Simulations Monte Carlo de la microdosimétrie et de la production d'espèces radiolytiques pour des faisceaux précliniques d'ions H+ et He2+ à très haut débits de dose en utilisant GATE et Geant4-DNA

Monte Carlo simulations of micro-dosimetry and radiolytic species production for very high dose rate preclinical H+ and He2+ ion beams using GATE and Geant4-DNA

• Auteur / Autrice : Daeun Kwon
• Direction : Lydia Maigne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et technologie des rayonnements
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Fondamentales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de Clermont

Mots clés

Mots clés libres

Monte Carlo

Water radiolysis

High dose rate

Medical physics

Monte Carlo simulation

Water radiolysis

High dose rate

Medical physics

Résumé

Parmi les développements récents dans le domaine de la radiothérapie préclinique, la préservation remarquable des tissus normaux obtenue après irradiation à très haut débit de dose (VHDR), effet dit FLASH, est vraiment prometteuse. Le laboratoire de Physique de Clermont collabore avec ARRONAX, Subatech et l'Institut de Cancérologie de l'Ouest (ICO) afin de mettre en place des simulations Monte Carlo d'expériences de microdosimétrie réalisées sous très haut débit de dose (VHDR) (jusqu'à 70 kGy/s) avec des ions H+ (67 MeV) et plus tard avec des ions He2+ pour des pics de Bragg étalés (SOBP). Le rôle de l'oxygène dans l'irradiation FLASH est très préoccupant. Comme spécifié dans la revue théorique de la thérapie FLASH ; Spitz et al. (Spitz 2019) expliquent que les irradiations VHDR consomment tout l'oxygène disponible dans les tissus et libèrent beaucoup plus d'électrons pour ioniser le milieu et les hydroperoxydes organiques (ROOH) par rapport aux débits de dose conventionnels. Ceci impacte alors la chimie des radicaux libres lors de l'irradiation et, finalement, les dommages cellulaires. Le code Monte Carlo de structure de traces Geant4-DNA, première plateforme de simulation open source et open access dédiée à la nanodosimétrie et à la radiobiologie propose désormais la simulation des rendements chimiques issus de la radiolyse de l'eau ou de la dosimétrie Fricke avec d'éventuels piégeurs sous faisceaux à très hauts débits de dose et pour des temps longs allant jusqu'à plusieurs dizaines de minutes après l'irradiation. • Dans un premier temps, la doctorante devra reproduire des lignes de faisceaux VHDR protons et alpha à l'aide de la plateforme Monte Carlo GATE afin de simuler la radiolyse de l'eau à différentes profondeurs le long des SOBPs via le code de simulation Geant4-DNA. Les espèces radiolytiques (dont H2O2, OH., e-aq, O2.-, HO2….) seront simulées jusqu'à des temps de l'ordre de quelques minutes après l'irradiation, dans des conditions normoxiques ou anoxiques, en présence de piégeurs et sous des pH différents réalisées par des collaborateurs de Subatech. • Lea doctorante utilisera ensuite la quantification in silico des produits chimiques responsables de dommages indirects aux tissus et aux cellules pour calculer la dose biologique délivrée aux cellules et tumeurs xénogréffées sur modèles murins. Pour cela, le doctorant adaptera un outil spécifique, le BioDoseActor, développé au sein de la plateforme open-source Monte Carlo GATE pour prédire les survies cellulaires sous faisceaux d'ions précliniques et cliniques à l'échelle du voxel. Cet outil doit être validé et adapté pour les faisceaux VHDR.

Among recent developments in the field of preclinical radiotherapy, the remarkable preservation of normal tissues achieved after irradiation at very high dose rates (VHDR), known as the FLASH effect, is truly promising. The Physics Laboratory of Clermont collaborates with ARRONAX, Subatech, and the Western Cancer Institute (ICO) to establish Monte Carlo simulations of microdosimetry experiments conducted under very high dose rates (up to 70 kGy/s) using H+ ions (67 MeV) and later with He2+ ions for spread-out Bragg peaks (SOBP). The role of oxygen in FLASH irradiation is of great concern. As specified in the theoretical review of FLASH therapy, Spitz et al. (Spitz 2019) explain that VHDR irradiations consume all the available oxygen in tissues and release a much larger number of electrons to ionize the environment and organic hydroperoxides (ROOH) compared to conventional dose rates. This then affects the chemistry of free radicals during irradiation and, ultimately, cellular damage. The Monte Carlo code for track structure, Geant4-DNA, the first open-source and open-access simulation platform dedicated to nanodosimetry and radiobiology, now offers simulation of chemical yields resulting from the radiolysis of water or Fricke dosimetry with possible traps under very high dose rate beams and for long durations extending up to several tens of minutes after irradiation. • Initially, the doctoral student will need to reproduce VHDR proton and alpha beamlines using the GATE Monte Carlo platform to simulate water radiolysis at different depths along the SOBPs using the Geant4-DNA simulation code. Radiolytic species (including H2O2, OH., e-aq, O2.-, HO2, etc.) will be simulated up to times on the order of a few minutes after irradiation, under normoxic or anoxic conditions, in the presence of traps and at different pH levels carried out by collaborators from Subatech. • The doctoral student will then use in silico quantification of chemical products responsible for indirect damage to tissues and cells to calculate the biological dose delivered to cells and xenografted tumors in murine models. For this purpose, the student will adapt a specific tool, the BioDoseActor, developed within the open-source Monte Carlo GATE platform, to predict cell survival under preclinical and clinical ion beams at the voxel scale. This tool needs to be validated and adapted for VHDR beams.