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Nanodosimetrische Charakterisierung der Spurstruktur von Protonen in einem Spread-Out Bragg-Peak

20.12.2019

Im Rahmen des BioQuaRT-Projekts [1] wurde ein einfacher Zusammenhang zwischen nanodosimetrischen Eigenschaften der Partikelspurstruktur und der Zellinaktivierung gefunden [2]. Für den potenziellen Einsatz in klinischen Situationen wurden Optionen untersucht, um nanodosimetrische Ergebnisse für einzelne Ziele auf die Voxelebene zu übertragen [3]. In weiterführenden Arbeiten wurde nun das Problem der Variation der relativen biologischen Wirksamkeit (RBE) in einem so genannten Spread-Out Bragg-Peak (SOBP) von Protonen auf der Basis einer nanodosimetrischen Spurstrukturanalyse untersucht [4].

Die Ionisationsspurstruktur wurde unter Verwendung von Geant4-DNA für Protonen mit 100 MeV Anfangsenergie simuliert, die sich in Wasser ausbreiten. Die Häufigkeitsverteilung von Ionisationsclustern, die in Zielvolumina entsprechend einem 10-Basenpaare-DNA-Segment gebildet wurden, wurde als Funktion des radialen Abstands zwischen dem Zielvolumen und der Protonentrajektorie für eine Reihe von Positionen entlang der Protonenspur bestimmt. Die radialen Abhängigkeiten der komplementären kumulativen Wahrscheinlichkeiten F1, F2, F3 und F4 für die Erzeugung von mindestens 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4 Ionisationen im Zielvolumen wurden numerisch integriert, um Wahrscheinlichkeitsflächenprodukte oder effektive Spurquerschnitte (effective track cross sections - ETCSs) in Abhängigkeit von der Restreichweite des Protons zu erhalten. Die Ergebnisse wurden dann mit einem in der Literatur vorgeschlagenen Verfahren zur Konstruktion eines SOBPs für die absorbierte Energiedosis benutzt, um aus ebenfalls simulierten Reichweiteverteilungen die nanodosimetrischen Äquivalente eines SOBPs zu erzeugen.

 

Abb.1:  Relative Variation der effektiven Flächenintegrale der nanodosimetrischen komplementär kumulativen Wahrscheinlichkeiten F2 bis F4 für eine Reichweitenverteilung, die zu einem konstanten Flächenintegral der absorbierten Energie entlang eines Protonen-SOBPs führt. Die maximale anfängliche Protonenenergie beträgt 100 MeV und die relative Breite des SOBP beträgt 25% der maximalen Reichweite. Das rechte Feld zeigt eine Nahaufnahme der SOBP-Region. Alle Kurven wurden auf ihren jeweiligen Wert bei einer Weglänge von 60 mm normiert. Das Flächenintegral der absorbierten Energiedosis ist ebenfalls gezeigt (schwarze Linie).

Die radiale Abhängigkeit der Bildung von Ionisationsclustern in der so genannten Penumbra der Ionenspur zeigte einen Übergang von einem inversen Potenzgesetz zu einem exponentiellen Verhalten am Spurende. Die ETCS zeigen eine Zunahme im Bereich der distalen Kante des Protonen-SOBP, die sich in qualitativer Übereinstimmung mit radiobiologischen Beobachtungen einer erhöhten Zellschädigung in dieser Region befindet (Abbildung 1).

Die Ergebnisse zeigen, dass nanodosimetrische Spurstruktureigenschaften genutzt werden können, um die Variation der Wahrscheinlichkeit für die Induktion letaler Strahlenschäden in biologischen Zellen qualitativ vorherzusagen. In weitergehenden Untersuchungen soll festgestellt werden, ob die Verwendung unterschiedlicher Zielvolumengrößen und Korrelationen zwischen Zielvolumina eine quantitative Vorhersage ermöglicht.

Literatur

(1)   H. Palmans, H. Rabus, A. L. Belchior, M. U. Bug, S. Galer, U. Giesen, G. Hilgers, D. Moro, H. Nettelbeck, M. Pinto, A. Pola, S. Pszona, G. Schettino, P. H. G. Sharpe, P. Teles, C. Villagrasa, J. J. Wilkens: Future development of biologically relevant dosimetry; Br. J. Radiology 88: 20140392 (2015)

(2)   V. Conte, A. Selva, P. Colautti, G. Hilgers, H. Rabus: Track structure characterization and its link to radiobiology; Radiat. Meas. 106, 506-511 (2017)

(3)   F. Alexander, C. Villagrasa, H. Rabus, J. J. Wilkens: Local weighting of nanometric track structure properties in macroscopic voxel geometries for particle beam treatment planning; Phys. Med. Biol. 60, 9145–9156 (2015)

(4)   H. Rabus, S. A. Ngcezu, T. Braunroth, H. Nettelbeck: “Broadscale” nanodosimetry: Nanodosimetric track structure quantities increase at distal edge of spread-out proton Bragg peaks; Rad. Phys. Chem. 168, 108514 (2020)