Detection of proton tracks with LiF Fluorescent Nuclear Track Detectors

Fluorescent nuclear track detectors based on LiF crystals were successfully applied for detection of proton induced tracks. Irradiations were performed with protons with energy ranging from 1 MeV up to about 56 MeV and for all proton energies the fluorescent tracks were observed. The tracks are not continuous, but consist of a series of bright spots. The gaps between spots tend to narrow with decreasing proton energy (increasing ionization density). For the highest of the studied energies, the spots are scattered so sparsely, that it is not possible to link spots belonging to one track. The intensity (brightness) of the fluorescent tracks increases with the increasing LET and agrees well with the trend established earlier for various heavier ions.Comment: 12 pages, 12 figure

Effects of 60 MeV protons and 250 kV X-rays on cell viability

Particle radiotherapy such as the one using proton beams, provides a successful treatment approach in many cancer types. However, the cellular and molecular mechanisms by which proton irradiation induces cell death, particularly in a human peripheral blood lymphocyte model has not been examined in detail. Comparative studies of the biological effects, such as cell death, of particle therapy versus conventional X-rays treatment are of utmost importance. Here, we compared the viability of human peripheral blood lymphocyte following in vitro irradiation with protons (therapeutic 60 MeV proton beam) and photon beam (250 kV, X-rays), by applying separate doses within the range of 0.3-4.0 Gy. Cell viability was assessed 1 and 4 h after irradiation with protons and X-rays by the FITC-Annexin V labelling procedure (Apoptotic & Necrotic & Healthy Cells Quantification Kit, Biotium). Results showed that irradiation with both radiation types reduced the number of viable cells in a dose-dependent manner, as assessed as a function of the duration of post-irradiation time. Protons proved more fatal to the cells treated than X-ray photons. This demonstrates a difference in cell viability after irradiation with protons and photons in a human peripheral blood lymphocyte model

Do protons and X-rays induce cell-killing in human peripheral blood lymphocytes by different mechanisms?

Purpose: Significant progress has been made in the technological and physical aspects of dose delivery and distribution in proton therapy. However, mode of cell killing induced by protons is less understood in comparison with X-rays. The purpose of this study is to see if there is any difference in the mode of cell-killing, induced by protons and X-rays in an ex vivo human peripheral blood lymphocyte (HPBL) model. Materials and methods: HPBL were irradiated with 60 MeV proton beam or 250-kVp X-rays in the dose range of 0.3–4.0 Gy. Frequency of apoptotic and necrotic cells was determined by the Fluorescein (FITC)-Annexin V labelling procedure, 1 and 4 h after irradiation. Chip-based DNA Ladder Assay was used to confirm radiation-induced apoptosis and necrosis. Chip-based DNA Ladder Assay was used to confirm radiation-induced apoptosis. Results: Ex vivo irradiation of HPBL with proton beams of 60 MeV or 250 kVp X-rays resulted in apoptotic as well as necrotic modes of cell-killing, which were evident at both 1 and 4 h after irradiation in the whole dose and time range. Generally, our results indicated that protons cause relatively higher yields of cell death that appears to be necrosis compared to X-rays. The analysis also demonstrates that radiation type and dose play a critical role in mode of cell-killing. Conclusion: Obtained results suggest that X-rays and protons induce cell-killing by different modes. Such differences in cell-killing modes may have implications on the potential of a given therapeutic modality to cause immune modulation via programmed cell death (X-rays) or necrotic cell death (proton therapy). These studies point towards exploring for gene expression biomarkers related necrosis or apoptosis to predict immune response after proton therapy

Assessment of exposure to X - rays during patient positioning at the proton eye radiotherapy facility at IFJ PAN, Kraków

At the Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN, Kraków, Poland) the proton eye radiotherapy facility has recently been developed and is now fully operational. A set of two X-ay RAD-14 Varian medical systems tubes are used to obtain orthogonal images of the patient’s eyeball undergoing radiotherapy with tantalum clips already attached to its surface to delineate the tumour volume. We assessed the dose received by the patient from multiple X-ray exposures during the patient positioning procedure. Measurements of Kair were performed using various types of ionization chambers and MCP-N thermoluminescent (TL) detectors and calculated using the PCXMC code. Good agreement between measurements and calculations was found. The mean absorbed dose to the brain was measured using TL detectors placed inside the head of a Rando anthropomorphic phantom used in simulation of the patient positioning procedure. The measured maximum incident air kerma absorbed during the entire procedure of patient positioning was found not to exceed 7 mGy, while the mean absorbed dose to the brain did not exceed 2 mSv

