Simulación de efectos biológicos de la cadena del ADN bajo la acción simultánea de radiación ionizante e hipertermia

Abstract

La radiación ionizante ha sido utilizada a lo largo de los años como una herramienta en la creación de prácticas sanitarias y, en especial, en tratamientos oncológicos mediante la radioterapia. Existen, sin embargo, otros tratamientos alternos como la hipertermia, que se basan en focalizar gradientes de temperatura en la región de interés sin hacer uso de la radiación ionizante. Este trabajo se centra en simular los efectos que presenta la radiación ionizante y la hipertermia aplicadas de manera simultánea en las moléculas de ADN, utilizando el modelo de Charlton incluido en la herramienta computacional conocida como TOPAS-nBio que está basada en las extensiones de Geant4-DNA. Se simuló el transporte de rayos X primarios de baja energía y las correspondientes partículas secundarias producidas en un medio acuoso, para estudiar el daño radiobiológico en forma de rupturas SSB y DSB de las hebras de la molécula de ADN y, a su vez, investigar el efecto sinérgico de radiación e hipertermia en un rango de 40 a 50 °C. Adicionalmente, se implementó en la simulación una forma de cambiar la magnitud de las secciones transversales asociadas con los procesos físicos dominantes para estudiar el impacto en el número de rupturas SSB y DSB. Los resultados evidencian un acuerdo razonable con lo reportado en la literatura, dejando abierto el camino para futuras investigaciones.

Throughout the years, ionizing radiation has been utilized as a tool in the development of health practices, most notably radiotherapy for the treatment of cancer. Other alternative treatments, such as hyperthermia, are based on concentrating temperature gradients in the area of interest without employing ionizing radiation. This study simulates the simultaneous effects of ionizing radiation and hyperthermia on DNA molecules using the Charlton model, which is a component of the computational tool TOPAS-nBio (based on the Geant4-DNA extension). The transport of low-energy primary X-rays and the corresponding secondary particles produced in an aqueous medium were simulated to study radiobiological damage as SSB and DSB breaks of the DNA molecule strands and, in turn, to investigate the synergistic effect of radiation and hyperthermia in the temperature range of 40 to 50 ◦C. In addition, a method for modifying the magnitude of the cross sections associated with the primary physical processes was incorporated into the simulation in order to examine its effect on the number of SSB and DSB ruptures. The results show a reasonable agreement with what has been reported in the literature, paving the way for future research