Preclinical modeling of low energy X-rays radiological burn: Dosimetry study by monte carlo simulations and EPR spectroscopy

Interventional radiology has grown considerably over the last decades and become an essential tool for treatment or diagnosis. This technique is mostly beneficial and mastered but accidental overexposure can occur and lead to the appearance of deterministic effects. The lack of knowledge about the radiobiological consequences for the low-energy X-rays used for these practices makes the prognosis very uncertain for the different tissues. In order to improve the radiation protection of patients and better predict the risk of complications, we implemented a new preclinical mouse model to mimic radiological burn in interventional radiology and performed a complete characterization of the dose deposition. A new setup and collimator were designed to irradiate the hind legs of 15 mice at 30 Gy in air kerma at 80 kV. After irradiation, mice tibias were collected to evaluate bone dose by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy measurements. Monte Carlo simulations with Geant4 were performed in simplified and voxelized phantoms to characterize the dose deposition in different tissues and evaluate the characteristics of secondary electrons (energy, path, momentum). 30 mice tibias were collected for EPR analysis. An average absorbed dose of 194.0 ± 27.0 Gy was measured in bone initially irradiated at 30 Gy in air kerma. A bone to air conversion factor of 6.5 ± 0.9 was determined. Inter sample and inter mice variability has been estimated to 13.9%. Monte Carlo simulations shown the heterogeneity of the dose deposition for these low X-rays energies and the dose enhancement in dense tissue. The specificities of the secondary electrons were studied and showed the influence of the tissue density on energies and paths. A good agreement between the experimental and calculated bone to air conversion factor was obtained. A new preclinical model allowing to perform radiological burn in interventional radiology-like conditions was implemented. For the development of new preclinical radiobiological model where the exact knowledge of the dose deposited in the different tissues is essential, the complementarity of Monte Carlo simulations and experimental measurements for the dosimetric characterization has proven to be a considerable asset

REALIZAÇÃO DE PROJETOS COM AS CRIANÇAS DA EEI-UFRJ: UMA POSSIBILIDADE PARA A ATUAÇÃO DOS TÉCNICOS EM ASSUNTOS EDUCACIONAIS

O cargo de Técnico em Assuntos Educacionais (TAE) tem como requisito o curso de nível superior em Pedagogia ou Licenciaturas, cujas atribuições estão relacionadas ao processo educativo. Este trabalho tem como objetivo destacar a experiência de atuação dos TAEs lotados na Escola de Educação Infantil da Universidade Federal do Rio de Janeiro (EEI-UFRJ) realizando/coordenando projetos com as crianças de 0 a 5 anos e 11 meses de idade, como atividades complementares à prática docente. A metodologia utilizada é o relato de experiência. Como resultado, percebe-se que a realização de projetos é uma possibilidade de atuação do TAE sem fugir de suas atribuições, que são de natureza pedagógica e relacionadas ao processo educativo

Multiparametric radiobiological assays show that variation of X-ray energy strongly impacts relative biological effectiveness: comparison between 220 kV and 4 MV

International audienceBased on classic clonogenic assay, it is accepted by the scientific community that, whatever the energy, the relative biological effectiveness of X-rays is equal to 1. However, although X-ray beams are widely used in diagnosis, interventional medicine and radiotherapy, comparisons of their energies are scarce. We therefore assessed in vitro the effects of low- and high-energy X-rays using Human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) by performing clonogenic assay, measuring viability/mortality, counting γ-H2AX foci, studying cell proliferation and cellular senescence by flow cytometry and by performing gene analysis on custom arrays. Taken together, excepted for γ-H2AX foci counts, these experiments systematically show more adverse effects of high energy X-rays, while the relative biological effectiveness of photons is around 1, whatever the quality of the X-ray beam. These results strongly suggest that multiparametric analysis should be considered in support of clonogenic assay

Avaliação da citotoxicidade in vitro do Paraquat e potencial efeito protetor da Erva-mate

