БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 4, с. 638-645

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА

УДК 615.849.114, 577.34

ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ КЛИНИЧЕСКОГО

ПУЧКА ПРОТОНОВ ПРИ ДОБАВЛЕНИИ В ОБЛУЧАЕМУЮ МИШЕНЬ

НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА

А.С. Давыдов*, А.А. Штиль*^, *****, В.А. Климанов*^, ******,

М.А. Колыванова*^, **, А.С. Самойлов*

*Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА России,

123182, Москва, ул. Маршала Новикова, 23

**Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

***Научно-исследовательский институт им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени

М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1/2

****Научно-исследовательской институт технической физики и автоматики,

115230, Москва, Варшавское шоссе, 46

*****Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина МЗ PФ,

Москва, Каширское шоссе, 24

******Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409, Москва, Каширское шоссе, 31

Поступила в редакцию 31.10.2019 г.

После доработки 03.04.2020 г.

Принята к публикации 07.04.2020 г.

Наночастицы золота являются перспективными радиосенсибилизаторами для протонной лучевой

терапии, физические механизмы действия которых до сих пор не до конца изучены. В настоящей

работе для протонного пучка c энергией 150 МэВ методом Монте-Карло в программном коде

Geant4 оценены изменения вкладов в поглощенную в дозу первичных и вторичных частиц, средне-

дозового значения линейной передачи энергии и относительной биологической эффективности,

вызванные добавлением 50 мг/мл наночастиц золота в облучаемый водный фантом. Присутствие

наночастиц золота не привело к существенному изменению поглощенной дозы и положения пика

Брегга, однако привело к перераспределению вкладов вторичных частиц: в области ~10 мм за пиком

наблюдалось увеличение вкладов протонов (~16%), ядер отдачи (~58%), α-частиц (~400%), дейтро-

нов (~900%), тритонов (~3000%) и фотонов (~7000%); вклад вторичных электронов уменьшился на

~35%. Такое перераспределение привело к примерно пятикратному увеличению среднедозового

значения линейной передачи энергии на дистальном краю кривой Брегга, что в свою очередь может

приводить к росту относительной биологической эффективности в этой области от ~1.4 до ~2.2 раза.

Таким образом, во избежание нежелательных повреждений перифокальных тканей критически

важным является учет наличия наночастиц золота при планировании протонной лучевой терапии.

Ключевые слова: наночастицы золота, радиосенсибилизация, протонная лучевая терапия, относитель-

ная биологическая эффективность, Geant4.

DOI: 10.31857/S000630292004002X

свойственно специфическое взаимодействие с

Ионизирующие излучения повсеместно ис-

пользуются для лечения широкого спектра забо-

веществом: количество передаваемой ему

леваний. Помимо наиболее распространенных

энергии резко возрастает в конце пробега частиц,

фотонов могут быть использованы электроны и

в области пика Брегга [5]. Это означает, что ли-

различные тяжелые частицы: нейтроны, ионы, а

нейная передача энергии (ЛПЭ), линейная плот-

также протоны [1-3]. Тяжелые частицы привле-

ность ионизации, выход вторичных частиц и сво-

кательны благодаря высокой биологической эф-

бодных радикалов в области пика Брегга резко

фективности [4], кроме того, ионам и протонам

возрастают. Изменяя начальную энергию адрон-

ного пучка, можно регулировать глубинное поло-

Сокращения: ЛПЭ - линейная передача энергии, НЧЗ -

жение пика Брэгга с точностью до миллиметра,

наночастицы золота, ОБЭ - относительная биологическая

эффективность.

что позволяет лучше контролировать размер и

638

ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

639

4 мм

Вода + золото

Вода

150 МэВ

22 мм

42 мм

82 мм

122 мм

157 мм

100

125

150

175

Глубина, мм

Рис. 1. Схематичное изображение используемой модели.

форму облучаемой области, а также значительно

ЛПЭ эти частицы могут иметь различную биоло-

уменьшить нежелательное лучевое воздействие

гическую эффективность, кроме того, со вторич-

на окружающие нормальные ткани.

ными частицами связаны риски повреждения

окружающих опухоль нормальных тканей

Несмотря на доказанную для ряда случаев эф-

[26, 27].

