Monte Carlo na micro-, nano-dosimetria e radiobiologia Mario Antonio Bernal Rodrı́guez 1,2 1 Instituto de Fı́sica Gleb Wataghin. UNICAMP. Brasil. 2 GEANT4-DNA collaboration group. Congresso da Sociedade Brasileira de Fı́sica Médica 13 de Agosto de 2015 Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Hadronterapia Instalações de hadronterapiaa a Loeffler, J. S. & Durante, M. Nat. Rev. Clin. Oncology. 2013 Missões aeroespaciais Caminhada espacial Proteção radiológica • Raios côsmicos, desde prótons até ı́ons pesados Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Feixes de fótons. Mamografia Efetividade biológica • Feixes entre 25 e 35 kVp. • RBE200kVp de até 4.3 têm sido reportados em trabalhos experimentaisa • Possı́vel impacto em Braquiterapia/novos radioisótopos a Frankenberg et al. Rad. Research 157, 99?105 (2002) b Kellerer. Rad. Research158, 13?22 (2002) Dano ao DNA Dano directo. Partı́culas ionizantes • Quebra simples de cadeia (SSB). • Quebra dupla de cadeia (DSB, dist.< 10 bp). (DNADamage.mp4) • Quebra múltipla de cadeia (MSB, alto LET ). Dano indireto. Espécies quı́micas. • Produzidas por espécies quı́micas produto da radiólise da água. • Podem gerar SSB, DSD e MSB também Dano ao DNA Dano directo. Partı́culas ionizantes • Quebra simples de cadeia (SSB). • Quebra dupla de cadeia (DSB, dist.< 10 bp). (DNADamage.mp4) • Quebra múltipla de cadeia (MSB, alto LET ). Dano indireto. Espécies quı́micas. • Produzidas por espécies quı́micas produto da radiólise da água. • Podem gerar SSB, DSD e MSB também Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Como estudar o problema? Métodos de estudo • Ensaios experimentais (condições restringidas e altas incertezas) • Técnicas computacionais (grande flexibilidade e complementam os experimentos) Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas O método Monte Carlo no transporte de Radiação Bases do método • Processos estocásticos (interação da radiação com a matéria. • Densidade de probabilidade (secções eficazes) • Gerador de números pseudo-aleatórios • Método de amostragem • Ex. GEANT4, PENELOPE, EGSnrc, MCNP... Simulação O método Monte Carlo em Radiobiologia Bases do método • Código de Monte Carlo (GEANT4-DNA) • Modelo geométrico do material genético • Modelo biofı́sico para ligar o proceso fı́sico ao biológico Código GEANT4-DNA • Transporte detalhado (event-by-event) • Elétrons até ∼8 eV • Íons (H0,1+ , He0,1+,2+ , C6+ ...) até ∼1 keV • Fótons até ∼50 eV O método Monte Carlo em micro nanodosimetria Bases do método • Código de Monte Carlo • Modelos geométricos simples • Determinação de grandezas microdosimétricas estocásticas. Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Problema Antecedentes • A efetividade biológica relativa é tomada como 1 para todos os feixes de fótons (RBE=1) • A transferência linear de energia (LET) associada a fótons cresce quando a energia decresce • A qualidade de referência para determinar a RBE é Co60 • Energia de feixes de mamografia ∼ 20 keV (25-35 kVp) • Segundo trabalhos experimentais: RBECo60 (mam.)=1.15-8.6! Trabalho realizado • Determinação do RBE de feixes usados en mamografia • Simulação da interação da radiação com o DNA M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757 Problema Antecedentes • A efetividade biológica relativa é tomada como 1 para todos os feixes de fótons (RBE=1) • A transferência linear de energia (LET) associada a fótons cresce quando a energia decresce • A qualidade de referência para determinar a RBE é Co60 • Energia de feixes de mamografia ∼ 20 keV (25-35 kVp) • Segundo trabalhos experimentais: RBECo60 (mam.)