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Simulation der Dosisverstärkung durch Goldnanopartikel

15.12.2016

Bild 1: Dosisverstärkung als Funktion des Abstands zum Mittelpunkt eines 30 nm Goldnanopartikels.

Die Strahlentherapie ist neben Chirurgie und Chemotherapie eine der drei Standardbehandlungen von Krebserkrankungen. Dabei wird mit Hilfe von ionisierender Strahlung ausreichend Energie in den Zellkernen von Krebszellen deponiert, um deren DNA zu zerstören und diese abzutöten. Allerdings wird auch im umliegenden, gesunden Gewebe Strahlungsenergie absorbiert, was zu Nebeneffekten und Folgeerkrankungen führen kann.

Um das Verhältnis der Energiedosis zwischen Krebszellen und gesundem Gewebe zu erhöhen, wird weltweit daran geforscht, die biologische Wirkung durch das Einbringen von Strahlungsabsorbern (z. B. Goldnanopartikel) in den Krebszellen zu verbessern und zu quantifizieren. Es hat sich gezeigt, dass makroskopische Dosiswerte nicht die biologischen Effekte wiederspiegeln [1, 2]. Der Grund hierfür ist die geringe Reichweite der meisten aus dem Nanopartikel (NP) emittierten Elektronen (unterhalb weniger Mikrometer), die zu starken Dosisgradienten in der Umgebung des NP führen.

Im Rahmen einer Masterarbeit wurde die Dosisverstärkung in der direkten Umgebung eines einzelnen Goldnanopartikels bei der Bestrahlung mit klinischen Photonenquellen (elektronische Brachytherapiequelle mit 53 kVp, Röntgenröhre mit 200 kVp, Linearbeschleuniger mit 6 MVp) in Abhängigkeit von dessen Größe untersucht. Insbesondere für Photonenfelder ist, bedingt durch die große Wahrscheinlichkeit für Photoabsorption von Gold, eine hohe Dosisverstärkung durch erzeugte Sekundärelektronen zu erwarten.

Bild 1 zeigt die mit Geant4 [3] berechnete radiale Dosisverstärkung für eine typische Größe eines Goldnanopartikels von 30 nm. Die Dosisverstärkung wurde aus dem Verhältnis der deponierten Energie mit und ohne Anwesenheit des Goldnanopartikels ermittelt. Aufgrund der höheren Wahrscheinlichkeit für Photoabsorption bei kleinen Röntgenenergien wird die höchste Dosisverstärkung für die 53 kVp Quelle erreicht, die geringste für das 6 MVp Feld des Linearbeschleunigers. Erstaunlich ist, dass selbst in einem Abstand von 300 nm noch Dosisverstärkungsfaktoren von 15 (6 kVp), 46 (200 kVp) und 200 (53 kVp) erzielt werden.

In einer menschlichen Zelle (Durchmesser 10 - 30 µm, Zellkern 5 - 15 µm) liegt die Konzentrationen von Goldnanopartikeln zwischen 2 μg/l und 2000 μg/l [2], kann aber abhängig von biokinetischen Faktoren innerhalb des Zytoplasmas schwanken. Linear zur Konzentration erhöht sich auch die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit der Photonenfelder, andererseits werden aus einem Goldnanopartikel emittierte Sekundärelektronen in den benachbarten Nanopartikeln und dem Zytoplasma gestreut oder absorbiert.

In einer Vorstudie zu Zellexperimenten, die in Kooperation mit dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf geplant und durchgeführt werden sollen, wurde eine Zelle (Durchmesser 20 μm, Zellkern 10 μm) simuliert, welche analog zur Betrachtung des einzelnen Goldnanopartikels mit einem 53 kVp Photonenfeld bestrahlt wird. Die Goldnanopartikel wurden mit Konzentrationen zwischen 600 μg/ml und 1000 μg/ml im Zytoplasma homogen verteilt, wobei die Verteilung hinsichtlich der maximalen Entfernung zum Zellkern schrittweise begrenzt wurde, um den Einfluss der räumlichen Nähe zum Zellkern zu studieren.

Bild 2 zeigt, dass die Dosisverstärkung im gesamten Zellkern in etwa linear zur Konzentration zunimmt. Aufgrund der geringen Reichweite der meisten emittierten Sekundärelektronen fällt die Dosisverstärkung stark ab, sobald sich ein Teil der einzelnen Goldnanopartikel wenige hundert Nanometer vom Zellkern entfernt befinden. Allerdings wird auch für den Fall einer homogenen Verteilung der Gold-NP innerhalb des gesamten Zytoplasmas noch eine Dosisverstärkung um Faktor 2 im Zellkern erreicht.

Bild 2: Dosisverstärkung im Zellkern als Funktion des maximalen Abstands der Gold-NP Verteilung zum Zellkern für verschiedene NP-Konzentrationen im Zytoplasma bei simulierter Bestrahlung mit einem 53 kVp Photonenfeld.

Literatur

  1. S. J. McMahon, et al., Sci. Rep. 1, 18 (2011)
  2. K. T. Butterworth, et al., Nanoscale 4, 4830 (2012)
  3. S. Incerti, et al., Nucl. Instrum. Meth. B 372, 91 (2016)

Ansprechpartner
Opens window for sending emailM. Bug, Fachbereich 6.5, Arbeitsgruppe 6.53
Opens window for sending emailT. Dressel, Fachbereich 6.5, Arbeitsgruppe 6.53