фективность протонной лучевой терапии [6, 7] и

интенсивное развитие этого метода (по данным

В настоящей работе методом Монте-Карло

на февраль 2020 года по всему миру действует уже

оценивали вклады в поглощенную дозу в водном

89 установок протонной лучевой терапии, 4 из

фантоме различных первичных и вторичных ча-

которых открылись в 2017 году, 11 - в 2018 году,

стиц, образующихся при прохождении монохро-

13 - в 2019 году [8]), ее возможности значительно

матического протонного пучка, в том числе в

менее изучены по сравнению с классической фо-

присутствии НЧЗ.

тонной терапией. Актуальными вопросами про-

тонной лучевой терапии остаются сочетание с

химио- и иммунотерапией, а также использова-

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ние противоопухолевых радиосенсибилизаторов,

среди которых в отдельный класс выделяются на-

Вычисления методом Монте-Карло были вы-

ночастицы с высоким атомным номером, такие

полнены в программном коде Geant4 [28] на су-

как наночастицы золота (НЧЗ) [9-11]. Хотя нано-

перкомпьютерном кластере

«Ломоносов-1»

частицы продемонстрировали высокую эффек-

(МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва). В каче-

тивность в комбинации с протонным облучением

стве облучаемой мишени использовали водный

как in vitro, так и in vivo [12-17], физические меха-

фантом размером 20 × 20 × 30 см. Присутствие

низмы радиосенсибилизации представляются не

НЧЗ моделировали изменением элементного со-

до конца понятными. Компьютерные расчеты

показали, что в присутствии наночастиц наблю-

става образца, полагая однородное распределе-

ние частиц в объеме. Золото добавляли в пять об-

дается локальное увеличение поглощенной дозы

[18, 19], однако экспериментально значительного

ластей в фантоме на различной глубине проник-

макроскопического увеличения поглощенной

новения протонного пучка: 20-24 мм, 40-44 мм,

дозы в присутствии элементов с высоким атом-

80-84 мм, 120-124 мм и 155-159 мм (рис. 1). Кон-

ным номером выявлено не было [20, 21]. При

центрация НЧЗ составляла 50 мг/мл [29, 30]. Вы-

протонном облучении наночастицы способны

числения проводили для двух моделей: фантома,

увеличивать радиационно-химический выход

однородно заполненного водой (без НЧЗ), и фан-

свободных радикалов [22], а также генерировать

тома с пятью заполненными НЧЗ областями по

вторичное излучение [21-24]. При этом помимо

ходу протонного пучка. Для накопления данных

прямой ионизации вторичные электроны могут

фантом делили на 500 слоев толщиной 0.08 см, в

образовываться при возбуждении плазмонных

каждом из которых определяли энергию всех пер-

колебаний на поверхности НЧЗ [25].

вичных и вторичных частиц. При моделировании

устанавливали минимальный пробег вторичных

Рассмотрение роли вторичных частиц, образу-

частиц в 10 мкм, при меньшем пробеге их энергия

ющихся под действием протонного пучка в при-

сутствии НЧЗ, представляется крайне важным

выделялась локально в точке рождения. Средне-

дозовое значение ЛПЭ (L_D) рассчитывали по сле-

для изучения физико-химических механизмов

радиосенсибилизации. Из-за разных значений

дующей формуле [31]:

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

640

БЕЛОУСОВ и др.

дозу на дистальном краю пика Брегга. Для прото-



нов максимальное увеличение составило ~16%

(1)

(рис. 3а), для ядер отдачи ~58% (рис. 3в), для α-ча-



стиц ~400% (рис. 3г), для дейтронов ~900%

(рис. 3ж), для тритонов ~3000% (рис. 3е). Наибо-

где E_i - энергия выделяющаяся на i-м шаге моде-

лее значительно увеличивается вклад в погло-

лирования; l_i - длина i-го шага.

щенную дозу вторичных фотонов (рис. 3з): в об-

Значение относительной биологической эф-

ластях локализации НЧЗ наблюдалось увеличе-

фективности (ОБЭ) определяли по формуле

ние более чем в 10 раз, а в области за пиком Брегга

более чем в 70 раз. Такое увеличение вклада вто-

ОБЭ_max = 1.00 + εL_D,

(2)

ричных фотонов может быть связано с различия-

где значения коэффициента ε варьируют от 0.006

ми в сечении образования характеристического

до 0.16 кэВ/мкм [32].

