scholarly journals Ionizing Radiation and Complex DNA Damage: Quantifying the Radiobiological Damage Using Monte Carlo Simulations

Cancers ◽  
2020 ◽  
Vol 12 (4) ◽  
pp. 799 ◽  
Author(s):  
Konstantinos P. Chatzipapas ◽  
Panagiotis Papadimitroulas ◽  
Dimitris Emfietzoglou ◽  
Spyridon A. Kalospyros ◽  
Megumi Hada ◽  
...  
Keyword(s):  
Dna Damage ◽  
Monte Carlo ◽  
Ionizing Radiation ◽  
Monte Carlo Simulations ◽  
High Energy ◽  
Radiation Biology ◽  
Medical Procedures ◽  
Promising Tool ◽  
Need To Evaluate ◽  
Mc Simulation

Ionizing radiation is a common tool in medical procedures. Monte Carlo (MC) techniques are widely used when dosimetry is the matter of investigation. The scientific community has invested, over the last 20 years, a lot of effort into improving the knowledge of radiation biology. The present article aims to summarize the understanding of the field of DNA damage response (DDR) to ionizing radiation by providing an overview on MC simulation studies that try to explain several aspects of radiation biology. The need for accurate techniques for the quantification of DNA damage is crucial, as it becomes a clinical need to evaluate the outcome of various applications including both low- and high-energy radiation medical procedures. Understanding DNA repair processes would improve radiation therapy procedures. Monte Carlo simulations are a promising tool in radiobiology studies, as there are clear prospects for more advanced tools that could be used in multidisciplinary studies, in the fields of physics, medicine, biology and chemistry. Still, lot of effort is needed to evolve MC simulation tools and apply them in multiscale studies starting from small DNA segments and reaching a population of cells.

Development of cell and protein scale dosimetry tools, and their applications for the optimization of therapeutic protocols using Monte Carlo simulations

2021 ◽  
Author(s):  
Κωνσταντίνος Χατζηπαπάς
Keyword(s):  
Dna Damage ◽  
Monte Carlo ◽  
Ionizing Radiation ◽  
Monte Carlo Simulations ◽  
Dna Damage Response ◽  
Damage Response ◽  
Therapeutic Protocols

