Transient hypoxia in water irradiated by swift carbon ions at ultra-high dose rates: implication for FLASH carbon-ion therapy.

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From: Canadian Journal of Chemistry(Vol. 99, Issue 10)
Publisher: NRC Research Press
Document Type: Report
Length: 6,435 words
Lexile Measure: 1880L

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Abstract :

Large doses of ionizing radiation delivered to tumors at ultra-high dose rates (i.e., in a few milliseconds) paradoxically spare the surrounding healthy tissue while preserving anti-tumor activity (compared with conventional radiotherapy delivered at much lower dose rates). This new modality is known as "FLASH radiotherapy" (FLASH-RT). Although the molecular mechanisms underlying FLASH-RT are not yet fully understood, it has been suggested that radiation delivered at high dose rates spares normal tissue via oxygen depletion followed by subsequent radioresistance of the irradiated tissue. To date, FLASH-RT has been studied using electrons, photons, and protons in various basic biological experiments, pre-clinical studies, and recently in a human patient. However, the efficacy of heavy ions, such as energetic carbon ions, under FLASH-RT conditions remains unclear. Given that living cells and tissues consist mainly of water, we set out to study, from a pure radiation chemistry perspective, the effects of ultra-high dose rates on the transient yields and concentrations of radiolytic species formed in water irradiated by 300-MeV per nucleon carbon ions (LET ~ 11.6 keV/[micro]m). This mimics irradiation in the "plateau" region of the depth-dose distribution of ions, i.e., in the "normal" tissue region in which the LET is rather low. We used Monte Carlo simulations of multiple, simultaneously interacting radiation tracks together with an "instantaneous pulse" irradiation model. Our calculations show a pronounced oxygen depletion around 0.2 [micro]s, strongly suggesting, as with electrons, photons, and protons, that irradiation with energetic carbon ions at ultra-high dose rates is suitable for FLASH-RT. Key words: liquid water, radiolysis, energetic carbon ions, absorbed dose rate, multiple track model, linear energy transfer (LET), Monte Carlo track chemistry simulations, oxygen depletion, hydrogen peroxide formation, FLASH effect, carbon-ion therapy. De fortes doses de rayonnement ionisant administrees dans des tumeurs a des debits de dose tres eleves (c.-a-d. en quelques millisecondes) epargnent les tissus sains environnants, tout en conservant paradoxalement une activite antitumorale (par comparaison a la radiotherapie classique administree a des debits de dose beaucoup plus faibles). Cette nouvelle modalite est connue sous le nom de . Bien que les mecanismes moleculaires qui sous-tendent la radiotherapie FLASH ne soient pas encore entierement compris, une hypothese a ete posee, selon laquelle le rayonnement administre a des debits de dose eleves epargnerait les tissus normaux par epuisement de l'oxygene, entrainant une radioresistance du tissu irradie. A ce jour, des electrons, des photons et des protons ont ete employes pour etudier la radiotherapie FLASH dans diverses experiences biologiques de base, ainsi que dans des etudes precliniques, et recemment chez un patient humain. Cependant, l'efficacite des ions plus lourds, comme les ions carbone de haute energie, en conditions FLASH demeure incertaine. Etant donne que les cellules et les tissus vivants sont principalement constitues d'eau, nous avons planifie d'etudier, d'un point de vue purement fonde sur la chimie des radiations, les effets des debits de dose tres eleves sur les rendements transitoires et les concentrations d'especes radiolytiques formees dans l'eau irradiee par des ions carbone a 300 MeV par nucleon (TEL ~ 11,6 keV/[micro]m). Ces conditions imitent l'irradiation dans la region de la distribution de dose en profondeur des ions, c.-a-d. dans la region tissulaire dite dans laquelle le TEL est plutot faible. Nous avons utilise des simulations Monte Carlo de trajectoires multiples du rayonnement interagissant simultanement combinees a un modele d'irradiation a . Nos calculs indiquent un appauvrissement prononce de l'oxygene autour de 0,2 [micro]s, ce qui tend fortement a montrer que, comme c'est le cas pour les electrons, les photons et les protons, l'irradiation par des ions carbone de haute energie a des debits de dose tres eleves serait adaptee a la radiotherapie FLASH. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : eau liquide, radiolyse, ions carbone de haute energie, debit de dose absorbee, modele a trajectoires multiples, transfert d'energie lineaire (TEL), simulations Monte Carlo de la trajectoire des particules, epuisement de l'oxygene, formation de peroxyde d'hydrogene, effet FLASH, therapie par ions carbone.

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Gale Document Number: GALE|A678582828