излучения для золота и воды. Однако несмотря на

столь значительное увеличение, вклад фотонов в

поглощенную дозу на всем участке кривой Брегга

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

составляет не более 0.1%, что в очередной раз [34,

Нормированное глубинное распределение по-

35] демонстрирует ошибочность выдвинутого в

глощенной дозы, формируемое в фантоме моно-

работе [12] предположения об основной роли вто-

ричных фотонов в эффекте радиосенсибилиза-

энергетическим пучком протонов с начальной

ции наночастиц в комбинации с протонным об-

энергией 150 МэВ, представлено на рис. 2а. Доза

на входе в фантом составляет ~20% от максималь-

лучением.

ного значения, пик Брегга располагается на глу-

Вторичные электроны играют важную роль

бине ~156 мм. Ширина области l_80-80 между

при радиационно-индуцированных повреждени-

проксимальным и дистальным краями пика со-

ях биомолекул [36], а увеличение выхода этого

ставляет ~4 мм, а ширина дистального спада дозы

вида частиц в присутствии НЧЗ считается ключе-

l_80-20 равна ~2 мм.

вым механизмом радиосенсибилизации

[9].

Однако в настоящей работе увеличения вклада

Поскольку взаимодействие протонов с веще-

вторичных электронов в поглощенную дозу обна-

ством сопровождается образованием большого

ружено не было. Результаты расчетов свидетель-

количества вторичных частиц [5, 33], поглощен-

ствуют об уменьшении вклада этого типа частиц в

ная в фантоме доза формируется как первичными

области пика и на дистальном краю кривой Брег-

протонами, так и вторичными частицами. Вкла-

га до 35% (рис. 3б). Отсутствие изменений в обла-

ды первичных и вторичных частиц в поглощен-

сти до пика Брегга и последующее уменьшение

ную дозу на различных глубинах проникновения

наблюдалось также для вклада в поглощенную

протонного пучка представлены на рис 2б. На

дозу He-3 (рис. 3д).

графике показаны только те типы вторичных ча-

стиц, чей вклад в поглощенную дозу составляет

Перераспределение вкладов вторичных ча-

более 10^-6, а именно α-частицы, He-3, дейтроны,

стиц, наблюдаемое в присутствии НЧЗ, привело к

тритоны, электроны, γ-кванты и ядра отдачи.

изменению среднедозового значения ЛПЭ L_D.

Наибольший вклад (~70-90% в области пика

Глубинное распределение L_D в водном фантоме в

Брегга) вносят первичные и вторичные протоны.

отсутствии НЧЗ приведено на рис. 4а. Начиная от

Вклад вторичных электронов на различных

входа в фантом, значение L_D монотонно снижа-

участках кривой Брегга составляет

~10-30%,

ется с ~8.5 до ~6 кэВ/мкм. Затем в области

ядер отдачи и α-частиц ~1%, прочих частиц - ме-

пика Брегга наблюдается резкий подъем до

нее 1%.

~13 кэВ/мкм, спадающий на дистальном краю

Присутствие в водном фантоме НЧЗ не приве-

кривой. В присутствии НЧЗ на начальном участ-

ло к значительному изменению поглощенной до-

ке кривой Брегга, проксимальном крае, а также в

зы, а также не повлияло на положение пика Брег-

области пика существенные изменения L_D не на-

га и величины l_80-80 и l_80-20. В то же время наблю-

блюдались. Однако на дистальном краю кривой

далось заметное перераспределение вкладов

Брегга в присутствии НЧЗ наблюдается резкое,

вторичных частиц в поглощенную дозу, причем

более чем пятикратное, увеличение L_D (рис. 4б).

наиболее значительные изменения отмечены на

На рис. 5 показаны отношения глубинных за-

дистальном краю кривой Брегга, в области

висимостей ОБЭ в присутствии и в отсутствие

~10 мм за пиком. Отношения вкладов вторичных

НЧЗ, рассчитанных по формуле (2) для значений

частиц в поглощенную дозу при наличии и в от-

коэффициента наклона ε, равных 0.01, 0.02 и 0.04

сутствии НЧЗ в облучаемом фантоме приведены

на рис. 3. Для всех частиц, за исключением вто-

мкм⋅кэВ^-1 согласно методике [32]. Наглядно вид-

ричных электронов и He-3, в присутствии НЧЗ

но отсутствие изменения ОБЭ в области от входа

наблюдалось увеличение вкладов в поглощенную

протонного пучка в фантом плоть до дистального

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

641

(†0)

