Μελέτη επαγόμενων βλαβών του DNA κατόπιν ακτινοβόλησης κυττάρων με ιοντίζουσες ακτινοβολίες μέσω του μαθηματικού ακτινοβιολογικού μοντέλου MRM & κωδικών προσομοίωσης MONTE CARLO

Καλοσπύρος, Σπυρίδων; Kalospyros, Spyridon

dc.contributor.author	Καλοσπύρος, Σπυρίδων	el
dc.contributor.author	Kalospyros, Spyridon	en
dc.date.accessioned	2023-03-20T08:55:09Z
dc.date.available	2023-03-20T08:55:09Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57249
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24947
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ιόν	el
dc.subject	Κύτταρο	el
dc.subject	Βλάβη	el
dc.subject	Ακτινοβολία	el
dc.subject	Radiobiology	el
dc.subject	Ion	el
dc.subject	Cell	el
dc.subject	Damage	el
dc.subject	Radiation	el
dc.title	Μελέτη επαγόμενων βλαβών του DNA κατόπιν ακτινοβόλησης κυττάρων με ιοντίζουσες ακτινοβολίες μέσω του μαθηματικού ακτινοβιολογικού μοντέλου MRM & κωδικών προσομοίωσης MONTE CARLO	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Φυσική	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-01-17
heal.abstract	Στην τετραμερή αυτή διατριβή μελετήθηκαν οι επαγόμενες βλάβες στο DNA κυττάρων που ακτινοβολούνται με ιόντα, και ιδιαίτερα βαρέα ιόντα. Αρχικώς, στο πρώτο μέρος της ανάπτυξης (βλ. Γ’ Μέρος) αναπτύσσεται και εφαρμόζεται θεωρητικώς ένα φυσικο-μαθηματικό μοντέλο, το Μαθηματικό Ακτινοβιολογικό Μοντέλο (Mathematical Radiobiological Model, MRM). Η κατασκευή του μοντέλου αυτού βασίστηκε στη θεωρία Multiscale Approach (ΜSΑ) των Surdutovich, Solov’yov et al., μια προσέγγιση στη φυσική των βλαβών εξ ακτινοβολίας σε επίπεδο νανομετρικό και μοριακό, που επιχειρεί να βρει τη σχέση μεταξύ των φυσικών χαρακτηριστικών των σωματιδίων-βλημάτων και της συνεπακόλουθης βιολογικής βλάβης. Το περιγραφόμενο μοντέλο συνδέει τα φυσικά, χημικά και βιολογικά φαινόμενα που κυριαρχούν σε κάθε κλίμακα (στο χρόνο, το χώρο και την ενέργεια) έχοντας ως πρακτικό στόχο την πρόβλεψη της κυτταρικής επιβίωσης και της RBE, ενός εκ των θεμελιωδών χαρακτηριστικών του φαινομένου της ακτινοβόλησης με ιόντα, συγκριτικά με την αυτήν των φωτονίων. Τα αποτελέσματα του MRM αποδεικνύεται ότι βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τα συγκρινόμενα πειραματικά. Το MRM προχωρά ακόμη στον υπολογισμό του Λόγου Επαύξησης Οξυγόνου (Oxygen Enhancement Ratio), αλλά και της Σχετικής Βιολογικής Δράσης (RBE): και εδώ, τα αποτελέσματα συμφωνούν αρκετά με τα αντίστοιχα πειραματικά. Η καινοτομία του MRM, σε σχέση με τη θεωρία MSA, είναι αρχικώς σημαντικές διορθώσεις-τροποποιήσεις στη φυσικο-μαθηματική προσέγγιση της τελευταίας (σε σημεία τα οποία δεν ήταν επαρκώς σαφή), αλλά και η επέκτασή του σε περισσότερα ιόντα, πολλά εκ των οποίων είναι ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο και σε ένα μεγαλύτερο φάσμα τιμών LET. Έτσι, το μοντέλο αυτό εφαρμόζεται στα ιόντα: πρωτόνια, 11B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 40Ar, 28Si και 56Fe. Το δεύτερο μέρος της διατριβής (βλ. Δ’ μέρος), εστιαζόμενο και αυτό στον υπολογισμό των επαγόμενων βλαβών στο DNA, κάνει χρήση των τεχνικών Monte Carlo (MC). Πιο συγκεκριμένα, βασίζεται στο συνδυασμό δύο διαφορετικών -σε λειτουργία και σκοπό- τεχνικών MC για να προσομοιώσει ένα πυρηνικό ατύχημα και να υπολογίσει τις βλάβες SSB και DSB στα κύτταρα ενός ανθρώπου που εκτίθεται στην ακτινοβολία από ένα συγκεκριμένο ραδιονουκλίδιο (το 137Cs) που έχει επικαθήσει στο έδαφος του μολυσμένου -από το ατύχημα- περιβάλλοντος. Το τρίτο μέρος (βλ. Ε’ μέρος) του πονήματος αυτού, εφαρμόζει το μηχανιστικό μοντέλο που προτείνεται από τους Wang et al. 2018, για τον υπολογισμό των καμπυλών επιβίωσης και της RBE κυττάρων που ακτινοβολούνται με ιόντα και το επεκτείνει εν μέρει σε ιόντα με ένα μεγάλο φάσμα τιμών LET. Το τέταρτο (και τελευταίο) μέρος της διατριβής (βλ. ΣΤ’ Μέρος) επεξεργάζεται τα πρωτογενή δεδομένα (raw data) ακτινοθεραπείας με δέσμη πρωτονίων, όπως αυτά μας εστάλησαν από το St Jude Children’s Research Hospital (USA) και το Massachusetts General Hospital – Dept of Radiation Oncology (USA). Η σημασία των αποτελεσμάτων κρίνεται σημαντική και συνεισφέρουσα στην σύγχρονη επιστημονική έρευνα στον τομέα της Ακτινοβιολογίας, καθ’ ότι παρέχει νέους τρόπους υπολογισμού και εκτίμησης των βλαβών σε κύτταρα ακτινοβολούμενα στα πλαίσια σύγχρονων αδρονικών θεραπειών ογκολογικών (και μη) ασθενών, προάγοντας έτσι την έρευνα και εν γένει την επιστήμη στη era nova της ιατρο-τεχνολογίας	el