Free radicals properties of gamma irradiated solid forms of drugs

W nowoczesnej medycynie opracowano i rozwinięto szereg metod wyjaławiania substancji leczniczych. Jedną z nich jest sterylizacja poprzez gamma napromieniowanie. Wyjaławianie za pomocą promieniowania jonizującego jest metodą stosowaną przeważnie w odniesieniu do produktów termolabilnych, ponieważ promieniowanie to, tylko nieznacznie podnosi temperaturę wyjaławianych substancji [1-7]. Metoda ta ma także duże uzasadnienie ekonomiczne, między innymi ze względu na możliwość sterylizacji produktów w ich docelowych opakowaniach. Jest więc coraz szerzej stosowana na międzynarodowym rynku leków [3,6-7]. Jałowość produktu nie jest terminem absolutnym oznaczającym, że prawdopodobieństwo znalezienia na lub/i w nim zdolnego do życia mikroorganizmu wynosi zero. To, jakie produkty można uznać za jałowe, opisują Normy Polskie i Europejskie, normy ISO oraz normy branżowe. Napromieniowanie leków, czy innych produktów medycznych, promieniowaniem jonizującym o odpowiedniej dawce i w odpowiednich warunkach prowadzi do osiągnięcia stanu sterylności [1-4]. Za gamma napromieniowaniem, jako metodą sterylizacji stałych postaci leków, przemawia szereg zalet tej metody. Przede wszystkim izotermiczność procesu wyjaławiania. Gamma napromieniowanie jest procesem, w którym wyjaławiana substancja nie ma bezpośredniego kontaktu z żadnymi odczynnikami chemicznymi. W związku z tym, w finalnie wysterylizowanym materiale nie pozostają żadne zanieczyszczenia chemiczne [7]. Ponadto można napromieniowywać już zapakowane produkty - ze względu na wysokie zdolności przenikania promieniowania gamma - co jest niezwykle korzystne z ekonomicznego punktu widzenia [3,6,7]. Produkty medyczne wyjaławiane radiacyjnie nie są w żadnym stopniu radioaktywne [7]. Za wysoką skutecznością tej metody sterylizacji przemawia fakt, że wszystkie mikroorganizmy są w mniejszym lub większym stopniu wrażliwe na promieniowanie gamma [8]. Pomimo coraz szerszego zastosowania radiosterylizacji, nie ma spójnych przepisów, które precyzyjnie i jednoznacznie regulowałyby zagadnienia radiosterylizacji na międzynarodowym rynku leków. Wymagania dotyczące sterylizacji radiacyjnej są różne wposzczególnych krajach [7]. Według normy PN-EN 552 produkt medyczny powinien być napromieniowany dawką nie mniejszą niż 25kGy, a odpowiednią dawkę sterylizacyjną wybiera główny wytwórca wyrobu medycznego na podstawie prac eksperymentalnych [9]. Ważne jest jednak zwrócić uwagę, że już dawka 25 kGy może powodować zmiany w strukturze chemicznej cząsteczki. Konsekwencją zmiany struktury chemicznej napromieniowanych substancji (niezależnie od pochłoniętej dawki) może być [1]: - zanieczyszczenie sterylizowanej próbki produktami rozkładu, - powstawanie toksycznych pochodnych, - zmiany parametrów farmakokinetycznych sterylizowanej substancji. Każda taka zmiana dyskwalifikuje substancję leczniczą z możliwości sterylizacji radiacyjnej. Wśród produktów rozkładu zanieczyszczających radiacyjnie wyjaławiane substancje mogą znajdować się bardzo niebezpieczne wolne rodniki. Znajomość układu wolnych rodników w substancjach poddanych działaniu promieniowania gamma jest więc niezwykle istotna dla doboru metody i parametrów sterylizacji poszczególnych leków. Metodą, która pozwala na ilościowe i jakościowe pomiary wolnych rodników w gamma napromieniowanych substancjach leczniczych jest spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR). Widma EPR badanych substancji leczniczych rejestrowano w temperaturze pokojowej dla próbek w powietrzu. Dla przykładowych leków, celem wyjaśnienie wpływu tlenu na charakter zmian w układzie wolnych rodników, rejestrowano widma EPR dla próbek w atmosferze argonu. Pomiary widm EPR badanych leków wykonano za pomocą spektrometru elektronowego rezonansu paramagnetycznego typu SE/Xz modulacją pola magnetycznego 100kHz (RADIOPAN, Poznań). Częstotliwość promieniowania mikrofalowego rejestrowano miernikiem typu MCM 101 (EPRAD, Poznań). Widma EPR rejestrowano w postaci pierwszej pochodnej absorpcji stosując promieniowanie