Estimation of the relative biological effectiveness of heavy ions using the dose-mean transfer energy

Abstract

Ionizing radiations induce damages in DNA when interacting with living beings. These damages may lead to biological effects such as chromosome aberrations and cell death. The radiation potential for inducing DNA damages is related to the capacity of radiation to produce densely ionization patterns in the irradiated tissues. This capacity is often related to the linear energy transfer (LET); however, this quantity is not enough for determining the relative biological effectiveness (RBE) of a given radiation quality. For instance, two heavy charged particles (ions) with the same LET show different RBE. So far, researchers have used the dose-mean lineal energy as a quantity to estimate the RBE of ionizing radiations. In this work, we explore a new microdosimetric quantity called dose-mean energy transfer. We also implemented a computational tool for the calculation of such variables using Geant4-DNA toolkit. In addition, a comparison with another classical microdosimetric variable known as dose-mean linear energy was made and RBE variable was determined for each of them. The results show consistent values between dose-mean linear energy and the proposed new microdosimetric variable dose-mean transfer energy. Finally, based on the results obtained for the RBE of each of the variables, the impact of the new variable on the RBE estimation was studied.

Resumen: Las radiaciones ionizantes inducen daños en el ADN cuando interactúan con los seres vivos. Esos daños pueden dar lugar a efectos como las aberraciones cromosómicas y la muerte celular. El potencial de la radiación para inducir ese tipo de daños está relacionado a la capacidad de la radiación para producir un denso patrón de ionizaciones en los tejidos irradiados. Esta capacidad es relacionada a la transferencia de energía lineal (LET). Sin embargo, esta cantidad no es suficiente para determinar la efectividad biológica relativa (EBR) de una calidad de radiación determinada. Hasta el momento, muchos investigadores han usado al dose-mean lineal energy como una cantidad para estimar el RBE de radiaciones ionizantes. En este trabajo, nosotros exploramos una nueva grandeza microdosimétrica llamada dose-mean transfer energy. También se implementó la herramienta computacional para el cálculo de dicha variable haciendo uso de las librerías de Geant4-DNA. Adicionalmente, se ha realizado una comparación con la variable dose-mean linear energy y la nueva variable microdosimétrica dose-mean transfer energy. Finalmente, basados en los resultados del RBE obtenidos para cada una de las dos grandezas, se estudió el impacto de la nueva en la estimación del RBE.