1.0

0.8

ƒ7‡

‡‡

†‡‡†

†‡

†0

0.6

0.4

0.2

100

125

150

175

‚3‡3† 1‡0‡5†0, ‡4‡4

(†1

(†2

0.75

0.40

0.70

0.35

ƒ7ˆ

ˆ ‡6‡5‰3

‡3

ˆ ˆ0‡6‡5‰3

0.65

0.30

0.60

0.25

100

125

150

175

100

125

150

175

‚3‡3† 1‡0‡5†0, ‡4‡4

‚3‡3† 1‡0‡5†0

(†3

(†4

102

8103

…7†4ˆˆ †

ˆ7‡0

6103

-„7†0ˆ 1ˆ 2‡0ˆ 6‰3

103

4103

100

125

150

175

100

125

150

175

‚3‡3† 1‡0‡5†0, ‡4‡4

‚3‡3† 1‡0‡5†0

( 5†

(†6

102

103

He-3

‚4†5

ˆ0‡6‡5‰3

4

10^

100

125

150

175

100

125

150

175

‚3‡3† 1‡0‡5†0, ‡4‡4

‚3‡3† 1‡0‡5†0

(†)7

(‡0

102

6106

103

„2ˆ0‡‡6 ‡5‰3

4106

„4

ˆ ‡6‡5‰3

10^

2106

100

125

150

175

100

125

150

175

‚3‡3† 1‡0‡5†0, ‡4‡4

‚3‡3† 1‡0‡5†0

Рис. 2. Глубинное распределение поглощенной дозы при прохождении пучка протонов с начальной энергией 150 МэВ

через водный фантом (а); вклады в поглощенную дозу первичных и вторичных частиц: (б) - протоны, (в) - электроны,

(г) - ядра отдачи, (д) - α-частицы, (е) - дейтроны, (ж) - He-3, (з) - тритоны, (и) - фотоны. Показаны типы частиц,

чей вклад составляет более10^-6.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

643

(а)

1.6

1.5

1.4

= 0.01

1.3

40 60 80 100120140160

Глубина, мм

1.1

1.0

100

125

150

175

100

125

150

175

Глубина, мм

(б)

2.0

1.8

= 0.02

1.6

1.4

1.2

1.0

100

125

150

175

100

125

150

175

Глубина, мм

(в)

2.6

Рис. 4. (а) - Глубинная зависимость среднедозового

значения ЛПЭ в отсутствие НЧЗ (на вставке - в при-

2.4

сутствии 50 мг/мл НЧЗ); (б) - отношения среднедо-

зовых значений ЛПЭ в присутствии и в отсутствие

2.2

50 мг/мл НЧЗ в фантоме.

2.0

= 0.04

1.8

края кривой Брегга. Увеличение среднедозового

значения ЛПЭ в присутствии НЧЗ может приво-

1.6

дить к росту ОБЭ на дистальном краю кривой

0.4

Брегга, т.е. на границе опухоли и здоровой ткани,

от ~1.4 до ~2.2 раза в зависимости от величины

1.2

коэффициента ε.

1.0

Следует отметить, что вклад в дозу в области

100

125

150

175

пика Брэгга максимален именно на дистальном

Глубина, мм

конце мишени облучения из-за суперпозиции

пучков с разной энергией, применяемой для со-

Рис. 5. Отношение глубинных распределений ОБЭ в

здания равномерного по объему мишени дозово-

присутствии и в отсутствие 50 мг/мл НЧЗ в фантоме

го распределения [37, 38]. Вторым важным мо-

при различных значениях коэффициента ε: (а) -

ментом является высокая чувствительность про-

ε = 0.01, (б) - ε = 0.02, (в) - ε = 0.04.

бега протонов и, следовательно, позиции пика

Брэгга от анатомических изменений и точности

определения физического состава тканей паци-

является высокая точность воздействия на опу-

ента вдоль пробега протонов [39]. Таким образом,

холь, применение НЗЧ в качестве радиосенсиби-

поскольку основой протонной лучевой терапии

лизаторов требует повышенной осторожности.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

644

БЕЛОУСОВ и др.

Увеличение среднедозового значения ЛПЭ и,

2. T. Mitin and A. L. Zietman, J. Clin. Oncol. 32, 2855

следовательно, ОБЭ на дистальном краю кривой

(2014).