 Paraquat (PQ) é um herbicida altamente tóxico que tem como principal mecanismo de toxicidade a geração de estresse oxidativo intracelular. A erva-mate (EM), planta nativa da América do Sul, tem sido estudada devido a uma ampla variedade de propriedades benéficas à saúde, incluindo suas propriedades antioxidantes e anti-inflamatórias. Considerando que o PQ é utilizado na agricultura em vários países e que a erva-mate tem potencial terapêutico, este estudo avaliou os efeitos citotóxicos e oxidativos do PQ nas células mononucleares do sangue periférico (PBMC) e o possível papel protetor da EM. Amostras de PBMC (n = 8) foram pré-expostas a 100 e 250 μg/mL de extrato hidroetanólico de erva-mate por 30 minutos e, posteriormente, a 1mM de PQ por mais 2 horas. Os testes de viabilidade celular e estresse oxidativo foram realizados após o protocolo de exposição. Diminuição significativa na viabilidade celular induzida por PQ foi detectada no teste de incorporação de vermelho neutro, mas não nos testes de MTT e LDH. Não foram encontradas diferenças significativas na peroxidação lipídica e nos níveis de grupos tiólicos celulares no grupo exposto a PQ. O extrato hidroetanólico de erva-mate não reverte a citotoxicidade induzida pelo PQ detectada pelo teste do vermelho neutro. Nossos dados preliminares sugerem que a erva-mate não tem potencial terapêutico na prevenção de danos causados pelo herbicida PQ

Modeling of the topology of energy deposits created by ionizing radiation on a nanometric scale in cell nuclei in relation to radiation-induced early events

Les rayonnements ionisants sont connus pour induire des dommages critiques au sein de la matière biologique et spécialement au sein de l’ADN. Parmi ces dommages, les cassures doubles brins de l’ADN (DSB) sont considérées comme les principales responsables des effets létaux des rayonnements. Comprendre et prédire comment ces cassures sont créées et réparées dans les noyaux cellulaires demeure un défi dans la recherche en radiobiologie. Ce travail s’inscrit dans ce contexte, dans la modélisation des cassures double brin de l’ADN (DSB) à partir des dépôts d’énergie créés par l’irradiation au niveau intracellulaire. Le détail topologique au niveau nanométrique des dépôts d’énergie nécessaire à ce travail est obtenu par modélisation Monte Carlo à l’aide du code Geant4 et, en particulier son extension Geant4-DNA pour des processus à très faible énergie. Les dommages étudiés étant ceux localisés dans l’ADN, le premier objectif de ce travail a été de réaliser une géométrie détaillée de celui-ci afin de l’implémenter dans les calculs Monte Carlo. Deux types de noyaux cellulaires, représentant un fibroblaste et un endothélium, ont été décrits afin d’évaluer l’influence de la densité d’ADN dans les résultats sur la topologie des dépôts pouvant donner lieux à des cassures de la molécule. Cette géométrie nous permet d’effectuer une première sélection des dépôts d’énergie pouvant contribuer aux cassures car situées sur la chaîne sucre-phosphate. Ces dépôts sont ensuite analysés à l’aide d’un algorithme de clustérisation de manière à les regrouper sous forme d’agrégats afin d’étudier leur localisation et complexité. Néanmoins, dans cette étude, seule les interactions physiques entre les rayonnements ionisants et la cible sont modélisées, il n’est donc pas possible d’obtenir un nombre absolu de cassures de brins car cette modélisation n’inclue pas l’étape de création et de transport des radicaux libres pouvant donner lieu à des dommages indirects. Ainsi, le but de ce travail était d’évaluer la dépendance relative des dommages radio-induits directs avec la densité d’ADN, la qualité du rayonnement, la morphologie du noyau ou encore la condensation de la chromatine. Les différentes modélisations réalisées ont permis de quantifier l’influence de ces différents paramètres dans le nombre et la complexité des dommages directs induits dans l’ADN, pouvant ensuite contribuer aux effets tardifs sur le devenir cellulaire.Ionizing radiations are known to induce critical damages on biological matter and especially on DNA. Among these damages, DNA double strand breaks (DSB) are considered as key precursor of lethal effects of ionizing radiations. Understand and predict how DNA double and simple strand breaks are created by ionising radiation and repaired in cell nucleus is nowadays a major challenge in radiobiology research. This work presents the results on the simulation of the DNA double strand breaks produced from the energy deposited by the irradiation at the intracellular level. At the nanometric scale, the only method to accurately simulate the topological details of energy deposited on the biological matter is the use of Monte Carlo codes. In this work, we used the Geant4 Monte Carlo code and, in particular, the low energy electromagnetic package extensions, referred as Geant4-DNA processes.In order to evaluate DNA radio-induced damages, the first objective of this work consisted in implementing a detailed geometry of the DNA on the Monte Carlo simulations. Two types of cell nuclei, representing a fibroblast and an endothelium, were described in order to evaluate the influence of the DNA density on the topology of the energy deposits contributing to strand breaks. Indeed, the implemented geometry allows the selection of energy transfer points that can lead to strand breaks because they are located on the backbone. Then, these energy transfer points were analysed with a clustering algorithm in order to reveal groups of aggregates and to study their location and complexity.In this work, only the physical interactions of ionizing radiations are simulated. Thus, it is not possible to achieve an absolute number of strand breaks as the creation and transportation of radical species which could lead to indirect DNA damages is not included. Nevertheless, the aim of this work was to evaluate the relative dependence of direct DNA damages with the DNA density, radiation quality, cell nuclei morphology or also chromatin condensation. The results presented in this work have allowed the quantification of the influence of these different parameters in the number and complexity of directs DNA damages which can then contribute to the late effects on cell fate

