برآورد بهبود دز تومور فعال‌سازی شده با نانوذرات طلا در پروتون‌درمانی

مالمیر, سمیه; مولوی, علی‌اصغر; محمدی, سعید

برآورد بهبود دز تومور فعال‌سازی شده با نانوذرات طلا در پروتون‌درمانی

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی دکتری فیزیک، گروه فیزیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

² استاد، گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

³ استاد، گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه پیام نور تهران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: پروتون‌درمانی، به دلیل دارا بودن محاسن زیست‌شناسی پرتوی (Radiobiological) و فیزیکی، از محبوبیت خاصی در بین روش‌های مختلف پرتودرمانی برخوردار است. در سال‌های اخیر، تلاش‌هایی برای دستیابی به هدف بهبود دز در تومور و کاهش دز در بافت‌های مجاور انجام گرفته است. در این راستا، استفاده از نانوذرات (Nanoparticles) فلزی جهت فعال‌سازی تومور بسیار امیدبخش بوده است. مطالعات کیفی انجام شده روی نانوذرات طلا، مؤید ایمنی و کاربرد بالینی آن‌ها می‌باشد. لزوم مطالعات کمی علاوه بر بررسی‌های کیفی جهت بررسی عوامل مؤثر در این روش درمانی واضح است. از این رو، در مطالعه‌ی حاضر، با توجه به کارایی روش Monte-Carlo در همانندسازی ترابرد ذرات، عامل بهبود دز در تومور فعال‌ شده توسط نانوذرات طلا محاسبه گردید.روش‌ها: برای این منظور، یک فانتوم سر، حاوی توموری فعال شده توسط نانوذرات طلا در نظر گرفته‌ شد. در این مطالعه فرض شد که نانوذرات طلا، به طور همگن در تومور توزیع شده باشند. در نهایت، برای تعیین دز و عامل بهبود آن در تومور مورد مطالعه طی پروتون‌درمانی، شبیه‌سازی Monte-Carlo توسط کد MCNPX انجام شد.یافته‌ها: محاسبات مربوط به قله‌ی براگ (Bragg peak) برای بیم‌های پروتونی با انرژی‌هایی در محدوده‌ی 150-40 مگاالکترون‌ولت انجام شد. دز و عامل بهبود آن در تومور برای غلظت‌های مختلف، محاسبه گردید. سپس، دز پهن شده (Spread out Bragg Peak یا SOBP) مورد ارزیابی قرار گرفت.نتیجه‌گیری: بر اساس محاسبات انجام شده، اگر انرژی پروتون‌ها به اندازه‌ی کافی زیاد باشد؛ به طوری که بتوانند از ناحیه‌ی تومور فعال شده عبور کنند، آن گاه دز در قله‌ی براگ، بهبود و بلافاصله بعد از آن کاهش می‌یابد. همچنین، در رابطه با دز پهن شده، بهبود یکدست دز در ناحیه‌ی تومور فعال گردید و کاهش دز بلافاصله بعد از آن مشاهده شد. بهبود دز در تومور به دلیل حضور نانوذرات، تأییدی بر نتایج تحقیقات پیشین در این رابطه بود، اما کاهش چشمگیر دز بلافاصله بعد از تومور، نتیجه‌ی حاصل از این تحقیق بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Evaluation of Dose Enhancement within Gold Nanoparticle Radio-Sensitized Tumor Using Proton Therapy

نویسندگان [English]

Somayeh Malmir ¹
Ali Asghar Molavi ²
Saeed Mohammadi ³

¹ PhD Student, Department of Physics, Payame Noor University of Tehran, Tehran, Iran

² Professor, Department of Physics, School of Basic Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran

³ Professor, Department of Physics, School of Basic Sciences, Payame Noor University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Background: Because of its radio-biological and physical advantages, proton therapy method is highly popular compared to other radiotherapy methods. Recent attempts at enhancing dose in tumors and reducing dose in adjacent tissues have been mainly relying on the use of metal nanoparticles with the aim of activating tumors. Numerous qualitative studies have been carried out on the safety and clinical use of gold nanoparticles and the results have been promising. However, some quantitative studies should be conducted to examine the factors affecting this method. With respect to the performance of Monte Carlo Method in simulation of the particles transport, the aim of this article was to obtain the dose enhancement in tumor sensitized by gold nanoparticles (GNPs) using MCNPX code.Methods: A slab head phantom with homogenized-GNPs-aided tumor was considered to simulate proton therapy in brain tissue. Monte Carlo simulation was performed using MCNPX code to assess the dose and its enhancement in a radio-sensitized tumor by GNPs using proton therapy.Findings: The Bragg peak calculations were conducted for proton beams with energies in the rage of 40-150 Mev. Dose and its enhancements in tumor were obtained for several concentrations. Then, Spread-out Bragg Peak (SOBP) was evaluated.Conclusion: According to our calculations, if the protons energy is high enough so that they can pass the sensitized tumor; dose will be improved in Bragg peak and then, will decrease immediately. In addition, in relation to the SOBP, solid dose enhancement in sensitized tumor and decreasing the dose immediately after it, were concluded. Dose enhancement due to the presence of nanoparticles in the tumor confirms the results of previous research. But, a significant reduction in the dose immediately after the tumor was the result of this research.