Брегга, т.е. в области границы опухоли и нор-

3. D. I. Yurkov, S. V. Syromukov, V. V. Tatarskiy, et al.,

мальной ткани, может приводить к незапланиро-

Acta Naturae 11, 99 (2019).

ванным повреждениям последней, что может

4. B. S. Sørensen, J. Overgaard, and N. Bassler, Acta On-

сказаться на качестве и безопасности лечения.

col. 50, 757 (2011).

5. W. D. Newhauser and R. Zhang, Phys. Med. Biol. 60,

R155 (2015).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. R. Mohan and D. Grosshans. Adv. Drug Deliv. Rev.

109, 26 (2017).

Присутствие НЧЗ в облучаемом фантоме в

7. X. Tian, K. Liu, Y. Hou, et al., Mol. Clin. Oncol. 8, 15

концентрации 50 мг/мл не привело к значитель-

(2018).

ным изменениям характеристик дозных полей, в

8. Particle Therapy Co-Operative Group. Particle therapy

том числе к увеличению поглощенной дозы. В

facilities in clinical operation. URL: https://www.pt-

присутствии НЧЗ показано существенное пере-

cog.ch/index.php/facilities-in-operation (дата обра-

распределение вкладов первичных и вторичных

щения 24.02.2020).

частиц в поглощенную дозу в водном фантоме.

9. S. Lacombe, E. Porcel, and E. Scifoni, Cancer Nano-

Основные изменения наблюдались на дисталь-

technol. 8, 9 (2017).

ном краю кривой Брегга, т.е. на границе между

10. Y. Liu, P. Zhang, F. Li, et al., Theranostics 8, 1824

опухолью и нормальной тканью. Перераспреде-

(2018).

ление вкладов в поглощенную дозу привело к бо-

11. D. Peukert, I. Kempson, M. Douglass, and E. Bezak,

лее чем пятикратному увеличению среднедозово-

Phys. Med. 47, 121 (2018).

го значения ЛПЭ на дистальном краю кривой

12. J. K. Kim, S. J. Seo, K. H. Kim, et al., Nanotechnology

Брегга, что в свою очередь привело к росту ОБЭ

21, 425102 (2010).

от ~1.4 до ~2.2 раза. Полученные результаты сви-

13. J. C. Polf, L. F. Bronk, W. H. Driessen, et al., Appl.

детельствуют о необходимости учета НЧЗ при

Phys. Lett. 98, 193702 (2011).

планировании протонного облучения во избежа-

14. J. K. Kim, S. J. Seo, H. T. Kim, et al., Phys. Med. Biol.

ние нежелательных повреждений граничащих с

57, 8309 (2012).

опухолью нормальных тканей.

15. J. C. Jeynes, M. J. Merchant, A. Spindler, et al., Phys.

Med. Biol. 59, 6431 (2014).

16. S. Li, S. Penninckx, L. Karmani, et al., Nanotechnolo-

БЛАГОДАРНОСТИ

gy 27, 455101 (2016).

Работа выполнена с использованием оборудо-

17. S. Li, S. Bouchy, S. Penninckx, et al., Nanomedicine.

вания Центра коллективного пользования сверх-

14, 317 (2019).

высокопроизводительными вычислительными

18. C. Wälzlein, E. Scifoni, M. Krämer, and M. Durante,

ресурсами МГУ имени М. В. Ломоносова.

Phys. Med. Biol. 59, 1441 (2014).

19. S. McKinnon, S. Guatelli, S. Incerti, et al., Phys. Med.

32, 1584 (2016).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

20. R. Ahmad, G. Royle, A. Lourenço, et al., Phys. Med.

Biol. 61, 4537 (2016).

Работа выполнена при финансовой поддержке

Программы развития ядерной медицины АО

21. J. Cho, C. Gonzalez-Lepera, N. Manohar, et al., Phys.

Med. Biol. 61, 2562 (2016).

«Наука и инновации» ГК «Росатом» (проект

АААА-А19-119122590084-4).

22. H. N. Tran, M. Karamitros, V. N. Ivanchenko, et al.,

Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 373, 126 (2016).

23. J. Gao and Y. Zheng, Int. J. Cancer Ther. Oncol. 2,

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

02025 (2014).

24. A. C. Heuskin, B. Gallez, O. Feron, et al., Med. Phys.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

44, 4299 (2017).

интересов.