Modeling of the topology of energy deposits created by ionizing radiation on a nanometric scale in cell nuclei in relation to radiation-induced early events

Les rayonnements ionisants sont connus pour induire des dommages critiques au sein de la matière biologique et spécialement au sein de l’ADN. Parmi ces dommages, les cassures doubles brins de l’ADN (DSB) sont considérées comme les principales responsables des effets létaux des rayonnements. Comprendre et prédire comment ces cassures sont créées et réparées dans les noyaux cellulaires demeure un défi dans la recherche en radiobiologie. Ce travail s’inscrit dans ce contexte, dans la modélisation des cassures double brin de l’ADN (DSB) à partir des dépôts d’énergie créés par l’irradiation au niveau intracellulaire. Le détail topologique au niveau nanométrique des dépôts d’énergie nécessaire à ce travail est obtenu par modélisation Monte Carlo à l’aide du code Geant4 et, en particulier son extension Geant4-DNA pour des processus à très faible énergie. Les dommages étudiés étant ceux localisés dans l’ADN, le premier objectif de ce travail a été de réaliser une géométrie détaillée de celui-ci afin de l’implémenter dans les calculs Monte Carlo. Deux types de noyaux cellulaires, représentant un fibroblaste et un endothélium, ont été décrits afin d’évaluer l’influence de la densité d’ADN dans les résultats sur la topologie des dépôts pouvant donner lieux à des cassures de la molécule. Cette géométrie nous permet d’effectuer une première sélection des dépôts d’énergie pouvant contribuer aux cassures car situées sur la chaîne sucre-phosphate. Ces dépôts sont ensuite analysés à l’aide d’un algorithme de clustérisation de manière à les regrouper sous forme d’agrégats afin d’étudier leur localisation et complexité. Néanmoins, dans cette étude, seule les interactions physiques entre les rayonnements ionisants et la cible sont modélisées, il n’est donc pas possible d’obtenir un nombre absolu de cassures de brins car cette modélisation n’inclue pas l’étape de création et de transport des radicaux libres pouvant donner lieu à des dommages indirects. Ainsi, le but de ce travail était d’évaluer la dépendance relative des dommages radio-induits directs avec la densité d’ADN, la qualité du rayonnement, la morphologie du noyau ou encore la condensation de la chromatine. Les différentes modélisations réalisées ont permis de quantifier l’influence de ces différents paramètres dans le nombre et la complexité des dommages directs induits dans l’ADN, pouvant ensuite contribuer aux effets tardifs sur le devenir cellulaire.Ionizing radiations are known to induce critical damages on biological matter and especially on DNA. Among these damages, DNA double strand breaks (DSB) are considered as key precursor of lethal effects of ionizing radiations. Understand and predict how DNA double and simple strand breaks are created by ionising radiation and repaired in cell nucleus is nowadays a major challenge in radiobiology research. This work presents the results on the simulation of the DNA double strand breaks produced from the energy deposited by the irradiation at the intracellular level. At the nanometric scale, the only method to accurately simulate the topological details of energy deposited on the biological matter is the use of Monte Carlo codes. In this work, we used the Geant4 Monte Carlo code and, in particular, the low energy electromagnetic package extensions, referred as Geant4-DNA processes.In order to evaluate DNA radio-induced damages, the first objective of this work consisted in implementing a detailed geometry of the DNA on the Monte Carlo simulations. Two types of cell nuclei, representing a fibroblast and an endothelium, were described in order to evaluate the influence of the DNA density on the topology of the energy deposits contributing to strand breaks. Indeed, the implemented geometry allows the selection of energy transfer points that can lead to strand breaks because they are located on the backbone. Then, these energy transfer points were analysed with a clustering algorithm in order to reveal groups of aggregates and to study their location and complexity.In this work, only the physical interactions of ionizing radiations are simulated. Thus, it is not possible to achieve an absolute number of strand breaks as the creation and transportation of radical species which could lead to indirect DNA damages is not included. Nevertheless, the aim of this work was to evaluate the relative dependence of direct DNA damages with the DNA density, radiation quality, cell nuclei morphology or also chromatin condensation. The results presented in this work have allowed the quantification of the influence of these different parameters in the number and complexity of directs DNA damages which can then contribute to the late effects on cell fate

