Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2016. Том 61. № 5. С. 59-64

РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА, ТЕХНИКА И ДОЗИМЕТРИЯ

С.Е. Ульяненко¹, А.Н. Соловьев^1,2, В.М. Литяев¹, В.В. Федоров¹, С.Н. Корякин¹

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОН- И ПРОТОН- ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕПАРАТОВ ЗОЛОТА

1. Медицинский радиологический научный центр им. А.Ф. Цыба, Обинск, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. ; 2. Институт физики высоких энергий, Протвино

РЕФЕРАТ

Цель: Теоретическое обоснование и моделирование с использованием метода Монте-Карло процессов, протекающих при фотон- и протон-захватной терапии (ФЗТ и ПЗТ соответственно) с использованием наночастиц золота.

Материал и методы: Математическое моделирование ФЗТ проводили с использованием программ MCNP, тогда как ПЗТ, в т.ч. дополнительные модельные эксперименты для объяснения принципов действия протон-захватных реакций, моделировали с использованием пакета CERN Geant4 и собственных разработанных программных средств на языках C++ и Python.

Результаты: Моделирование бинарной терапии в условиях добавления золота в опухоль в концентрации 10 мг на 1 г ткани показало двукратное увеличение поглощенной дозы при ФЗТ на рентгеновской установке, предположительно, посредством взаимодействия γ-квантов с электронными оболочками атомов и вызванными этими процессами каскадом электронов. Добавление золота в концентрациях 1 мг на 1 г ткани для ПЗТ дает возможность говорить о качественном изменении поглощенной дозы в фантоме, однако в зависимости от энергии протонов, доза в ткани с золотом может быть как выше на 15 % (для протонов энергии 50 МэВ), так и ниже (до 15 %, для протонов от 150 до 250 МэВ), так и сохраняться на том же уровне (для протонов с энергией 100 МэВ). Дополнительные эксперименты, проведенные с целью попытки объяснения данных результатов, предполагают, что с увеличением энергии протонов растет число возможных каналов реакций, в то время как число самих реакций на золоте уменьшается. Также с ростом энергии протонов снижается число упругих соударений протонов с золотом, что свидетельствует, в первую очередь, о значительном уменьшении сечения реакции.

Выводы: Двукратный выигрыш в дозе при ФЗТ с препаратами золота свидетельствует о ее возможном применении и внедрении в клиническую практику. ПЗТ и перспективы ее дальнейшего использования требуют проведения дополнительных исследований, связанных как с улучшением физических моделей, так и с валидизацией возможного биологического действия.

Ключевые слова: Метод Монте-Карло, фотон-захватная терапия, протон-захватная терапия, соединения золота

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ульяненко С.Е., Корякин С.Н. Нейтрон-захватная терапия. Актуальные проблемы и возможные подходы к перспективам развития медицинской технологии. - Германия: Palmarium Academic Publishing Palmarium. 2012. 104 с.
2. Каприн А.Д., Старинский В.В., Александрова Л.М., и соавт. Развитие онкологической помощи в Российской Федерации в свете выполнения государственных программ // Росс. мед. журнал. 2015. № 21. С. 4-9.
3. Шейно И.Н., Ижевский П.В., Липенгольц А.А. Обоснование принципа фотон-захватной терапии злокачественных новообразований // Саратовский научно-мед. журнал, 2013. Т. 9. № 4. С. 878-891.
4. Даренская Н.Г., Добрынина О.А., Насонова Т.А. и соавт. Использование гадолиний-содержащего препарата для повышения эффективности рентгеновского облучения при лечении экспериментальных опухолей // Мед. радиол. и радиац. безопасность. 2006. Т. 51. № 4. С. 5-11.
5. Koryakin S.N., Yadrovskaya V.A., Beketov E.E. et al. The study of hyaluronic acid compounds for neutron capture and photon activation therapies // Central Eur. J. Biol. 2014. Vol. 9. No. 10. Р. 922-930.
6. Rahman W., Ackerly T., He C. et al. Enhancement of radiation effects by gold nanoparticles for superficial radiation therapy // Nanomed.: Nanotechnol., Biol., Med. 2009. Vol. 5. No 2. P. 136-142.
7. Polf J., Bronk L., Driessen W. et al. Enhanced relative biological effectiveness of proton radiotherapy in tumor cells with internalized gold nanoparticles // Appl. Lett. 2011. Vol. 98. No. 19. P. 193702-1-193702-3.
8. X-5 Monte Carlo Team. MCNP - A General N-Particle Transport Code, Version 5. I: Overview and Theory. LA-UR-03-1987. 2005.
9. Щегольков И.В., Шейно И.Н., Хохлов В.Ф. и соавт. Моделирование распределений поглощенной дозы методом Монте-Карло в технологии фотон-захватной терапии // Мед. физика. 2010. № 4. С. 12-16.
10. ICRU 44. Tissue Substitutes in Radiation Dosimetry and Measurement. 1989.
11. Agostinelli S., Allison J., Amako K. et al. Geant4 - a simulation toolkit // Nucl. Meth. Phys. Res. 2003. Vol. 506. No. 3. P. 250-303.
12. Allison J., Amako K., Araujo H. et al. Geant4 developments and applications // IEEE Trans. Sci. 2006. Vol. 53. No. 1. Р. 270-278.
13. Brun R., Rademakers F. ROOT - An object oriented data analysis framework. Proc. AIHENP’96 Workshop, Lausanne, Sep. 1996 // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1997. Vol. 389. No. 1-2. P. 81-86.
14. Metropolis N., Bibins R., Storm M. et al. Monte Carlo calculations on intranuclear cascades. Low-energy studies // Phys. Rev. 1958. Vol. 110. No. 1. P. 185-203.
15. Titarenko Yu. E., Shvedov O.V., Batyaev V.F. et al. Experimental and Computer Simulations Study of Radionuclide Production in Heavy Materials Irradiated by Intermediate Energy Protons // Nucl. Experiment. nucl-ex/9908012 LA-UR-99-4489.
16. Хохлов В.Ф., Ижевский П.В., Кулаков В.Н. и соатв. Фармакокинетическая оценка препаратов для бинарной лучевой терапии в рамках скринингового исследования // Рос. биотер. журнал. 2009. Т. 8. № 1. C. 25-25.
17. Черепанов А.А., Липенгольц А.А., Насонова Т.А. и соавт. Увеличение противоопухолевого эффекта рентгеновского облучения при помощи гадолиний содержащего препарата на примере мышей с трансплантируемой меланомой B16F10 // Мед. физика. 2014. № 3. С. 66-69.
18. Корякин С.Н., Ульяненко С.Е., Ядровская В.А. и соавт. Оценка концентрации золота в опухоли и окружающих тканях лабораторных животных для задач фотон-захватной терапии // Труды регионального конкурса проектов фундаментальных научных исследований. 2015. Вып. 20. С. 190-194.
19. Давыдов М.И., Голанов А.В., Канаев С.В. и соатв. Анализ состояния и концепция модернизации радиационной онкологии и медицинской физики в России // Вопр. онкол. 2013. Т. 59. № 5. С. 529-538.
20. Хмелевский Е.В., Харченко В.П. и соавт. Метод протонно-фотонной лучевой терапии локализованного рака предстательной железы // Российский онкологический журнал. 2008. № 6. С. 13-16.

Для цитирования: Ульяненко С.Е., Соловьев А.Н., Литяев В.М., Фёдоров В.В., Корякин С.Н. Математическое моделирование фотон- и протон-захватной терапии с использованием препаратов золота // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2016. Т. 61. № 5. С. 59-64.

PDF (RUS) Полная версия статьи