Пространственное распределение эффективности воздействия пучка электронов при его распространении в суспензии эритроцитов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Близнюк, Ульяна Александровна

• Близнюк, Ульяна Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Близнюк, Ульяна Александровна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Терапия с использованием пучков электронов.

1.2 Распределение дозового поля пучка электронов.

Методы оценки доз.

1.3 Воздействие ионизирующего излучения на биологические объекты.

Глава 2. Методика исследований.

2.1 Схема эксперимента по оценки эффективности воздействия пучка электронов в пространстве.

2.1.1. Разрезной микротрон. Блок-схема, его параметры. Характеристики пучка электронов.

2.1.2. Цилиндр для облучения суспензии пучком электронов.

2.2. Экспериментальные методы измерения дозы.

Ферросульфатный дозиметр Фрике.

2.3 Метод калиброванной электропорации для оценки скрытых повреждений мембран эритроцитов.

2.4 Программа EGS для расчета характеристик пучка в веществе.

Глава 3. Пространственное распределение биологического эффекта для различных энергий электронов.

3.1 Результаты экспериментов для энергий электронов 18МэВ,

27,3 МэВ, 37 МэВ.

3.2 Зона основного максимума распределения константы скорости гемолиза.

3.3 Экспериментальное измерение поглощенной дозы.

3.4 Область дополнительного максимума.

3.5 Распределение кинетики гемолиза при экспресс-диагностике и при длительном наблюдении.

3.6 Измерение мощности экспозиционной дозы после облучения суспензии.

Глава 4. Аналитическое исследование изменений характеристик пучка электронов при его распространении в веществе.

4.1. Сравнение параметров основного максимума теоретически рассчитанного распределения поглощенной дозы и экспериментального распределения константы скорости гемолиза.

4.2. Зависимость относительной константы скорости гемолиза от поглощенной дозы в диапазоне от 8 Гр до 4500 Гр.

4.3 Расчет спектров пучка электронов.

4.3.1. Спектры пучка электронов с начальной энергией 37 МэВ.

4.3.2. Спектры пучка электронов с начальной энергией 27,3 МэВ.

4.3.3. Спектры пучка электронов с начальной энергией 18 МэВ.

4.4 Ионизационные потери энергии электронов.

4.5 Оценка относительной константы скорости гемолиза в зависимости от характеристик пучка.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственное распределение эффективности воздействия пучка электронов при его распространении в суспензии эритроцитов»

Актуальность темы

Анализ и исследование явлений, возникающих в результате воздействия радиации на биологические объекты, представляет собой одно из актуальных направлений прикладной ядерной физики и радиобиологии. Для оценки степени поражения живого объекта важен учет характера, способа его облучения, т.е. распределения поглощенной энергии во времени и пространстве. Учет всех параметров облучения особенно необходим при проведении лучевой терапии, где необходимо минимизировать воздействие на здоровые окружающие ткани при максимальном поражении опухолевых клеток. При этом принято считать, что эффективность воздействия ионизирующего излучения на ткани в основном определяется величиной поглощенной дозы. Величина поглощенной дозы учитывает среднюю энергию, абсорбированную облучаемым объектом, и не учитывает способность производить различные радиационные эффекты в зависимости от физических характеристик излучения.

В современной литературе широко обсуждается вопрос о воздействии ионизирующего излучения на ДНК. Есть данные, свидетельствующие о зависимости биологического эффекта на уровне ДНК от линейной передачи энергии (ЛПЭ) частиц. При облучении клеток различными частицами с разными ЛПЭ в одной дозе частота возникновения мутаций и хромосомных аббераций неодинакова. Для всех типов клеток выявлен нелинейный характер зависимости биологического эффекта от дозы облучения.

Считается, что при облучении клетки критической мишенью радиационного воздействия, наряду с ДНК, является мембрана. Ряд работ посвящен исследованию физических аспектов формирования радиационного повреждения биологических мембран при действии различных видов излучения. Известно, что для эффектов воздействия на биологические мембраны характерно появление скрытых повреждений.

Проблема нелинейной зависимости радиационного эффекта от ЛПЭ частиц тесно связана с задачами дозиметрии. В современной радиобиологии развиваются дозиметрические методы в фантомных измерениях, учитывающие изменения чувствительности используемой аппаратуры в зависимости от меняющейся энергии пучка и ЛПЭ.