mikrofalowe o mocy wynoszącej 2 mW, dla której nie obserwujemy nasycenia mikrofalowego sygnału. Całkowita moc mikrofalowa wytwarzana przez klistron wynosiła 70 mW. W prezentowanych badaniach próbki zostały gamma napromieniowane przy użyciu aparatu kobaltowego THERATRON 780E zawierającego izotop kobaltu 60Co. Zgodnie z normą PN-EN 552 [9] dawka promieniowania pochłonięta przez wszystkie badane antybiotyki wynosiła 25kGy. Przeprowadzone pomiary wskazują, dawka 25 kGy powoduje powstawanie wolnych rodników niezależnie od substancji leczniczej. Zarejestrowano natomiast wyraźne różnice w koncentracji wolnych rodników dla różnych substancji leczniczych. Przykład mogą stanowić tu pochodne penicyliny (piperacylina, ampicylina, penicylina krystaliczna) gdzie zarejestrowano najniższe koncentracje wolnych rodników oraz antybiotyki aminoglikozydowe (sisomicyna, tobramycyna, paromomycyna), które okazały się najmniej odporne na promieniowanie gamma - najwyższe koncentracje wolnych rodników wśród badanych próbek. Ważną obserwacją płynącą z niniejszych badań jest fakt, że koncentracja wolnych rodników w analizowanych substancjach leczniczych maleje ze wzrostem czasu przechowywania napromieniowanej próbki. Zjawisko to spowodowane jest prawdopodobnie oddziaływaniem z tlenem a jego kinetykę, można satysfakcjonująco opisać funkcją eksponencjalną. Badania wskazują, że spadek koncentracji wolnych rodników w próbce może to być opisany zależnością jednoeksponencjalną - jeden typ wolnych rodników, bądź dwueksponencjalna - dwa typy wolnych rodników. Ocena współczynników występujących w równaniach opisujących zmiany ilościowe w układzie wolnych rodników gamma napromieniowanych substancji leczniczych wskazują, że najszybszy spadek ilości wolnych rodników jest charakterystyczny dla gamma napromieniowanych antybiotyków pochodnych penicyliny: piperacyliny, ampicyliny i penicyliny krystalicznej. Ponadto analiza parametrów spektroskopowych (zależności amplitudy linii i szerokości linii od mocy mikrofalowej) wskazuje, że wolne rodniki w badanych substancjach rozmieszczone są jednorodnie. Metodą ciągłego nasycenia mikrofalowego linii EPR wykazano, że wolne rodniki w badanych lekach poddanych działaniu promieniowania gamma różnią się szybkością procesów relaksacji spin-sieć. Oddziaływania magnetyczne spin-sieć zachodzą stosunkowo najszybciej w penicylinie krystalicznej, ampicylinie i piperacylinie. Dla wszystkich analizowanych leków zarejestrowano stosunkowo szerokie linie EPR. Szerokie linie wskazują na niewielkie odległości pomiędzy wolnymi rodnikami w gamma napromieniowanych lekach.In modern medicine a number of methods pharmaceutical substances sterilization processes were developed. One of them is gamma irradiation. Radiosterilization is usually used for thermolabile products because gamma rays cases only small temperature rise in sterilized substances [1-7]. This method also brings economic profits because it is possible to sterilize drugs in their final containers. This is the reason why it is more actively used now that any time in international market of drugs [3,6-7]. Sterility is not absolute term mining that probability finding on or/and in it viable forms of life equals zero. Which products can be defined as sterile are described by Polish Norms, European Norms, ISO norms and brand norms. Irradiation of dugs or other medical products by gamma rays in proper dose and conditions leads to its sterility [1-4]. Radiosterilization as a method of solid form of drugs sterilization has a lot of advantages. First of all isothermal course of sterilization process. During gamma irradiation sterilize substance has no direct contact with chemical compounds. This is the reason why in finally sterilized material there is no chemical contaminations [7]. Besides it is possible to sterilized finally packed products - because of high penetrating abilities - what is very advantageous for economic point of view [3,6,7]. Products sterilized by irradiation are not radioactive [7]. This method is so efficient because all microorganisms are more or less