track structures, DNA targets and radiation effects in the biophysical Monte Carlo simulation code PARTRAC, Mut. Res, 711 (2011) 28-40. [13] H. Nikjoo, P. O’Neill, D.T. Goodhead, M. Terrissol, Computational modelling of low- energy electron-induced DNA damage by early physical and chemical events, Int. J. Radiat. Biol, 71 (1997) 467-483. [14] M. Pinak, A. Ito, Energy deposition in structural parts of DNA by monoenergetic electrons, J. Radiat. Res, 34 (1993) 221-234. [15] M.A. Bernal, C.E. Almeida, C. Sampaio, S. Incerti, C. Champion, P. Nieminen, The invariance of the total direct DNA strand break yield, Med. Phys, 38 (2011) 4147-4153. [16] A.G.W. Leslie, S. Arnott, R. Chandrasekaran, R.L. Ratliff, Polymorphism of DNA double helices. Journal of Molecular Biology,143(1), (1980) 49-72. [17] E. Delage, Q.T. Pham, M. Karamitros, H. Payno, V. Stepan, S. Incerti, L. Maigne, Y. Perrot, PDB4DNA: Implementation of DNA geometry from the Protein Data Bank (PDB) description for Geant4-DNA Monte-Carlo simulations. Computer Physics Communications, 192,(2015) 282-288. [18] P.Pater, G. Bäckstöm, F. Villegas, A. Ahnesjö, A.S. Enger, J. Seuntjens, I. El Naqa. Proton and light ion RBE for the induction of direct DNA double strand breaks. Medical Physics,43 (5),(2016) 2131-2140. [19] M. A. Bernal, C. E. deAlmeida, S. Incerti, C.Champion, V. Ivanchenko, Z. Francis. The Influence of DNA Configuration on the Direct Strand Break Yield. Computational and Mathematical Methods in Medicine. (2015). [20] H. Nikjoo, P. O’Neill, M. Terrissol, D.T. Goodhead, Quantitative modelling of DNA damage using Monte Carlo track structure method, Rad. Environ. Bioph, 38 (1999) 31-38.