Широко применяются математические методы и компьютерные программы для исследования глубинных распределений физических характеристик ионизирующих излучений при их прохождении в веществе, такие как EGS, GEANT и т.д.

Актуальной остается разработка адекватных модельных систем для определения интенсивности воздействия ионизирующего излучения. Проводятся исследования клеточных популяций растений как тестовой системы для оценки радиационной экологической обстановки того или иного региона. Индуцированные ионизирующим излучением структурные изменения клеточных мембран предлагается рассматривать как основу для создания биоиндикаторов оценки интенсивности воздействия ионизирующего излучения.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию пространственного распределения эффективности воздействия на мембраны эритроцитов пучка электронов различных энергий при его распространении в суспензии эритроцитов.

Цель работы

Экспериментально исследовать распределение константы скорости гемолиза эритроцитов при облучении суспензии эритроцитов пучком электронов различных энергий; получить аналитическое и экспериментальное распределения поглощенной дозы для различных 5 энергий пучка электронов; провести анализ спектральных характеристик пучка электронов при его прохождении в среде; исследовать взаимосвязь между изменением спектральных характеристик пучка электронов и характерным видом распределения биологического эффекта.

Научная новизна работы

1. Экспериментально с помощью метода калиброванной электропорации исследовано распределение константы скорости гемолиза эритроцитов в зависимости от расстояния, пройденного ускоренными электронами в суспензии.

2. Пространственное распределение константы скорости гемолиза имело два локальных максимума: область основного максимума в начале пробега электронов и область дополнительного максимума в конце пробега.

3. Экспериментально исследованы величина и взаимное расположение основного и дополнительного максимумов в зависимости от энергии электронов, тока пучка, времени облучения.

4. Проведен анализ изменения спектральных характеристик пучка электронов при его распространении в среде.

Достоверность научных результатов и выводов обеспечена использованием хорошо апробированных методик, строгим соблюдением условий экспериментов, высокой степенью воспроизводимости опытных данных. Результаты исследований, полученные с использованием общеизвестной библиотеки EGSnrc, находятся в хорошем согласии с проведенными экспериментальными исследованиями и также с имеющимися данными модельных расчетов и экспериментальных измерений других авторов.

Практическая и научная ценность работы

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в медицине для прогнозирования глубинного распределения биологического эффекта при проведении лучевой терапии с использованием пучков электронов.

Приведенный метод анализа изменения спектральных характеристик пучка электронов при прохождении в среде может быть применим для аналитического исследования распределения биологического эффекта при воздействии пучка электронов.

Основные положения, выносимые на защиту

Пространственное распределение эффективности воздействия пучка электронов на мембраны эритроцитов в суспензии характеризуется двумя зонами: зоной основного максимума (в начале пробега электронов) и зоной дополнительного максимума (в конце пробега электронов).

Параметры распределения эффективности воздействия (величины и взаимное расположение основного и дополнительного максимумов) определяются спектральными характеристиками пучка при его распространении в суспензии эритроцитов.

Апробация диссертации

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались автором на международных и российских конференциях, в том числе, на конференции «Ломоносовские чтения» 2005, 2006 года (МГУ им. М.В. Ломоносова), на III международном симпозиуме «Проблемы биохимии, радиационной и космической биологии» (Дубна, 2007), на международной конференции европейского общества исследователей красных клеток крови EARCR (Oxford, 2007).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в реферируемых журналах «Вестник МГУ. Физика и астрономия» (2), «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника» (1), «Технология живых систем» (1), «Медицинская физика» (4), «Патологическая физиология и экспериментальная терапия» (1).