Η παρούσα διδακτορική μελέτη, με τίτλο «Ανάπτυξη εργαλείων δοσιμετρίας σε κυτταρικό και πρωτεϊνικό επίπεδο και εφαρμογή τους για τη βελτιστοποίηση θεραπευτικών πρωτοκόλλων με τη χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo», είχε ως στόχο την ανάπτυξη ενός εργαλείου υπολογισμού που θα έχει την ικανότητα να εκτιμά την απόκριση του DNA σε βλάβες (DDR) που δημιουργούνται όταν ιονίζουσα ακτινοβολία (IR) αλληλεπιδρά με τη έμβια ύλη. Αυτό το υπολογιστικό εργαλείο στοχεύει στη χρήση του σε κλινικές εφαρμογές είτε για προσομοιώσεις είτε για τη χρήση δεδομένων που έχουν παραχθεί από τη χρήση του. Απώτερος στόχος είναι η βελτιστοποίηση και η εξατομίκευση θεραπευτικών και απεικονιστικών κλινικών πρωτοκόλλων.Η διατριβή έχει οργανωθεί σε 5 κεφάλαια, για την εύκολη κατανόηση του συνόλου της μελέτης. Στο πρώτο κεφάλαιο συζητούνται κάποιες γενικές εισαγωγικές θεωρητικές έννοιες σχετικά με τον τομέα της ραδιοβιολογίας και τη χρησιμότητα της μικρο- και νανο-δοσιμετρίας. Παρουσιάζονται επίσης οι δημοσιεύσεις που εκπονήθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της διδακτορικής διατριβής (ΔΔ). Το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί μια αναλυτική ανασκόπηση των μελετών που έχουν διερευνήσει διάφορες πτυχές των διαδικασιών προσομοίωσης σχετικά με τον ποσοτικό προσδιορισμό της βλάβης του DNA από την ιονίζουσα ακτινοβολία. Οι κώδικες περιγραφής των τροχιών που ακολουθούνται από στοιχειώδη σωμάτια συζητούνται εκτενώς σε αυτό το κεφάλαιο. Επιπλέον, διάφορες τεχνικές σχετικά με το σχεδιασμό τρισδιάστατων μοντέλων μορίων DNA, καθώς και τεχνικές αποκατάστασης της βλάβης του DNA συζητούνται επίσης σε αυτό το κεφάλαιο.Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει μια νέα τεχνική που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της μελέτης. Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει τη χρήση ενός πρωτοτύπου DNA δοσιμέτρου, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον ποσοτικό προσδιορισμό των σημείων διπλής διάσπασης της έλικας του DNA (DSB), όταν γραμμικά μόρια DNA ακτινοβολούνται από ένα κλινικό γραμμικό επιταχυντή (LINAC). Αυτή η πειραματική διαδικασία στη συνέχεια μοντελοποιήθηκε και προσομοιώθηκε στο Geant4-DNA. Αυτή η διαδικασία επικυρώθηκε και παράλληλα αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συσχετίσει τη δόση με τον αριθμό των DNA DSB.Το τέταρτο κεφάλαιο περιγράφει την πλατφόρμα προσομοίωσης που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής εργασίας. Το IDDRRA (DNA Damage Response to Ionizing RAdiation) είναι μια εργαλειοθήκη που αναπτύχθηκε για να χρησιμοποιηθεί στην κλινική πράξη, για τον ποσοτικό προσδιορισμό της DDR. Το IDDRRA περιλαμβάνει εξειδικευμένα εργαλεία για το σχεδιασμό τρισδιάστατων μορίων DNA, την προσομοίωση της ακτινοβόλησης τέτοιων μοντέλων, καθώς και τη διαδικασία ανάλυσης των παραγόμενων αποτελεσμάτων. Κάθε εργαλείο που περιέχεται στο IDDRRA έχει αναπτυχθεί ειδικά για χρήση μέσω της πλατφόρμας, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ξεχωριστά.Το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο αυτής της ΔΔ συζητά τα αποτέλεσμα της μελέτης, στο σύνολό τους, καθώς και προοπτικές για μελλοντικούς ερευνητές στον τομέα. Παρατηρείται, ότι η μελέτη της DDR είναι ένα ενεργό πεδίο έρευνας, καθώς εκτός από τις κλινικές εφαρμογές, πολλές μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην ποσοτικοποίηση της βλάβης που προκαλείται στους αστροναύτες κατά τη διάρκεια των ταξιδιών στο διάστημα, καθώς και στο γενικό πληθυσμό που έχει πρόσφατα εμπλακεί σε τέτοιου είδους ταξίδια.

In-Situ Measurement of Artificial Nuclides in Seabed Sediments Based on Monte Carlo Simulations and an Underwater HPGe Detector

2019 ◽  
Vol 53 (3) ◽  
pp. 16-22
Author(s):  
Jinzhao Zhang ◽  
Hongzhi Li ◽  
Xianguo Tuo
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Monte Carlo Simulations ◽  
Energy Resolution ◽  
Hpge Detector ◽  
High Energy ◽  
In Situ Measurement ◽  
Energy Calibration ◽  
High Energy Resolution ◽  
Seabed Sediments

AbstractIn-situ measurement of marine sediment radioactivity does not destroy the stratification of radionuclides in the sediment. We develop a novel seabed sediment radioactive measurement technique using a High Purity Germanium (HPGe) detector. The overall measurement system is designed, and the detector energy calibration is performed. The efficiency is calculated based on Monte Carlo simulations using the MCNP5 code. We compared the efficiency and energy resolution with the NaI(Tl) detection through experiments. NaI(Tl) detection is incapable of identifying the 137Cs artificial nuclides in seabed sediments due to the energy resolution limit. Hence, underwater HPGe detection is utilized due to its high energy resolution, which enables the detection of artificial nuclides 137Cs. The proposed method is of great significance in evaluating marine radioactive pollution.

scholarly journals Clinically relevant nanodosimetric simulation of DNA damage complexity from photons and protons

