چکیده

1- مقدمه یکی از مهترین مزایای باریکه‌های کربن برای درمان سرطان، وجود یک قله براگ تیز در انتهای برد ذره است که غالب انرژی خود را در آن ناحیه تخلیه می‌کند. نتیجه بارز آن، سپارش بیشینه دز به تومور و محافظت بیشینه از بافت‌های سالم مجاور می‌باشد [1]. پیشرفت‌های اخیر در تصویربرداری با هدایت تصویر (IGRT) منجر به توسعه دستگاه‌های پرتودرمانی شده است که سیستم تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) را با دستگاه‌های پرتودرمانی ترکیب کرده است. از طرف دیگر، مطالعات زیادی در مورد مزایای نانوذرات در بهبود خروجی پرتودرمانی انجام شده است [2]. اخیراً اثر یک میدان مغناطیسی عرضی با شدت‌های مختلف بر افزایش دز ناشی از حضور نانوذرات طلا و اکسید آهن سوپرپارامغناطیس (Fe3O4) برای یک باریکه پروتون، با شبیه‌سازی با کد مونت کارلوی TOPAS، مورد بررسی قرار گرفته است [3]. در هر حال، اثر افزایش دز ناشی از نانوذرات در حضور میدان مغناطیسی هنوز یک مسأله چالش‌برانگیز بوده و نیازمند مطالعه بیشتری است. در این مقاله، اثر یک میدان مغناطیسی عرضی با شدت T 0، T 1.5 و T 3 با حضور نانوذرات از جنس طلا (با چگالی g/cm3 17/5) و Fe3O4 (با چگالی g/cm3 3/19) بر آسیب مستقیم واردشده بر DNA توسط باریکه کربن با کد Geant4-DNA [4] مورد مطالعه قرار گرفت. 2- روش انجام تحقیق 2-1- هندسه یک مدل ساده سلولی شامل دو حجم کروی هم‌مرکز از جنس آب با قطرهای µm 9/0 و µm 5/0 ساخته شد. این دو کره به ترتیب نمایانگر حجم سیتوپلاسم و هسته سلول هستند. نانوذرات با قطر nm 15 به طور یکنواخت در حجم سیتوپلاسم تکثیر شدند، به طوری که حدود 40% از حجم سیتوپلاسم توسط نانوذرات اشغال شد [5]. برای اینکه تعداد شکست تک رشته‌ای (SSB) و دورشته‌ای (DSB) در DNA ارزیابی گردد، یک مدل هندسی DNA به هندسه سلول اضافه گردید. این مدل شامل 330 قطعه DNA به طول 100 جفت‌باز (bp) است که به طور تصادفی در حجم هسته سلول توزیع یافته است. بنابراین، طول کل مدل DNA به kbp 33 می‌رسد. جفت‌بازهای DNA به صورت قرص‌های استوانه‌ای با شعاع nm 5/0 و طول nm 33/0 تعریف شدند. برای مدل‌سازی هرکدام از قسمت‌های قند و فسفات DNA، یک ربع استوانه با شعاع داخلی و خارجی nm 5/0 و nm 185/1 شبیه‌سازی شد. هر دو مقطع استوانه‌ای در جهت مقابل، به اندازه 36 درجه نسبت به جفت باز قبلی چرخیدند تا شکل مارپیچ‌وار DNA ایجاد شود. 2-2- چشمه تابش و فیزیک برهمکنش‌ها یک باریکه از یون کربن با انرژی MeV/n 130 و MeV/n 300 با شعاع mm 2.5 به عنوان چشمه تابش تعریف گردید که به یک فانتوم آب با ابعاد cm3 20×20×20 برخورد می‌کند. اطلاعات مربوط به ذرات ثانویه تولید شده در قله براگ در یک فضای فاز با ابعاد cm3 3/0×3×3 ذخیره شدند و سپس این فایل فضای فاز به یک صفحه کوچکتر به عنوان یک چشمه سطحی جدید با ابعاد cm2 9/0×9/0 مقیاس‌بندی شد تا مدل سلولی را تحت تابش قرار دهد. مدل فیزیکی مورد استفاده در مقیاس سلولی، مدل پیش‌فرض یعنی G4EmDNAPhysics_option2 می‌باشد [4]. از آنجا که برهمکنش‌های فیزیکی در Geant4-DNA تنها برای محیط آب معتبر است، برای برهمکنش تابش در نانوذرات از مدل G4EmLivermorePhysics استفاده گردید. 