Личный вклад автора

В основу диссертации легли результаты исследований, выполненные в Московской медицинской академии им И.М. Сеченова, в НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцина. Экспериментальные исследования проведены на разрезном микротроне Отдела электромагнитных процессов и взаимодействий с атомными ядрами НИИЯФ МГУ, на кафедре физики . ускорителей высоких энергий физического факультета МГУ и на кафедре медицинской и биологической физики ММА им. И.М. Сеченова при непосредственном участии автора. Анализ и обобщение результатов также осуществлялись автором.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав текста, заключения, списка литературы. Полный объем диссертации составляет 110 страниц, включая 50 рисунков и 5 таблиц, библиография включает 55 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Близнюк, Ульяна Александровна

Выводы

1. Экспериментально исследовано пространственное распределение константы скорости гемолиза в результате воздействия пучка электронов на суспензию эритроцитов. Установлено, что наряду с основным максимумом распределения константы скорости гемолиза в начале пробега электронов, обнаружен дополнительный максимум в конце пробега. С возрастанием энергии электронов ширина основного максимума хосн- возрастает: для £=18 МэВ ЛГ^-=(10,5±1,5) см, для £=27,3 МэВ х°™г=(\2,5±\,5) см, для £=37 МэВ

Х3°7ск=(16,5±1,5)см.

2. С возрастанием начальной энергии электронов изменяются параметры распределения константы скорости гемолиза: a. расстояние между основным и дополнительным максимумами & г увеличивается: при £=18 МэВ дхп= (13,1±1,5) см, при £=27,3 МэВ &273=(16,1±1,5) см, при£=37 МэВ &37=(21,1±1,5) см; b. ширина дополнительного максимума увеличивается: при £=18 МэВ =(9,68±1,5) см, при £=27,3 МэВ &2°£=(10,86±1,5) см, при

37 МэВ &3°/=(16,36±1,5) см.

3. Зависимость относительной константы скорости гемолиза от экспериментально измеренной поглощенной дозы в диапазоне от 8 до 4500 Гр носит нелинейный характер.

4. Анализ спектральных характеристик пучка электронов при его распространении в веществе позволяет оценить эффективность его воздействия на мембраны эритроцитов в различных участках пробега.

Автор выражает благодарность за неоценимую помощь в подготовке диссертации своим научным руководителям зав. кафедрой Физики ускорителей высоких энергий, доктору физико-математических наук, профессору Черняеву Александру Петровичу и профессору кафедры Медицинской и биологической физики ММА им. И.М. Сеченова, доктору физико-математических наук Козловой Елене Карловне, а также профессору кафедры Медицинской и биологической физики ММА им. И.М. Сеченова, доктору биологических наук Чернышу Александру Михайловичу; доктору физико-математических наук, профессору Борису Саркисовичу Ишханову за возможность проведения экспериментов в НИИЯФ им. Д.В. Скобельцина; сотруднику НИИЯФ им. Д.В. Скобельцина, кандидату физико-математических наук, Ермакову Андрею, кандидату биологических наук, сотруднику кафедры Биофизики Биологического Факультета МГУ Дееву Леониду Ивановичу, сотруднику кафедры Физики ускорителей высоких энергий, Алексеевой Полине Юрьевне, кандидату физико-математических наук Козлову Александру Павловичу, студентке кафедры Физики ускорителей высоких энергий Гудковой Ольге за совместное проведение экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Близнюк, Ульяна Александровна, 2007 год

1. Бочарова И.А. Электронная лучевая терапия и области ее применения.//Медицинская физика. №7. С.З3.2000

2. Desrosier С., Moscvin V., Bielajew A.F., Papiez L. 150-250 MeV electron beams in radiation therapy.// Phys.Med.Biol. №45,C. 1781.2000

3. Bufacchi A., Carosi A., Adorante N. et al. In vivo EBT radiochromic film dosimetry of electron beam for Total Skin Electron Therapy (TSET).//Phys.Med. №23(2). P.67-72.2007

4. Chen Z., Agostinelli AG, Wilson LD, Nath R. Matching the dosimetry of a dual-field Standford technique to a customized single-field Standford technique for total skin electron therapy.// Int.J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. №59(3). P.872-85.2004

5. Luo Zhengming and David Jette. On the possibility of determining an effective energy spectrum of clinical electron beams from percentage depth dose (PDD) data of broad beams. Phys. Med.Biol. №44. P. 177-182.1999

6. Hyodynmaa. S., Gustafsson A., Brahme A.// Optimization of conformal electron beam therapy using energy and fluence modulated beams//www.e-library.ru

7. Каннингхам Дж. Методы вычисления доз при планировании облучения. Медицинская физика,6.1999

