Evaluation of the radioprotective ability of cystamine for 150 keV - 500 MeV proton irradiation: a Monte Carlo track chemistry simulation study

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From: Canadian Journal of Chemistry(Vol. 97, Issue 2)
Publisher: NRC Research Press
Document Type: Report
Length: 9,660 words
Lexile Measure: 1950L

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Abstract :

Cystamine, an organic diamino-disulfide, is among the best of the known radiation-protective compounds, although the underlying molecular mechanisms by which it operates remain poorly understood. This study aims to use the aqueous ferrous sulfate (Fricke) dosimeter to evaluate the protective properties of this compound when present during irradiation by fast incident protons in the energy range of 150 keV - 500 MeV, that is, for "linear energy transfer" (LET) values ranging from ~72.3 to 0.23 keV/[micro]m. The presence of cystamine in irradiated Fricke solutions prevents the oxidation of [Fe.sup.2+]ions by the oxidizing species produced in the radiolysis of acidic water, resulting in reduced [Fe.sup.3+]ion yields. A Monte Carlo computer code is used to simulate the radiation-induced chemistry of the studied Fricke--cystamine solutions under aerated conditions while covering a wide range of cystamine concentrations from 5 x [10.sup.-7] to 1 mol/L. Results indicate that the protective activity of cystamine is due to its radical-capturing ability, a clear signature of the strong antioxidant profile of this compound. In addition, our simulations show that at low and intermediate concentrations of cystamine, its protective efficiency decreases with increasing LET, which is consistent with previous work. This finding stems from differences in the geometry of the track structures that change from low-LET isolated spherical "spurs" to high-LET dense continuous cylindrical tracks as LET increases. This study concludes that Monte Carlo simulations represent a powerful method for understanding, at the molecular level, indirect radiation damage to complex molecules such as cystamine. Key words: cystamine, radioprotector, antioxidant, aerated ferrous sulfate (Fricke) dosimeter, water radiolysis, high-energy protons, linear energy transfer (LET), Monte Carlo track chemistry simulation, reaction scheme, competition kinetics, radiation chemical yields (G values), proton therapy, space radiation risk assessment models. La cystamine, un diamino-disulfure organique, figure parmi les meilleurs composes radioprotecteurs que l'on connaisse, quoique les mecanismes moleculaires qui sous-tendent son activite soient encore mal compris. La presente etude porte sur l'utilisation du dosimetre (de Fricke) a sulfate ferreux en milieu aqueux pour evaluer les proprietes protectrices de ce compose en conditions d'irradiation par des protons incidents a grande vitesse dont l'energie se situe dans un intervalle de 150 keV a 500 MeV, c'est-a-dire, pour des valeurs de (TEL) entre ~72,3 et 0,23 keV/[micro]m. La presence de la cystamine dans des solutions de Fricke irradiees empeche l'oxydation des ions [Fe.sup.2+] par les especes oxydantes produites lors de la radiolyse de l'eau acide, ce qui a pour effet de reduire les rendements en ions [Fe.sup.3+]. A l'aide d'un code informatique Monte Carlo, nous avons simule les transformations chimiques induites par rayonnement dans les solutions de Fricke/cystamine, que nous avons etudiees en conditions aerees sur un vaste domaine de concentrations de cystamine, allant de 5 x [10.sup.-7] a 1 mol/L. Selon les resultats, l'activite protectrice de la cystamine est attribuable a sa capacite de pieger les radicaux, une indication claire du profil d'antioxydant puissant qui caracterise ce compose. En outre, nos simulations montrent qu'a des concentrations de cystamine faibles et intermediaires, l'efficacite protectrice de celle-ci diminue en fonction de l'augmentation du TEL, ce qui concorde avec les resultats de travaux anterieurs. Cette constatation s'explique par des differences dans la geometrie des structures de trajectoires qui, a mesure que le TEL augmente, passent de grappes ( ) spheriques isolees a faible TEL a des trajectoires cylindriques continues et denses a TEL eleve. Cette etude permet de conclure que les simulations Monte Carlo constituent un outil puissant pour comprendre, au niveau moleculaire, les dommages indirects induits par rayonnement que subissent les molecules complexes comme la cystamine. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : cystamine, radioprotecteur, antioxydant, dosimetre (de Fricke) au sulfate ferreux en milieu aere, radiolyse de l'eau, protons de haute energie, transfert d'energie lineaire (TEL), simulation Monte Carlo de la trajectoire des particules, schema reactionnel, cinetique competitive, rendements radiochimiques (valeurs G), protontherapie, modeles d'evaluation du risque d'exposition au rayonnement dans l'espace.

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Gale Document Number: GALE|A573558922