25. A. V. Verkhovtsev, A. V. Korol, and A. V. Solov’yov, J.

Phys. Chem. C 119, 11000 (2014).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

26. H. Jiang, B. Wang, X. G. Xu, et al., Phys. Med. Biol.

50, 4337 (2005).

Настоящая работа не содержит описания ка-

27. P. J. Taddei, D. Mirkovic, J. D. Fontenot, et al., Phys.

ких-либо исследований с использованием людей

Med. Biol. 54, 2259 (2009).

и животных в качестве объектов.

28. 28. J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, et al., Nucl.

Instr. Meth. Phys. Res. A 835, 186 (2016).

29. W. Ngwa, G. M. Makrigiorgos, and R. I. Berbeco,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Phys. Med. Biol. 55, 6533 (2010).

1. D. Schulz-Ertner and H. Tsujii, J. Clin. Oncol. 25, 953

30. M. Hossain and M. Su, J. Phys. Chem. C 116, 23047

(2007).

(2012).

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

ИЗМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

645

31. F. Guan, C. Peeler, L. Bronk, et al., Med. Phys. 42,

36. E. Alizadeh, T. M. Orlando, and L. Sanche, Annu. Rev.

6234 (2015).

Phys. Chem. 66, 379 (2014).

32. A. V. Belousov, R. B. Bahtiosin, M. A. Kolyvanova,

37. S. Brousmiche, K. Souris, J. O. de Xivry, et al., Phys.

et al., Med. Radiol. Radiat. Safety 64, 5 (2019).

Med. Biol. 62, 8226 (2017).

33. G. Kraft, Prog. Part. Nucl. Phys. 45, S473 (2000).

38. M. Goitein and G. T. Chen, Med. Phys. 10, 831 (1983).

34. G. Dollinger, Nanotechnology 22, 248001 (2011).

35. C. Le Sech, K. Kobayashi, N. Usami, et al., Nanotech-

39. F. Tommasino, M. Rovituso, E. Bortoli, et al., Physica

nology 23, 078001 (2012).

Medica 58, 99 (2019).

Change in Linear Energy Transfer of Clinical Proton Beam

in the Presence of Gold Nanoparticles

A.V. Belousov*, V.N. Morozov*^, **, G.A. Krusanov*^, ***, A.N. Moiseev****, A.S. Davydov*,

A.A. Shtil*^, *****, V.A. Klimanov*^, ******, M.A. Kolyvanova*^, **, and A.S. Samoylov*

*Burnazyan Federal Medical Biophysical Center, Federal Medical Biological Agency of Russian Federation,

ul. Marshala Novikova 23, Moscow, 123182 Russia

**Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina 4, Moscow, 119334 Russia

***Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Leninskie Gory 1/2, Moscow, 119991 Russia

****Research and Development Institute for Technical Physics and Automation,

Varshavskoye Shosse 46, Moscow, 115230 Russia

*****Blokhin National Medical Research Center of Oncology, Kashirskoye Shosse 24, Moscow, 115478 Russia

******National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute),

Kashirskoye Shosse 31, Moscow, 115409 Russia

Gold nanoparticles are promising radiosensitizers for proton beam therapy. However, the physical mecha-

nisms of action of gold nanoparticles remain unclear. In the present study, GEANT4 Monte Carlo toolkit was

used to make estimations of the changes in the contribution to the absorbed dose of primary and secondary

particles, in dose-averaged linear energy transfer values, and the relative biological effectiveness of 150 MeV

proton beam, caused by addition of 50 mg/ml of gold nanoparticles in the irradated water. In the presence of

gold nanoparticles no significant changes were found in the absorbed dose and the Bragg peak position while

redistribution of the contribution of secondary particles to the absorbed dose was occured. An increase in the

contributions of protons (~16%), recoil nuclei (~58%), α-particles (~400%), deuterons (~900%), tritons

(~3000%) and photons (~7000%) was observed ~10 mm beyond the Bragg peak region. Contributions from

the secondary electrons decreased by ~35%. This redistribution led to the ~ 5-fold increase in the dose-aver-

aged linear energy transfer value along distal end of a Bragg curve, that, in turn, may cause an increase in rel-

ative biological effectiveness within this region by ~1.4 to ~2.2. Thus, it is critical to take in account the pres-

ence of gold nanoparticles in planning proton radiotherapy in order to avoid unwanted damage to the normal

tissues around the tumor.

Keywords: gold nanoparticles, radiosensitization, proton radiotherapy, relative biological effectiveness, Geant4

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020