Расчёты доз внутреннего облучения нано-, микро- и макро-биоструктур электронами, бета-частицами и квантовым излучением различной энергии при разработках и исследованиях новых РФП в ядерной медицине

«Радиация и риск». 2015. Том 24. № 1, с.35-60

Сведения об авторах

Степаненко В.Ф. – зав. лаб., д.б.н., проф. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России. Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. Тел.: +7 (484) 399-70-02; e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. .
Яськова Е.К. – в.н.с., к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Белуха И.Г. – с.н.с., к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Петриев В.М. – в.н.с., д.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Скворцов В.Г. – зав. лаб., к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Колыженков Т.В. – ст.н.с., к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Петухов А.Д. – м.н.с. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Дубов Д.В. – ст.н.с, к.б.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.

Аннотация

Разработан универсальный подход, позволяющий проводить расчёты поглощённых доз при внутреннем облучении нано-, микро- и макро-биоструктур электронами, бета-частицами и квантовым излучением в широком диапазоне энергий, практически полностью охватывающий диапазон энергий излучений радионуклидов, применяемых в экспериментальной и клинической ядерной медицине. Представлены полиномиальные функции, описывающие распределение поглощённой энергии в биологической ткани вокруг точечных изотропных источников электронного и квантового излучения в диапазоне энергий от 0,1 кэВ до 10 МэВ для электронов и от 10 кэВ до 4 МэВ для квантового излучения. Интегрирование этих функций по объёмам биоструктур – «источников» и «мишеней» – позволяет проводить расчёты распределения поглощённой энергии при внутреннем облучении нано-, микро- и макро-биоструктур электронами, бета-частицами, характеристическими и гамма-квантами, излучаемыми различными радионуклидами, применяемыми в экспериментальной и клинической ядерной медицине. Разработанный метод расчёта доз внутреннего облучения применён для изучения распределения поглощённой дозы в объёме опухоли (перевиваемая карцинома Эрлиха) при экспериментальных исследованиях радиофармпрепарата (РФП) на основе альбуминовых микросфер, содержащих ¹⁵³Sm. Продемонстрирована значительная неравномерность распределения дозы при введении РПФ в центр опухоли и оценена возможность снижения этой неравномерности. Полученные данные показывают, на примере ¹⁵³Sm, что выбор места локализации препарата в объёме опухоли играет важное значение для достижения максимального радиационного воздействия на все клетки опухоли. Так, в случае ¹⁵³Sm продемонстрировано, что распределение источника излучения по периферии опухоли с радиусом 0,8 см позволяет заметно выровнять распределение дозы внутри опухоли по сравнению со случаем расположения источника в центральной части опухоли. С применением разработанного метода получены данные об уровнях облучения субклеточных микроструктур (ядро, цитоплазма и мембрана клетки) радионуклидами ⁵¹Cr, ⁶⁷Ga, ¹¹¹In, ¹²³I, ¹²⁵I,⁷⁷Br, являющимися каскадными излучателями Ожэ-электронов и электронов Костера-Кронига и создающими высокую локальную плотность ионизации в биоструктурах нанометрических размеров. В результате дано обоснование для выделения следующих Ожэ-излучателей, перспективных для разработки РФП с целью избирательного радиационного воздействия на ДНК опухолевых клеток: ¹²³I, ¹²⁵I, ⁷⁷¹¹¹In. Показано также, что при каждом акте фотоэффекта на присоединённых к молекуле ДНК стабильных атомах йода и брома, а также на нативном фосфоре ДНК, в результате каскадного излучения электронов малой энергии в объёме с диаметром около 100 нанометров вокруг атома поглощается энергия от 0,3 кэВ до 0,8 кэВ. Эта энергия сравнима с величиной поглощённой энергии при распаде радиоактивного ¹²⁵I. Результаты оценок ожидаемых величин относительной биологической эффективности (ОБЭ) при фотоэффекте на присоединённых к ДНК клеток меланомы В16 атомах йода или брома обосновывают перспективность дальнейших исследований этого явления для разработки методов бинарной радиотерапии, с использованием фотоэффекта на тяжёлых экзогенных атомах (например, таких как йод или бром), присоединённых к ДНК опухолевых клеток.