8. Sorcini В.В., Hyodynmaa. S., Brahme A.// Phys. Med.Biol. №42. P.1849-1873.1997

9. A. Ahnesjo. A pencil beam model for photon dose calculation.//Med.Phys.V. 19.P.263-274.1992

10. A. Ahnesjo. Collapsed cone convolution of radiant energy for photon dose calculation.//Med.Phys.V.16.P.577-592.1989

11. W. Ulmer., D. Harder. A triple Gaussian pencil model for photon beam treatment planning.// Med.Phys.V.5.P.25-30.1985

12. Syme A.M., Kirkby C., Riauka T.A. Monte Carlo investigation of single cell beta dosimetry for intraperitonal radionuclide therapy//Phys.Med.Biol. V.49. P.1959-1972.2004

13. R. Doucet. Jr. Experimantal verification of Monte Carlo calculated dose distribution for clinical electron beams//www.e-library.ru

14. Reynaert N., S.C. van der Marck, D.R. Schaart et al. Monte Carlo treatment planning for photon and electron beams//Rad. Phys. And Chem. V.76. P.643-686.2007

15. F.Ziaie, z Zimeh, S. Bulka et al. Calculated and mesuared dose distribution in electron and X-ray irradiated water phantom//Rad.Phys. and Chem.V.63.P.177-183.2002

16. R. Doucet, M. Olivares, F. Deblois et al. Comparision of measured and Monte Carlo calculated dose distribution in inhomogeneous phantoms in clinical electron brams//Phys. Med. Biol. V.48. P.2339-2354.2003

17. Biersack J.P. Haggmark L.G. Nucl.Instr. Meth. V.174.P.257.1980

18. Ford R.L., Nelson W.R., The EGS code system-sersion 3. Standford Linear Accelerator Center Report. SLAC-210

19. Brun R„ Hansroul M., Lassalle. GEANT User's guide.CERN.1982

20. Breismeister J.F. MCNP4 a general Monte Carlo Code for neutron? Photon and electron transport, Report LANL, 7369-M, Rev.4, LANL,1991

21. Zerby C.D., Moryan H.S. A Monte Carlo calculation of the three dimensional development of high-energy electron cascade showers. Report ORNL-TM-422.1962

22. Satherberg A., Johansson L. Photonuclear production in tissue for different 50 MV bremstrahlung beams.//Med. Phys.V.25.P.683.1998

23. Allen P.D., Chaudhri M.A. The dose contribution due to photonuclear reaction during radiotherapy.// Med. Phys.V.9.P.904.1982

24. Spurny F., Johansson L., Satherberg A. et.al.//The contribution of secondary heavy particles to the absorbed dose from high energy photon beam// Med. Phys. V.41 .P.2643.1996

25. Ahnesjo A., Weber L., Nilsson P. Modeling transmission and scatter or photon beam attenuator.// Med. Phys.V.22.P. 1711.1995

26. B. Reniers, F. Verhaegen, S. Vyncker The radial dose function of low-energybrachytherapy seeds in different solid phantoms: comparision detweencalculation with the EGSnrc and MCNP4C Monte Carlo Codes//Phys.Med.Biol. V.49.P.1569-1582.2004

27. Мумот M., Мицын Г.В., Молоканов А.Г. Измерения распределения доз протонного пучка с использованием радиохромных пленок// Сообщение ОИЯИ.Е 18-2006-62

28. Gamble LM, Farelli TJ, Jones GW, Hayward JE. Two-dimensional mapping of underdosed areas using radiochromic film for patients undergoing total skin electron beam radiotherapy// Int. J. Radiat. Oncol.Biol.Phys. V.62(3).P.920-924.2005

29. A. Bufacchi, A. Carosi, N. Adorante et al. In vivo EBT radiochromic film dosimetry of electron beam for total skin electron therapyWPhysica Medica.V.23.P.67-72.2007

30. Cheung Т., Butson MJ, Yu PK. Post-irradiation colouration of Gafchromic EBT radiochromic film//Phys. Med.Biol.V.50(20).P.281-285.2005

31. Белоусов A.B., Черняев А.П. Модуляция распределения дозы при облучении фотонами и электронами//Технологии живых систем, т.3.№1. С.51-55.2006

32. Белоусов А.В., Черняев А.П., Янушевская Т.П. Влияние фотоядерных реакций на ОБЭ пучков тормозных фотонов//Наукоемкие технологии.№ 10.C.3-10.2004

33. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения).Физматлит.2004

34. Красавин Е.А., Говорун Р.Д., Шмакова H.JI. и др. Генетическое воздействие излучений с разными физическими характеристиками на клетки человека и млекопитающих//Издательский отдел ОИЯИ. Физика элементарных частиц и атомного ядра.2004

35. Benderitter М, Vincent-Genod L, Berroud A, Muller S, Donner M, Voisin P. Radio-induced structural membrane modifications: a potential bioindicator of ionizing radiation exposure?// Int. J. Radiat. Biol. 1999

36. Древаль В.И., Сичевская JI.B., Дорошенко B.O., Рошаль А.Д. Структурные изменения в белках мембран эритроцитов под действием радиации // Биофизика. 2000. Т. 45, вып.5. С. 836 838

37. Древаль В.И., Сичевская JI.B. Уменьшение связи гемоглобина с мембраной эиртроцита под действием ионизирующего излучения // Биофизика. 2000. Т 45, вып. 6. С. 1086- 1088.

38. Jin Y. S., Anderson G., Mintz P.D. Effects of gamma irradiation on red cells from donors with sickle cell trait // Transfusion. 1997. 37 (8). P. 804 808.

39. Stensrud G., Passi S., Larsen Т., Sandset P.M., Smistad G., Monkkonen J., Karlsen J. Toxicity of gamma irradiation liposomes. In vitro interaction with blood components // Int J Pharm. 1999. V. 178(1). P. 33-46.

40. Koziczak R., Krokosz A., Szweda-Lewandowska Z. Effect of dose-rate and dose fractionation on radiation-induced hemolysis of human erythrocytes. Biochem Mol Biol Int 1999 May

41. Dreval VI, Sichevskaia LV, Doroshenko AO, Roshal AD. Radiation-induced changes in the structure of erythrocyte membrane proteins. Biofizika 2000 Sep

42. Dreval VI, Sichevskaia LV. Exposure to ionizing radiation decreases hemoglobin binding to erythrocyte membrane. Biofizika 2000 Nov

43. Jin YS, Anderson G, Mintz PD. Effects of gamma irradiation on red cells from donors with sickle cell trait. Transfusion 1997 Aug

44. Hofer M, Viklicka S, Gerasimenko VN, Kabachenko AN. Effects of sublethal irradiation with helium ions (300 Mev/nucleon) on basic hematological parameters of mice. Acta Astronaut 1994 Nov

45. Kajioka EH, Gheorghe C, Andres ML, Abell GA, Folz-Holbeck J. Effects of proton and gamma radiation on lymphocyte populations and acute response to antigen. In Vivo 1999 Nov

46. Neamtu S, Morariu VV, Turcu I, Popescu AH, Copaescu LI. Pore resealing inactivation in elctriporated erythrocyte membrane irradiated with electrons. Bioelectrochem Bioenerg 1999 May

47. Zaborowski A., Szweda-lewandowska Z. The influence of dose fraction on radiation-induced haemolysis of human erythrocytes // Cell Biol. Int. 1997. V. 21(9). P. 559-563.

48. Koziczak R.} Gonciars M., Krokosz A., Szweda-Lewandowska Z. The influence of split doses of gamma- radiation on of human erythrocytes. Radiat. Res. 2003.44(3). P. 217 222.

49. Кузин A.M. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на биологические процессы: к проблеме биологического действия малых доз. М.: Атомиздат, 1977. С.284.

50. Козлова Е.К., Черняев А.П., Шведунов В.И. и др. Особенности комбинированногодействия пучка ускоренных электронов и импульсного электрического поля на биологические клетки//Биомедицинские технологии и радиоэлектроника.№5-6.С.65-74.2004

51. Shvedunov V.I., A.I. Karev, V.N. Melenkin, N.P. Sobenin, W.P. Trower. Improved mobile 70 MeV Race-Track Microtron. // Int. conf. IEEE РАС '95, Switzeland, sec. "Accelerators and storage rings". 1995. P. 804 806.

52. Верещинский В.И., Пикаев A.K. Введение в радиационную химию//Издательство Академии Наук СССР. 1963

53. Grossweiner LI. Ionization radiation, www.photobiology.com