Linear energy transfer dependence of transient yields in water irradiated by 150 keV -500 MeV protons in the limit of low dose rates.

Citation metadata

Date: Aug. 2020
From: Canadian Journal of Chemistry(Vol. 98, Issue 8)
Publisher: NRC Research Press
Document Type: Article
Length: 4,860 words
Lexile Measure: 1870L

Document controls

Main content

Abstract :

FLASH radiotherapy is a new irradiation method in which large doses of ionizing radiation are delivered to tumors almost instantly (a few milliseconds), paradoxically sparing healthy tissue while preserving anti-tumor activity. Although this technique is primarily studied in the context of electron and photon therapies, proton delivery at high dose rates can also reduce the adverse side effects on normal cells. So far, no definitive mechanism has been proposed to explain the differences in the responses to radiation between tumor and normal tissues. Given that living cells and tissues consist mainly of water, we set out to study the effects of high dose rates on the radiolysis of water by protons in the energy range of 150 keV--500 MeV (i.e., for linear energy transfer (LET) values between ~72.2 and 0.23 keV/[micro]m, respectively) using Monte Carlo simulations. To validate our methodology, however, we, first, report here the results of our calculations of the yields (G values) of the radiolytically produced species, namely the hydrated electron ([e.sup.-.sub.aq]), *OH, H*, [H.sub.2], and [H.sub.2][O.sub.2], for low dose rates. Overall, our simulations agree very well with the experiment. In the presence of oxygen, [e.sup.-.sub.aq] and H* atoms are rapidly converted into superoxide anion or hydroperoxyl radicals, with a well-defined maximum of G(H[O.sub.2]*/[O*.sub.2.sup.-]) at ~1 [micro]s. This maximum decreases substantially when going from low-LET 500 MeV to high-LET 150 keV irradiating protons. Differences in the geometry of the proton track structure with increasing LET readily explain this diminution in H[O*.sub.2]/[O*.sub.2.sup.-] radicals. Key words: liquid water, radiolysis, fast protons, absorbed dose rate, linear energy transfer (LET), radical and molecular yields, reactive oxygen species, Monte Carlo track chemistry simulations, FLASH radiotherapy. La radiothérapie FLASH est une nouvelle méthode d'irradiation dans laquelle des doses élevées de rayonnement ionisant sont administrées dans les tumeurs de manière presque instantanée (quelques millisecondes). Paradoxalement, elle épargne les tissus sains tout en conservant une activité antitumorale. Bien que cette technique ait surtout été étudiée dans le contexte de l'électronthérapie et de la photonthérapie, la protonthérapie à haut débit de dose peut également permettre de réduire les effets secondaires indésirables subis par les cellules normales. Jusqu'à maintenant, aucun mécanisme définitif n'a été proposé pour expliquer les différences de réponse au rayonnement entre les tumeurs et les tissus normaux. Étant donné que les cellules vivantes et les tissus sont essentiellement composés d'eau, nous nous sommes intéressés à l'étude des effets de hauts débits de dose sur la radiolyse de l'eau par des protons d'énergie allant de 150 keV à 500 MeV (c.-à-d., des valeurs de transfert d'énergie linéaire [TEL] entre ~72,2 et 0,23 keV/[micro]m, respectivement) à l'aide de simulations Monte Carlo. Cependant, afin de valider notre méthodologie, nous présentons dans un premier temps les résultats de nos calculs des rendements (valeurs G) des espèces issues de la radiolyse, à savoir l'électron hydraté ([e.sup.-.sub.aq]), *OH, H*,[H.sub.2] et [H.sub.2][O.sub.2], à de faibles débits de dose. En général, nos simulations concordent très bien avec les valeurs expérimentales. En présence d'oxygène, les [e.sup.-.sub.aq] et les atomes H* sont rapidement transformés en anions superoxyde et en radicaux hydroperoxyle avec un maximum de G(H[O*.sub.2]/[O*.sub.2.sup.-]) bien défini autour de 1 [micro]s. Ce maximum décroît substantiellement lorsque le rayonnement de protons passe de 500 MeV (faible TEL) à 150 keV (TEL élevé). Les différences de géométrie des structures de trajectoires des protons en fonction de l'augmentation du TEL expliquent trés bien cette diminution des radicaux H[O*.sub.2]/[O*.sub.2.sup.-]. [Traduit par la Rédaction] Mots-clés : eau liquide, radiolyse, protons rapides, débit de dose absorbée, transfert d'énergie linéaire (TEL), rendements radicalaires et moléculaires, espèces réactives de l'oxygène, simulations Monte Carlo de la chimie des trajectoires de particules, radiothérapie FLASH.

Source Citation

Source Citation   

Gale Document Number: GALE|A632158871