heal.abstract	The present thesis consists of four parts, each of which contain: (a)The development and construction of an integrated physico-mathematical model, the Mathematical Radiobiological Model (MRM), which utilizes as a basis the ‘MultiScale Approach’, bearing several modifications and improvements, which can predict cell-specific levels of complex DNA damage and cell survival after the irradiation with protons, 11B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 40Ar, 28Si and 56Fe ions, in normoxic and hypoxic conditions. Τhe basic principle of the model is the description, with mathematical equations, of the phenomena that take place in a time-space-energy scale upon the irradiation of biological matter with charged particles. The MRM uses only three input parameters (particle’s LET and two cell-specific parameters: the cross-sectional area of the cell nucleus and its genome), and no fitting at all, while also including indirectly the cell repair mechanism. The predicted survival curves are in good agreement with the corresponding experimental ones. After this, follows the calculation of the particle RBE and Oxygen Enhancement Ratio; the latter are compared with the experimental ones, yielding equally satisfactory results. (b) A Monte Carlo-based methodology for the calculation of the absorbed dose and the initial levels of complex DNA damage (such as double strand breaks, DSB) in the case of a nuclear accident, by isolating only one component of the total radiation released in the environment, in such incidents (i.e. the radionuclide 137Cs, emitting only from the ground -under the feet of the exposed individual). (c)The application and partial extension (in ions, with a wider range of LET values) of the mechanistic model proposed by Wang et al. 2018, for the prediction of cell survival and calculation of RBE of charged particles at different survival. (d)The processing of raw data of proton radiation therapy, sent to us from two different research centers of the USA (St Jude Children’s Research Hospital and Massachusetts General Hospital), through the MCDS code and the calculation of different types of the induced DNA damage (SSB, DSB, non-DSB and the total damage) and the RBE, for different O2% concentrations. As a conclusion, this dissertation developed a multiple way of calculation (by the use of deterministic and mechanistic models and the simple or combined use of MC codes) of the DNA induced damage in cells irradiated with different ions (some of which are already being used in contemporary therapy centers all around the world, while others being studied in research groups for their future use in hadron radiation therapy) and for a wide range of LET values. The publication of the thesis and the published papers make contribution to physics of ion interactions with biological matter and Radiobiology and provide new tools for the biophysical study and the estimation of cell damage to hadron irradiated cells used for oncological treatment. The results promote contemporary research and science in general, in the era nova of medical technology.	en
heal.advisorName	Γεωργακίλας, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Γεωργακίλας, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Εμφιετζόγλου, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Καραίσκος, Παντελής	el
heal.committeeMemberName	Καγκάδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Διακάκη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Τερζούδη, Γεωργία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	402 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false