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.PerspectivasTop Related