Ключевые слова
Дозиметрия внутреннего облучения, нано-дозиметрия, микродозиметрия, ядерная медицина, конверсионные электроны, электроны Ожэ, электроны Костера-Кронига, бета-частицы, характеристическое квантовое излучение, гамма-кванты, радионуклиды, радиофармпрепараты, микросферы альбумина, ДНК, йододеокосиуридин, бромодеоксиуридин.

Список цитируемой литературы

1. Briemeister J.F. MCNP – a general Monte-Carlo n-particle transport code. Version 4B. Los Alamos, 1997.

2. Report on the Task Group on Reference Man //ICRP Publication no. 23. Chapter 2. Elsevier Ltd, 1975. P. 335-365.

3. Bolch W.E., Eckerman K.F., Sgouros G., Thomas R. MIRD Pamphlet No. 21: A Generalized Schema for Radi-opharmaceutical Dosimetry-Standardization of Nomenclature //J. Nucl. Med. 2009. V. 50, N 11. P. 477-484.

4. Степаненко В.Ф. Радиобиологическая значимость электронов малых энергий при внутреннем гамма-электронном облучении (радиационные аспекты): дис. … канд. биол. наук. Обнинск, 1978. 219 с.

5. Степаненко В.Ф., Яськова Е.К., Белуха И.Г., Дубов Д.В. Расчёт распределения поглощённой энергии в нано-, микро- и макро-биоструктурах, моделируемых сферическими объёмами, при внутреннем облучении электронами и бета-частицами (sphere-electron). Авторское свидетельство № 2012619812 о государственной регистрации программы для ЭВМ от 31 октября 2012 г. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности и патентам (Роспатент), 2012.

6. Степаненко В.Ф., Белуха И.Г., Яськова Е.К., Дубов Д.В. Расчёт распределения поглощённой энер-гии в нано-, микро- и макро-биоструктурах, моделируемых объёмами в виде слоя конечной толщины, при внутреннем облучении электронами и бета-частицами (layer-electron). Авторское свидетельство № 2013610046 о государственной регистрации программы для ЭВМ от 9 января 2013 г. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности и патентам (Роспатент), 2013.

7. Степаненко В.Ф., Яськова Е.К., Белуха И.Г., Дубов Д.В. Расчёт распределения поглощённой энергии в биоструктурах, моделируемых сферическими объёмами, при внутреннем облучении гамма-квантами (sphere-gamma). Авторское свидетельство № 2013618419 о государственной регистрации программы для ЭВМ от 9 сентября 2013 г. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности и патентам (Роспатент), 2013.

8. Степаненко В.Ф., Белуха И.Г., Яськова Е.К., Дубов Д.В. Расчёт распределения поглощённой энергии в биоструктурах, моделируемых объёмами в виде слоев, при внутреннем облучении гамма-квантами (layer-gamma). Авторское свидетельство № 2013619974 о государственной регистрации программы для ЭВМ от 26 августа 2013 г. М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности и патентам (Роспатент), 2013.

9. Скворцов В.Г., Степаненко В.Ф., Петриев В.М., Орлов М.Ю., Яськова Е.К., Крюкова И.Г., Соко-лов В.А., Борышева Н.Б., Ширяева В.К., Орленко С.П., Хайлов А.М, Цыб А.Ф. Фармакокинетические и дозиметрические характеристики нового радиофармпрепарата ¹⁰³Pd микросферы альбумина //Радиационная биология. Радиоэкология. 2010. Т. 15, № 6. С. 703-711.