Modélisation de la topologie des dépôts d’énergie créés par un rayonnement ionisant à l’échelle nanométrique dans les noyaux cellulaires et relation avec les événements précoces radio-­induits

Ionizing radiations are known to induce critical damages on biological matter and especially on DNA. Among these damages, DNA double strand breaks (DSB) are considered as key precursor of lethal effects of ionizing radiations. Understand and predict how DNA double and simple strand breaks are created by ionising radiation and repaired in cell nucleus is nowadays a major challenge in radiobiology research. This work presents the results on the simulation of the DNA double strand breaks produced from the energy deposited by the irradiation at the intracellular level. At the nanometric scale, the only method to accurately simulate the topological details of energy deposited on the biological matter is the use of Monte Carlo codes. In this work, we used the Geant4 Monte Carlo code and, in particular, the low energy electromagnetic package extensions, referred as Geant4-DNA processes.In order to evaluate DNA radio-induced damages, the first objective of this work consisted in implementing a detailed geometry of the DNA on the Monte Carlo simulations. Two types of cell nuclei, representing a fibroblast and an endothelium, were described in order to evaluate the influence of the DNA density on the topology of the energy deposits contributing to strand breaks. Indeed, the implemented geometry allows the selection of energy transfer points that can lead to strand breaks because they are located on the backbone. Then, these energy transfer points were analysed with a clustering algorithm in order to reveal groups of aggregates and to study their location and complexity.In this work, only the physical interactions of ionizing radiations are simulated. Thus, it is not possible to achieve an absolute number of strand breaks as the creation and transportation of radical species which could lead to indirect DNA damages is not included. Nevertheless, the aim of this work was to evaluate the relative dependence of direct DNA damages with the DNA density, radiation quality, cell nuclei morphology or also chromatin condensation. The results presented in this work have allowed the quantification of the influence of these different parameters in the number and complexity of directs DNA damages which can then contribute to the late effects on cell fate.Les rayonnements ionisants sont connus pour induire des dommages critiques au sein de la matière biologique et spécialement au sein de l’ADN. Parmi ces dommages, les cassures doubles brins de l’ADN (DSB) sont considérées comme les principales responsables des effets létaux des rayonnements. Comprendre et prédire comment ces cassures sont créées et réparées dans les noyaux cellulaires demeure un défi dans la recherche en radiobiologie. Ce travail s’inscrit dans ce contexte, dans la modélisation des cassures double brin de l’ADN (DSB) à partir des dépôts d’énergie créés par l’irradiation au niveau intracellulaire. Le détail topologique au niveau nanométrique des dépôts d’énergie nécessaire à ce travail est obtenu par modélisation Monte Carlo à l’aide du code Geant4 et, en particulier son extension Geant4-DNA pour des processus à très faible énergie. Les dommages étudiés étant ceux localisés dans l’ADN, le premier objectif de ce travail a été de réaliser une géométrie détaillée de celui-ci afin de l’implémenter dans les calculs Monte Carlo. Deux types de noyaux cellulaires, représentant un fibroblaste et un endothélium, ont été décrits afin d’évaluer l’influence de la densité d’ADN dans les résultats sur la topologie des dépôts pouvant donner lieux à des cassures de la molécule. Cette géométrie nous permet d’effectuer une première sélection des dépôts d’énergie pouvant contribuer aux cassures car situées sur la chaîne sucre-phosphate. Ces dépôts sont ensuite analysés à l’aide d’un algorithme de clustérisation de manière à les regrouper sous forme d’agrégats afin d’étudier leur localisation et complexité. Néanmoins, dans cette étude, seule les interactions physiques entre les rayonnements ionisants et la cible sont modélisées, il n’est donc pas possible d’obtenir un nombre absolu de cassures de brins car cette modélisation n’inclue pas l’étape de création et de transport des radicaux libres pouvant donner lieu à des dommages indirects. Ainsi, le but de ce travail était d’évaluer la dépendance relative des dommages radio-induits directs avec la densité d’ADN, la qualité du rayonnement, la morphologie du noyau ou encore la condensation de la chromatine. Les différentes modélisations réalisées ont permis de quantifier l’influence de ces différents paramètres dans le nombre et la complexité des dommages directs induits dans l’ADN, pouvant ensuite contribuer aux effets tardifs sur le devenir cellulaire