radiosensitive [8]. Though more frequent using radiosterilization there are no compact regulation which unequivocally and precisely regulate radiosterilization problems on international market of drugs. Radiosterilization requirements are varied in different countries [7]. According to PN-EN 552 norm medical product should be irradiated with dose at least 25 kGy, and proper sterilization dose is chosen by main product producer based on experimental works [9]. But it is important that even dose of 25kGy can cause changes in chemical structure of molecule. Changes of chemical structure irradiated molecule can result with (independently from absorbed dose): - decontamination of sterilized sample with degradation products - creating toxic derivatives - changes of pharmacokinetics parameters in sterilized substance. Every such change disables medical substance from possibility of radiosterilization. Among decomposition products contaminating radiosterilized substances very dangerous free radicals can be present. Information about free radicals systems in radiosterilized substances is very important to determine method and parameters drug sterilization. EPR spectroscopy is method which brings information about types and amount of free radicals in radiosterilized drugs. EPR spectra of studied drugs were recorded at room temperature. For exemplary drugs, to explain influence oxygen on free radicals system changes, EPR spectra were recorded in argon atmosphere. Measurements of spectra were done by the use of electron paramagnetic resonance spectrometer SE/X type produced by RADIOPAN Firm (Poznań) with modulation of magnetic field of 100kHz. Microwave frequency was evaluated using MCM 101 frequency recorder produced by RADIOPAN - Poznań. The first-derivative EPR spectra were recorded with low microwave power 2mWto avoid the microwave saturation. Total microwave power produced by klystron was about 70mW. In presented studies samples were gamma irradiated by THERATRON 780E containing isotope 60Co. According to PN-EN 552 norm dose of gamma irradiation absorbed by all samples were 25kGy. The performed spectroscopic studies shows that dose of 25kGy generate free radicals in all tested substances. Visible differences in free radicals concentrations in different substances were observed. For example the lowest free radicals concentrations characterize irradiated penicillin derivatives: piperacillin, ampicillin and crystal penicillin and the highest free radicals concentrations - only a slight resistant against gamma irradiation were obtained for irradiated aminoglycoside antibiotics: sisomicin, tobramycin, and paromomycin. It is important that free radicals concentrations in the studied gamma irradiated antibiotics decrease with increasing of storage time. Interactions with oxygen may be responsible for decrease of free radicals concentrations and kinetics of this phenomena can be describe by expotential functions. Performed studies point that free radicals concentrations decay in irradiated sample can by described by expotential function - one type of free radicals in the sample or by biexpotential function - two types of free radicals in irradiated sample. Evaluation of parameters describing free radicals amount changing with storage time increasing in gamma irradiated substances point that the fastest decrease of free radicals concentrations is characteristic for penicillin derivatives: piperacillin, ampicillin and crystal penicillin. Besides EPR spectra parameters analysis (influence of microwave power on amplitude and linewidth of EPR lines) indicate on free radicals homogenous distribution. It was stated, using continuously microwave power saturation method, that free radicals in studied gamma irradiated drugs differ with spin - lattice relaxation processes. The fastest spin - lattice magnetic interactions proceed in piperacillin, ampicillin and crystal penicillin. For all analyzed drags relatively broad EPR lines were recorded. Broad EPR lines point out on small distance between free radicals in gamma irradiated drugs

