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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Nanodosimetria e Radiobiologia