Histoire de la prise en charge des cancers broncho-pulmonaires non à petites cellules de stade précoce : de la chirurgie à la radiothérapie stéréotaxique

International audienceAvant le début du XXème siècle, le cancer broncho-pulmonaire était une maladie rare. Aujourd’hui, c’est le 4ème cancer le plus fréquent en France et concerne, chaque année, près de 50 000 patients. Si à travers l’histoire, la pierre angulaire de la prise en charge thérapeutique du cancer broncho-pulmonaire reste la chirurgie, la radiothérapie en est un des piliers, notamment chez les patients à haut risque chirurgical. La radiothérapie est apparue quelques mois après la découverte des rayons X, en 1896 et, rapidement, des protocoles standardisés ont été mis au point par les premiers radiobiologistes. Ces protocoles sont ceux que nous connaissons encore aujourd’hui : 2 Gy par fraction et 5 fractions par semaine sur une durée totale de 5 à 8 semaines. Si les protocoles ont peu changé en un siècle, la technique et la balistique ont connu de grandes avancées. Ces améliorations ont mené à un bouleversement profond des protocoles. Les améliorations techniques de délivrance de dose, par l’optimisation de l’imagerie, de la précision du positionnement des patients et dans la modulation de la géométrie des faisceaux ont conduit au développement de la radiothérapie en conditions stéréotaxiques ou radiothérapie stéréotaxique. Aujourd’hui, la radiothérapie stéréotaxique est utilisée pour la prise en charge des tumeurs broncho-pulmonaires de stade précoce comme alternative à la chirurgie

Dosimetry for cell irradiation using orthovoltage (40-300 kv) x-ray facilities

International audienceNowadays, the importance of dosimetry protocols and formalisms for radiobiology studies is no longer to be demonstrated. Several protocols were proposed for dose determination on low energy X-rays facilities, but depending on irradiation configurations, samples, materials or beam quality, it is sometimes difficult to know which protocol is the most appropriate. Here, we proposed a new dosimetry protocol for cell irradiations on a low energy X-rays facility. The aim of this method is to perform the dose estimation at the level of the cell monolayer so as close as possible to the real cell irradiation conditions. The different steps of the protocol are the following: i) determination of irradiation parameters (high voltage, intensity, cell container….), ii) determination of the beam quality index (high voltage – half value layer couple), iii) Dose rate measurement with ionization chamber calibrated in air kerma in free in air conditions, iv) quantification of the attenuation of the cell culture medium with EBT3 radiochromic films, v) determination of the dose rate at the cell level. This methodology has to be performed for each new cell irradiation configuration as the modification of only one parameter can strongly impact the real dose deposition at the level of cell monolayer especially considering low energy X-rays