Monte Carlo na micro-, nano-dosimetria eradiobiologia

Mario Antonio Bernal Rodrguez 1,2

1Instituto de Fsica Gleb Wataghin. UNICAMP. Brasil.

2GEANT4-DNA collaboration group.

Congresso da Sociedade Brasileira de Fsica Medica13 de Agosto de 2015

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Hadronterapia

Instalacoes de hadronterapiaa

aLoeffler, J. S. & Durante, M. Nat. Rev. Clin. Oncology. 2013

Missoes aeroespaciais

Caminhada espacial

Protecao radiologica

Raios cosmicos, desdeprotons ate ons pesados

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Feixes de fotons.

Mamografia

Efetividade biologica

Feixes entre 25 e 35 kVp. RBE200kVp de ate 4.3 tem sido

reportados em trabalhosexperimentaisa

Possvel impacto emBraquiterapia/novos radioisotopos

a Frankenberg et al. Rad. Research 157, 99?105(2002)b Kellerer. Rad. Research158, 13?22 (2002)

Dano ao DNA

(DNADamage.mp4)

Dano directo. Partculasionizantes

Quebra simples de cadeia(SSB).

Quebra dupla de cadeia (DSB,dist.< 10 bp).

Quebra multipla de cadeia(MSB, alto LET ).

Dano indireto. Especies qumicas.

Produzidas por especies qumicasproduto da radiolise da agua.

Podem gerar SSB, DSD e MSBtambem

DNAdamage.mp4Media File (video/mp4)

Dano ao DNA

(DNADamage.mp4)

Dano directo. Partculasionizantes

Quebra simples de cadeia(SSB).

Quebra dupla de cadeia (DSB,dist.< 10 bp).

Quebra multipla de cadeia(MSB, alto LET ).

Dano indireto. Especies qumicas.

Produzidas por especies qumicasproduto da radiolise da agua.

Podem gerar SSB, DSD e MSBtambem

DNAdamage.mp4Media File (video/mp4)

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Como estudar o problema?

Metodos de estudo

Ensaios experimentais (condicoes restringidas e altasincertezas)

Tecnicas computacionais (grande flexibilidade ecomplementam os experimentos)

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

O metodo Monte Carlo no transportede Radiacao

Bases do metodo Processos estocasticos (interacao da radiacao com a

materia. Densidade de probabilidade (seccoes eficazes) Gerador de numeros pseudo-aleatorios Metodo de amostragem Ex. GEANT4, PENELOPE, EGSnrc, MCNP...

Simulacao

O metodo Monte Carlo emRadiobiologia

Bases do metodo

Codigo de Monte Carlo(GEANT4-DNA)

Modelo geometrico domaterial genetico

Modelo biofsico paraligar o proceso fsico aobiologico

Codigo GEANT4-DNA

Transporte detalhado(event-by-event)

Eletrons ate 8 eV Ions (H0,1+, He0,1+,2+,

C6+ ...) ate 1 keV Fotons ate 50 eV

O metodo Monte Carlo em micronanodosimetria

Bases do metodo

Codigo de Monte Carlo Modelos geometricos simples Determinacao de grandezas microdosimetricas

estocasticas.

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Problema

Antecedentes

A efetividade biologica relativa e tomada como 1 para todosos feixes de fotons (RBE=1)

A transferencia linear de energia (LET) associada a fotonscresce quando a energia decresce

A qualidade de referencia para determinar a RBE e Co60

Energia de feixes de mamografia 20 keV (25-35 kVp) Segundo trabalhos experimentais:

RBECo60(mam.)=1.15-8.6!

Trabalho realizado

Determinacao do RBE de feixes usados en mamografia Simulacao da interacao da radiacao com o DNA

M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757

Problema

Antecedentes

A efetividade biologica relativa e tomada como 1 para todosos feixes de fotons (RBE=1)

A transferencia linear de energia (LET) associada a fotonscresce quando a energia decresce

A qualidade de referencia para determinar a RBE e Co60

Energia de feixes de mamografia 20 keV (25-35 kVp) Segundo trabalhos experimentais:

RBECo60(mam.)=1.15-8.6!