RSC Advances ◽  
2019 ◽  
Vol 9 (12) ◽  
pp. 6845-6858 ◽  
Author(s):  
N. T. Henthorn ◽  
J. W. Warmenhoven ◽  
M. Sotiropoulos ◽  
A. H. Aitkenhead ◽  
E. A. K. Smith ◽  
...  
Keyword(s):  
Dna Damage ◽  
Monte Carlo ◽  
Monte Carlo Simulations ◽  
Proton Therapy ◽  
Relative Biological Effectiveness ◽  
Biological Effectiveness ◽  
Mechanistic Understanding

Relative Biological Effectiveness (RBE) is a controversial and important topic in proton therapy. This work uses Monte Carlo simulations of DNA damage for protons and photons to probe this phenomenon, providing a plausible mechanistic understanding.

Energy spectrum from single TGFs detected by ASIM

2020 ◽  
Author(s):  
Anders Lindanger ◽  
Martino Marisaldi ◽  
Nikolai Østgaard ◽  
Andrey Mezentsev ◽  
Torstein Neubert ◽  
...  
Keyword(s):  
Monte Carlo ◽  
Spectral Analysis ◽  
Energy Spectrum ◽  
Monte Carlo Simulations ◽  
Energy Range ◽  
Gamma Ray ◽  
High Energy ◽  
Energy Calibration ◽  
Energy Detector ◽  
Instrumental Effects

<p>Terrestrial Gamma-ray Flashes (TGFs) are sub milliseconds bursts of high energy photons associated with lightning flashes in thunderstorms. The Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM), launched in April 2018, is the first space mission specifically designed to detect TGFs. We will mainly focus on data from the High Energy Detector (HED) which is sensitive to photons with energies from 300 keV to > 30 MeV, and include data from the Low Energy Detector (LED) sensitive in 50 keV to 370 keV energy range. Both HED and LED are part of the Modular X- and Gamma-ray Sensor (MXGS) of ASIM.<br><br>The energy spectrum of TGFs, together with Monte Carlo simulations, can provide information on the production altitude and beaming geometry of TGFs. Constraints have already been set on the production altitude and beaming geometry using other spacecraft and radio measurements. Some of these studies are based on cumulative spectra of a large number of TGFs (e.g. [1]), which smooth out individual variability. The spectral analysis of individual TGFs has been carried out up to now for Fermi TGFs only, showing spectral diversity [2]. Crucial key factors for individual TGF spectral analysis are a large number of counts, an energy range extended to several tens of MeV, a good energy calibration as well as knowledge and control of any instrumental effects affecting the measurements.</p><p>We strive to put stricter constraints on the production altitude and beaming geometry, by comparing Monte Carlo simulations to energy spectra from single ASIM TGFs. We will present the dataset and method, including the correction for instrumental effects, and preliminary results on individual TGFs.</p><p>Thanks to ASIM’s large effective area and low orbital altitude, single TGFs detected by ASIM have much more count statistics than observations from other spacecrafts capable of detecting TGFs. ASIM has detected over 550 TGFs up to date (January 2020), and ~115 have more than 100 counts. This allows for a large sample for individual spectral analysis.</p><p>References:</p><ol><li>Dwyer, J. R., and D. M. Smith (2005), A comparison between Monte Carlo simulations of runaway breakdown and terrestrial gamma-ray flash observations, Geophys. Res. Lett., 32, L22804, doi:10.1029/2005GL023848.</li> <li>Mailyan et al. (2016), The spectroscopy of individual terrestrial gamma-ray flashes: Constraining the source properties, J. Geophys. Res. Space Physics, 121, 11,346–11,363, doi:10.1002/2016JA022702.</li> </ol>

SU-E-T-495: Monte Carlo Simulations of Relative DNA Damage From KV CBCT Radiation

2013 ◽  
Vol 40 (6Part18) ◽  
pp. 319-319
Author(s):  
C Kirkby ◽  
E Ghasroddashti ◽  
Y Poirier ◽  
M Tambasco ◽  
R Stewart
Keyword(s):  
Dna Damage ◽  
Monte Carlo ◽  
Monte Carlo Simulations
Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document