=1.15-8.6! Trabalho realizado • Determinação do RBE de feixes usados en mamografia • Simulação da interação da radiação com o DNA M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757 Modelo geométrico e código MC Simulações Monte Carlo • Uso del código PENELOPE • Modelo geométrico con (5 niveles de organização del DNA) • 28 kVp, 30 kVp e Co60 M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757 Resultados Comparação com resultados experimentais e teóricos Reference Our work Biol. endpoint DSB Kühne et al. Kellerer Brenner and Almos Frankenberg et al. Mestres et al. DSB Bioph. model Bioph. model Neoplastic transf. Dicentrics Quality 28 kVp 30 kVp 29 kVp 30 kVp <20 keV γ 29 kVp 30 kVp M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757 Reference quality Co60 Dose (Gy) 25 Co60 200 kVp high energy γ-rays 200 kVp Co60 <40 <4 mGy NA D→0 25 RBE 1.3 ± 0.1 1.2 ± 0.1 1.15 ± 0.05 1.3 ∼2 4.3 1.5 ± 0.2 Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Microdosimetria com TEPC Energia média depositada Burigo et al. Journal of Physics B., 2012 Energia linear ponderada na dose e LET Sumário 1 Por que ainda estudar Radiobiologia? Feixes de Íons Feixes de fótons de baixa energia 2 Radiobiologia 3 Como estudar o problema? Métodos de estudo Monte Carlo 4 Problemas estudados recentemente RBE em mamografia Microdosimetria 5 Trabalho atual Desenvolvimento de modelo atômico do material genético humano. 6 Perspectivas Modelo atômico do B-DNA Fundamentos • Posição explı́cita de ∼4x1011 átomos. Para um par de bases, os dados foram tomados de experimentos com difração de raios-X (res.∼0.5 Å) • Packing ratios das estruturas envolvidas (nucleossomos, fibra cromatina de 10 nm e 30 nm) • Passo entre pares de bases. • Empacotamento helicoidal • Dimensões dos átomos segundo seus raios de van der Waals. M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013 Modelo atómico del B-DNA Optimização Resultados • Rnucl = Dchrom /6 • 154 bp/nucleossomo • 46 bp/linker fragment • Dchrom = 31.38nm M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013 Modelo atômico del B-DNA Hélice de DNA Nucleossomo M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013 Modelo atômico do B-DNA Fibra de cromatina. VL M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013 Fibra de cromatina. VS Perspectivas. Linha atual. Tarefas • Introduzir a simulação do dano indireto (espécies quı́micas). GEANT4-DNA • Usar o modelo atómico, junto com um modelo biofı́sico para determinar RBE de feixes de fótons e ı́ons. • Melhorar o modelo biofı́sico com a informação extraı́da do cálculo com dinâmica molecular quântica • Levar em conta informação recente sobre estrutura cromossômica (HiC maps). Estrutura do material genético. HiC maps. Metodologia. Estrutura do material genético. HiC maps. HiC maps com diferentes enzimas. Estrutura do material genético. Cromossomos. Zoom das estruturas. Modelo do material. Resumo final • O método Monte Carlo é uma ferramenta muito poderosa para estudar problemas sobre interação da radiação com a matéria. • Os modelos biofı́sicos para estudar a interação radiação-DNA são ainda simples, embora os modelos geométricos sejan muito sofisticados. • Ainda falta muito para entender bem os mecanismos mediante os quais as radiações ionizantes geram danos no DNA. Agradecimentos Universidade Estadual de Campinas Fundação de AuxÌlio à Pesquisa do Estado de São Paulo Muito obrigado! Grupo de trabalho. (a) Liset de la Fuente. Cuba. (b) Eder Aguirre. Perú. (d) Rodrigo Seraide. Brasil. (e) Rafael Silveira. Brasil. (c) John Tello. Colômbia.
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