Trabalho realizado

Determinacao do RBE de feixes usados en mamografia Simulacao da interacao da radiacao com o DNA

M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757

Modelo geometrico e codigo MC

Simulacoes MonteCarlo

Uso del codigoPENELOPE

Modelo geometricocon (5 niveles deorganizacao delDNA)

28 kVp, 30 kVp eCo60

M. Bernal et al. Phys. Med. Biol. 57 (2012) 1745-1757

Resultados

Comparacao com resultados experimentais e teoricos

Reference Biol. endpoint Quality Reference quality Dose (Gy) RBEOur work DSB 28 kVp Co60 25 1.3 0.1

30 kVp 1.2 0.1Kuhne et al. DSB 29 kVp Co60

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Microdosimetria com TEPC

Energia media depositadaEnergia linear ponderadana dose e LET

Burigo et al. Journal of Physics B., 2012

Sumario

1 Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de IonsFeixes de fotons de baixa energia

2 Radiobiologia

3 Como estudar o problema?Metodos de estudoMonte Carlo

4 Problemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetria

5 Trabalho atualDesenvolvimento de modelo atomico do material geneticohumano.

6 Perspectivas

Modelo atomico do B-DNA

Fundamentos

Posicao explcita de 4x1011 atomos. Para um par debases, os dados foram tomados de experimentos comdifracao de raios-X (res.0.5 A)

Packing ratios das estruturas envolvidas (nucleossomos,fibra cromatina de 10 nm e 30 nm)

Passo entre pares de bases. Empacotamento helicoidal Dimensoes dos atomos segundo seus raios de van der

Waals.

M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013

Modelo atomico del B-DNA

Optimizacao

Resultados

Rnucl = Dchrom/6 154 bp/nucleossomo 46 bp/linker fragment Dchrom = 31.38nm

M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013

Modelo atomico del B-DNAHelice de DNA

Nucleossomo

M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013

Modelo atomico do B-DNA

Fibra de cromatina. VL Fibra de cromatina. VS

M. A. Bernal et al. Comp. Phys. Comm., 2013

Perspectivas. Linha atual.

Tarefas

Introduzir a simulacao do dano indireto (especiesqumicas). GEANT4-DNA

Usar o modelo atomico, junto com um modelo biofsicopara determinar RBE de feixes de fotons e ons.

Melhorar o modelo biofsico com a informacao extrada docalculo com dinamica molecular quantica

Levar em conta informacao recente sobre estruturacromossomica (HiC maps).

Estrutura do material genetico.HiC maps.

Metodologia.

Estrutura do material genetico.HiC maps.

HiC maps com diferentes enzimas.

Estrutura do material genetico.Cromossomos.

Modelo do material.

Zoom das estruturas.

Resumo final

O metodo Monte Carlo e uma ferramenta muito poderosapara estudar problemas sobre interacao da radiacao coma materia.

Os modelos biofsicos para estudar a interacaoradiacao-DNA sao ainda simples, embora os modelosgeometricos sejan muito sofisticados.

Ainda falta muito para entender bem os mecanismosmediante os quais as radiacoes ionizantes geram danosno DNA.

Agradecimentos

Fundacao de AuxIlio aPesquisa do Estado deSao Paulo

Universidade Estadual deCampinas

Muito obrigado!Grupo de trabalho.

(a) Liset de laFuente. Cuba.

(b) Eder Aguirre.Peru.

(c) John Tello.Colombia.

(d) Rodrigo Seraide. Brasil.(e) Rafael Silveira. Brasil.

Por que ainda estudar Radiobiologia?Feixes de onsFeixes de ftons de baixa energiaRadiobiologiaComo estudar o problema?Mtodos de estudoMonte CarloProblemas estudados recentementeRBE em mamografiaMicrodosimetriaTrabalho atualDesenvolvimento de modelo atmico do material gentico humano.Perspectivas