Comparison of free radicals properties in radiosterilised and thermal sterilized streptomycin

Sterylność substancji leczniczej jest niezwykle istot-na z punktu widzenia bezpieczeństwa farmakoterapii. Sterylizacja leków może powodować powstawanie wolnych rodników. Porównano właściwości wolnych rodników powstających pod wpływem promieniowania termicznego (180°C/30 minut) i promieniowania gamma (25kGy) w streptomycynie. Badania prze-prowadzono przy użyciu techniki elektronowego rezonansu paramagnetycznego EPR na pasmo X. Zarówno dla próbek sterylizowanych termicznie jak i radiacyjnie zarejestrowano szerokie linie EPR. Obydwie metody sterylizacji prowadzą do powstania wysokich koncentracji wolnych rodników (1016–1018 spin/g). Porównanie parametrów linii EPR dla sterylizacji termicznej i radiacyjnej wskazuje na podobne właściwości wolnych rodników w sterylizowanej próbce – niesparowane elektrony zlokalizowane na atomie tlenu. Więcej wolnych rodników, w przypadku zastosowanych parametrów sterylizacji, powstaje w próbkach sterylizowanych radiacyjnie.Sterility of medical substances plays significant role from the point of view of pharmacotherapy safety. Drugs sterilization can cause free radicals forming. It was compared free radicals properties forming in streptomycin under the influence thermal radiation (180°C/30 minutes) and gamma radiation (25kGy). Presented studies were performed by use of X band electron paramagnetic spectrometer. Both for thermal sterilized samples as well as for radiosterilized broad EPR lines were recorded. Both methods of sterilization lead to forming of high concentrations of free radicals (1016–1018spin/g). Comparing of EPR lines parameters for thermal sterilization and radiosterilization point at similar free radicals properties in the studied samples – unpaired electrons located on oxygen atoms. More free radicals, in case of used sterilization parameters, create in radiosterilized samples

Dosimetric characteristics of active solid state detectors in a 60 MeV proton radiotherapy beam

Several solid state detectors, such as dosimetric diodes, MOSFET detectors or diamond detectors are used for quality control of radiotherapy beams. The goal of this work was to determine dosimetric properties of the PTW diamond detector (DD) and the PTW silicon diode in the 60 MeV therapeutic beam (practical range in water Rp = 29.17 mm) located at the Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (IFJ PAN, Kraków). A PTW Markus ionization chamber was used as a reference device. The empirical correction factor for diamond detector, kDD(Rresidual), introduced in the Technical Report Series of IAEA, TRS-398 [9] as a function of beam quality, Rresidual, was found to decrease from 1.12 for Rresidual = 1.5 mm to 1.04 for Rresidual = 26 mm. The reproducibility of response of DD and PTW diodes in the proton filed did not exceed 0.11%. Our results show that diamond detectors and dosimetric diodes are useful tools for quality assurance (QA) of therapeutic proton beam, but each type of detectors has specific properties which should be taken into account when choosing particular application

Application of the micronucleus assay performed by different scorers in case of large-scale radiation accidents

Mass casualty scenarios of radiation exposure require high throughput biological dosimetry techniques for population triage, in order to rapidly identify individuals, who require clinical treatment. Accurate dose estimates can be made by biological dosimetry, to predict the acute radiation syndrome (ARS) within days after a radiation accident or a malicious act involving radiation. Timely information on dose is important for the medical management of acutely irradiated persons [1]. The aim of the study was to evaluate the usefulness of the micronuclei (MNi) scoring procedure in an experimental mode, where 500 binucleated cells were analyzed in different exposure dose ranges. Whole-body exposure was simulated in an in vitro experiment by irradiating whole blood collected from one healthy donor with 60 MeV protons and 250 keV X-rays, in the dose range of 0.3–4.0 Gy. For achieving meaningful results, sample scoring was performed by three independent persons, who followed guidelines described in detail by Fenech et al. [2, 3]. Compared results revealed no signifi cant differences between scorers, which has important meaning in reducing the analysis time. Moreover, presented data based on 500 cells distribution, show that there are significant differences between MNi yields after 1.0 Gy exposure of blood for both protons and X-rays, implicating this experimental mode as appropriate for the distinction between high and low dose-exposed individuals, which allows early classification of exposed victims into clinically relevant subgroups

Alanine dosimetry of 60 MeV proton beam - preliminary results

Electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometry (X-band) was used to determine the dose absorbed in alanine detectors, of different shapes and different alanine content, irradiated with Co-60 gamma rays and in a 60 MeV proton beam. The goal of our study was to confirm applicability of alanine as a passive detector in therapeutic proton beam. In the paper dose response characteristic and relative efficiency of alanine are shown. The study confirmed that alanine detectors with a high alanine content (ca. 95%) may be a useful and convenient tool for dose measurements in proton beams, used for eye cancer treatment