2-3- محاسبه آسیب DNA فراوانی SSB و DSB با استفاده از یک الگوریتم ساده که در آن دو آستانه انرژی و مسافت نقش داشتند، محاسبه شد. اگر مقدار سپارش انرژی در یک حجم قند و یا فسفات DNA بزرگتر از آستانه انرژی یونیزاسیون مولکول آب (eV 10.79) باشد، یک شکست DNA رخ می‌دهد. این شکست، یک SSB فرض می‌شود به شرط آنکه سپارش انرژی دیگری بزرگتر از eV 10.79 در رشته دوم DNA و در فاصله کمتر از bp 10 رخ ندهد. بنابراین اگر فاصله بین دو SSB متوالی در دو رشته مخالف DNA، کمتر از آستانه فاصله یعنی bp 10 (nm 3.3) باشد، یک DSB شمارش می‌شود. نسبت افزایش دز (DER) و نسبت افزایش دز مغناطیسی (MDER) به صورت زیر تعریف می‌شوند [3]: DER="دز در آب با حضور نانوذره" /"دز در آب بدون حضور نانوذره" (1) MDER="دز در آب با حضور نانوذره با حضور میدان مغناطیسی" /"دز در آب با حضور نانوذره بدون حضور میدان مغناطیسی" (2) 3- نتایج و بحث فراوانی SSB و DSB بهنجارشده به دز نهشت شده کل در هسته سلول (Gy) و به ازای تعداد کل جفت بازها (Gbp) برای هر نانوذره با جنس Fe3O4 در شکل 1 نشان داده شده است. دو شدت مختلف برای میدان مغناطیسی در نظر گرفته شد که بالای قسمت انرژی باریکه کربن در شکل 1 مشخص شده‌اند. شکل 2 و 3 به ترتیب مقادیر DER و مقادیر MDER را برای نانوذرات از جنس طلا و Fe3O4 نشان می‌دهند. شکل1: فراوانی شکست تک رشته‌ای و دورشته‌ای DNA به ازای مقدار دز رسیده به هسته سلول و طول رشته DNA، با حضور میدان مغناطیسی T 0 و T 3 برای باریکه کربن با انرژی MeV/n 130 و MeV/n 300 شکل2: نسبت افزایش دز ناشی از حضور نانوذرات طلا و Fe3O4 در حضور میدان مغناطیسی با سه شدت مختلف شکل3: نسبت افزایش مغناطیسی دز ناشی از حضور نانوذرات طلا و Fe3O4 همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، یک میدان مغناطیسی عرضی با شدت T 1.5 و T 3 اثر محسوسی بر میزان آسیب رسیده به DNA (SSB و DSB) ناشی از یک باریکه کربن با انرژی MeV/n 130 و MeV/n 300 نمی‌گذارد. همچنین با توجه به شکل‌های 2 و 3 نتیجه گرفته می‌شود که حضور میدان مغناطیسی عرضی اثر قابل توجهی بر میزان افزایش دز ناشی از نانوذرات طلا و Fe3O4 با قطر nm 15 نخواهد داشت. هرچند در مورد نانوذرات طلا، هر دو کمیت DER و MDER نسبت به نانوذرات Fe3O4 مقدار بیشتری دارند که این به عدد اتمی بالاتر طلا برمی‌گردد؛ چراکه احتمال برهمکنش ذرات ثانویه، که عمدتاً فوتون‌های کم‌انرژی هستند، با ماده با عدد اتمی بالا، بیشتر خواهد بود. این نتیجه با نتایج حاصل از مرجع [3] در مورد باریکه پروتونی با انرژی MeV 70 و MeV 150 کاملاً منطبق است. این داده‌ها برای قطرهای مختلف نانوذرات تکرار شد و همین نتایج حاصل شدند که به جهت اختصار از آوردن آن‌ها صرف نظر شده است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که به کارگیری سیستم‌های تصویربرداری MRI ادغام‌شده با دستگاه‌های کربن درمانی با هدف پرتودرمانی با هدایت تصویر، ایمن و قابل‌استفاده به نظر می‌رسد؛ هرچند مطالعات تجربی نیز برای صحت‌سنجی داده‌های این شبیه‌سازی توصیه می‌گردد.

کليدواژه ها

کربن‌درمانی، پرتودرمانی با هدایت تصویر، میدان مغناطیسی، نانوذرات طلا

کد مقاله / لینک ثابت به این مقاله

برای لینک دهی به این مقاله، می توانید از لینک زیر استفاده نمایید. این لینک همیشه ثابت است :

نحوه استناد به مقاله

در صورتی که می خواهید در اثر پژوهشی خود به این مقاله ارجاع دهید، به سادگی می توانید از عبارت زیر در بخش منابع و مراجع استفاده نمایید:
صدیقه سینا , 1400 , بررسی اثر میدان مغناطیسی بر آسیب رسیده به DNA ناشی از حضور نانوذرات در باریکه کربن، با کد مونت‌کارلوی Geant4-DNA , ششمین کنفرانس(مجازی) سنجش و ایمنی پرتوهای یونساز و غیر یونساز