کلیدواژه‌ها [English]

Proton therapy
Gold nanoparticles (GNPs) radio-sensitization
dose enhancement
MCNPX Code

مراجع

Wilson RR. Radiological use of fast protons. Radiology 1946; 47(5): 487-91.
Schardt D, Elsasser T, Schulz-Ertner D. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits. Rev Mod Phys 2010; 82(1): 383-425.
Loeffler JS, Durante M. Charged particle therapy--optimization, challenges and future directions. Nat Rev Clin Oncol 2013; 10(7): 411-24.
Arab-Bafrani Z, Shahbazi-Gahrouei D. Optical, physical and quantum properties of gold nanoparticles and its applications in diagnosis and treatment of Cancers. J Isfahan Med Sch 2015; 33(323): 160-70. [In Persian].
Saberi A, Shahbazi-Gahrouei D, Abbasian M, Fesharaki M, Baharlouei A, Arab-Bafrani Z. Gold nanoparticles in combination with megavoltage radiation energy increased radiosensitization and apoptosis in colon cancer HT-29 cells. Int J Radiat Biol 2016. [Epub ahead of print].
Lacombe S, Sech CL. Advances in radiation biology: Radiosensitization in DNA and living cells. Surf Sci 2009; 603(10-12): 1953-60.
Usami N, Kobayashi K, Hirayama R, Furusawa Y, Porcel E, Lacombe S, et al. Comparison of DNA breaks at entrance channel and Bragg peak induced by fast C6+ ions--influence of the addition of platinum atoms on DNA. J Radiat Res 2010; 51(1): 21-6.
Soltani-Nabipour J, Cata-Danil G. Monte Carlo computation of the energy deposited by heavy charged particles in soft and hard tissue. UPB Sci Bull 2008; 70(3): 73-84.
Hainfeld JF, Dilmanian FA, Slatkin DN, Smilowitz HM. Radiotherapy enhancement with gold nanoparticles. J Pharm Pharmacol 2008; 60(8): 977-85.
Hainfeld JF, Slatkin DN, Smilowitz HM. The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice. Phys Med Biol 2004; 49(18): N309-N315.
Allen C, Borak TB, Tsujii H, Nickoloff JA. Heavy charged particle radiobiology: using enhanced biological effectiveness and improved beam focusing to advance cancer therapy. Mutat Res 2011; 711(1-2): 150-7.
Lasagna-Reeves C, Gonzalez-Romero D, Barria MA, Olmedo I, Clos A, Sadagopa Ramanujam VM, et al. Bioaccumulation and toxicity of gold nanoparticles after repeated administration in mice. Biochem Biophys Res Commun 2010; 393(4): 649-55.
Mukherjee P, Bhattacharya R, Wang P, Wang L, Basu S, Nagy JA, et al. Antiangiogenic properties of gold nanoparticles. Clin Cancer Res 2005; 11(9): 3530-4.
Shukla R, Bansal V, Chaudhary M, Basu A, Bhonde RR, Sastry M. Biocompatibility of gold nanoparticles and their endocytotic fate inside the cellular compartment: a microscopic overview. Langmuir 2005; 21(23): 10644-54.
Connor EE, Mwamuka J, Gole A, Murphy CJ, Wyatt MD. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small 2005; 1(3): 325-7.
Martinez-Rovira I, Prezado Y. Evaluation of the local dose enhancement in the combination of proton therapy and nanoparticles. Med Phys 2015; 42(11): 6703-10.
Jeynes JC, Merchant MJ, Spindler A, Wera AC, Kirkby KJ. Investigation of gold nanoparticle radiosensitization mechanisms using a free radical scavenger and protons of different energies. Phys Med Biol 2014; 59(21): 6431-43.
Walzlein C, Scifoni E, Kramer M, Durante M. Simulations of dose enhancement for heavy atom nanoparticles irradiated by protons. Phys Med Biol 2014; 59(6): 1441-58.
Jia SB, Hadizadeh MH, Mowlavi AA, Loushab ME. Evaluation of energy deposition and secondary particle production in proton therapy of brain using a slab head phantom. Rep Pract Oncol Radiother 2014; 19(6): 376-84.
International Commission on Radiation Units and Measurements. Photon, electron, proton and neutron interaction data for body tissues (Report 46). Bethesda, MD: ICRU; 1992.
Kraft G. Tumor therapy with heavy charged particles. Prog Part Nucl Phys 2000; 45: S473-S544.
Pedroni E, Bacher R, Blattmann H, Bohringer T, Coray A, Lomax A, et al. The 200-MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: conceptual design and practical realization. Med Phys 1995; 22(1): 37-53.
Haberer T, Becher W, Schardt D, Kraft G. Magnetic scanning system for heavy ion therapy. Nucl Instrum Methods Phys Res A 1993; 330(1): 296-305.
Eckerman K, Cristy M, Ryman JC. The ORNL Mathematical Phantom Series. Oak Ridge, TN: Oak Ridge National Laboratory; 1996.
Kwon J, Sutherland K, Hashimoto T, Shirato H, Date H. Spatial distributions of dose enhancement around a gold nanoparticle at several depths of proton Bragg peak. Nucl Instrum Methods Phys Res B 2016; 384: 113-20.
Tran HN, Karamitros M, Ivanchenko VN, Guatelli S, McKinnon S, Murakami K, et al. Geant4 Monte Carlo simulation of absorbed dose and radiolysis yields enhancement from a gold nanoparticle under MeV proton irradiation. Nucl Instrum Methods Phys Res B 2016; 373: 126-39.