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Monte Carlo Simulationen zur Abschätzung potentieller DNA-Schädigung bei Strahlentherapie in Magnetfeldern

14.12.2015

Die zukunftsorientierte Kombination von Strahlentherapie mit Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht eine Verbesserung der Tumortherapie aufgrund des exzellenten Weichgewebekontrasts der MRT. Die therapeutische Strahlung setzt im Gewebe Sekundärelektronen frei, welche die Strahlungsenergie auf nanometrischer Größenordnung deponieren und somit DNA-Schäden hervorrufen, die im Tumorgewebe erwünscht sind und im umliegenden gesunden Gewebe so gering wie möglich sein sollen. Der Einfluss eines externen Magnetfeldes auf die Teilchenspuren (die Teilchenspur beschreibt die räumliche Verteilung der Energiedepositionen von Primär- und Sekundärstrahlung) therapeutischer Strahlung wurde bisher noch nicht untersucht.

Eine erste Studie in dieser Richtung wurde innerhalb das EMRP Projektes HLT06 „MRI Safety“ unternommen. Hier wurde der Einfluss eines externen Magnetfeldes auf die Verteilung von Ionisationsclustergrößen (ICSD) untersucht, die eine charakteristische Größe der Teilchenspurstruktur ist. In der Studie wurden Sekundärelektronenspektren verschiedener Strahlenarten (Co-60 Photonen, 6 MV Photonen, 5 MeV und 15 MeV Elektronen) ohne und mit anliegendem Magnetfeld von 1.5 T mittels Monte Carlo Simulationen berechnet. Für diese Rechnungen wurde das sogenannte „condensed-history“ Monte Carlo System Geant4 [1] verwendet. Anschließend wurden Informationen von Elektronen, welche die Ebene des Dosismaximums durchquerten, extrahiert. Diese Informationen dienten als Eingangsparameter für eine darauffolgende Spurstruktursimulation mit dem Code PTra [2], in der die ICSD innerhalb eines DNA-Segmentes in der Größe von wenigen Nanometern berechnet wurde. Die Simulationsgeometrie für PTra ist in Abbildung 1 gezeigt.

Abb. 1: Simulationsgeometrie des DNA-Segmentes einer Länge von 10 Basenpaaren. Sekundärelektronen (Pfeile) starten an zufälliger Position und mit isotroper Richtung auf einer Ebene entlang der Zylinderachse.

Die Ergebnisse der Studie zeigten eine gute Übereinstimmung der ICSD aller vier untersuchten Strahlenarten. Weiterhin führte die Anwendung eines externen Magnetfeldes von 1.5 T zu keiner signifikanten Änderung der ICSD (Abb. 2) gegenüber der Bestrahlung ohne Magnetfeld. Die Ergebnisse sind mit der Dominanz niederenergetischer Sekundärelektronen bei der Erzeugung von ICSD in Zielvolumina nanometrischer Dimension zu erklären. Zum einen sind die niederenergetischen (< 10 keV) Anteile der Sekundärelektronenspektren der hier untersuchten Strahlenarten ähnlich, zum anderen ist deren mittlere freie Weglänge für elastische Streuung klein verglichen mit dem Krümmungsradius der Elektronenbahn aufgrund der Lorentzkraft. Demnach ist im Magnetfeld die gleiche DNA-Schädi­gung zu erwarten.

Abb. 2: Verteilung der Ionisationsclustergrößen für Co-60 ohne und mit Magnetfeld von 1.5 T.

Literatur

  1. J. Allison et al. IEEE Transactions on Nuclear Science 53: 270-278 (2006).
  2. M. U. Bug et al., Radiat. Phys. Chem. 81:1804 (2012).