10. Степаненко В.Ф., Петриев В.М., Орлов М.Ю., Крюкова И.Г., Соколов В.А., Цыб А.Ф., Скворцов В.Г. Дозы внутреннего облучения организма в экспериментальных исследованиях нового препарата на основе ¹⁰³Pd и микросфер альбумина для радионуклидной терапии //Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Вып. 15. Калуга: КНЦ АКО РФФИ, 2010. С. 171-180.

11. Орлов М.Ю., Степаненко В.Ф., Петриев В.М., Скворцов В.Г., Борышева Н.Б., Волков Д.М. Особенности распределения дозы облучения биологических тканей после введения в опухоль альбуминовых микросфер с ¹⁰³Pd //Медицинская физика. 2011. Т. 51, № 3. C. 47-51.

12. Яськова Е.К., Степаненко В.Ф., Петриев В.М., Скворцов В.Г., Соколов В.А., Крюкова И.Г., Ширяева В.К., Белорукова Н.В., Калашникова Е.Е., Дубов Д.В., Цыб А.Ф. Оценка поглощённых доз внутреннего облучения лабораторных животных при введении радиофармпрепаратов, меченных ^99mТс и ¹⁸⁸Re //Радиация и риск. 2010. Т. 19, № 4. C. 50-57.

13. Dillman L.T., Von der Lage. Radionuclide decay schemes and nuclear parameters for use in radiation-dose estimation. MIRD Pamphlet № 10. NY: MIRD, 1975. 117 p.

14. Stepanek J., Larsson B., Weinreich R. Auger-electron spectra of radionuclides for therapy and diagnostics //Acta Oncologica. 1996. V. 35, N 7. P. 863-868.

15. Stepanek J., Ilvonen S.A., Kuronen A.A., Lampinen I.S., Savolainen E., Valimaki P.J. Radiation spectra of ¹¹¹In, ^113mIn, ^114mIn //Acta Oncologica. 2000. V. 39, N 6. P. 667-671.

16. Lee B.Q., Kibedi T., Stuchbery A.E., Robertson K.A. Atomic radiations in the decay of medical radioisotopes: a physics perspective //Computational and Mathematical Methods in Medicine. Volume 2012 (2012). Article ID 651475. 14 p.

17. Степаненко В.Ф., Петриев В.М., Орлов М.Ю., Скворцов В.Г., Белуха И.Г., Дубов Д.В., Яськова Е.К., Цыб А.Ф. Каскадные излучатели электронов малой энергии для разработки новых терапевтических радиофармпрепаратов //Медицинская физика. 2013. T. 58, № 2. С. 15-19.

18. Charlton D.E., Humm J.L. A method of calculating initial DNA strand breakage following the decay of incorporated ¹²⁵I //Int. J. Radiat. Biol. 1988. V. 53. P. 353-365.

19. Datta K., Weinfeld M., Neumann R.D. Determination and analysis of site-specific ¹²⁵I decay-induced DNA double-strand break end-group structures //Radiation Research. 2007. V. 167. P. 152-166.

20. Степаненко В.Ф., Белуха И.Г., Дубов Д.В., Яськова Е.К. Нанодозиметрическое обоснование избирательного радиационного воздействия на хромосомы каскадными излучателями электронов малой энергии //Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2012. Т. 57, № 6. C. 5-8.

21. Степаненко В.Ф., Белуха И.Г., Дубов Д.В., Яськова Е.К., Цыб А.Ф. Нанодозиметрическое обоснование повышения биологической эффективности низкоэнергетичного гамма-излучения с терапевтическими целями //Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, медицине, фармакологии: сборник статей Четвёртой Международной научно-практической конференции. СПб.: Из-во Политехнического университета. 2012. T. 1. С. 118-120.

22. Sastry R.S.R. Biological effects of the Auger emitter 125I: a review. Report no. 1 of AAPM Nuclear Medicine Task Group no. 6 //Med. Phys. 1992. V. 19. P. 1361-1370.

Полная версия статьи