Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations

The understanding of the interactions between ionizing particles and biomolecules, as well as the prediction of their effects, remains a key challenge of radiobiology. When ionizing radiation interacts with biological materials, it changes the electronic properties of the targeted biomolecules. Duri...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μαγκούνη, Μαρία
Άλλοι συγγραφείς: Magkouni, Maria
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23783
id nemertes-10889-23783
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Radiolysis
Ionizing radiation
Geant4-DNA
Ραδιόλυση
Ιοντίζουσα ακτινοβολία
spellingShingle Radiolysis
Ionizing radiation
Geant4-DNA
Ραδιόλυση
Ιοντίζουσα ακτινοβολία
Μαγκούνη, Μαρία
Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
description The understanding of the interactions between ionizing particles and biomolecules, as well as the prediction of their effects, remains a key challenge of radiobiology. When ionizing radiation interacts with biological materials, it changes the electronic properties of the targeted biomolecules. During this time, a great number of chemical reactions take place. Each cell is primarily consisting of water, just like the human body. As a result, there is a high probability of the radiation to interact with the water as it covers most of the cell's volume. The interaction of ionizing radiation with atoms of water molecules, which are common in biological systems, is known as water radiolysis. The damages caused by water radiolysis products are termed indirect effects of ionizing radiation. Water radiolysis is a procedure during which molecules become unstable by ionizing radiation particles such as electrons, or heavy ions, and leads to the formation of free radical species in water (OH-·, H, e-aq, H2, H202). The number of free radicals that are produced by ionizing radiation depends on the total dose. Molecules or molecular fragments with one or more unpaired electrons in atomic or molecular orbitals are referred to as free radicals. Free radicals are uncharged, very reactive, and short-lived molecules. These new molecular species may either interact with each other, producing other molecules or they may interact chemically with tissues, cells, and the DNA causing molecular structural damage. Free radicals may cause damage to DNA by stealing their electrons through a process called oxidation, leading to the impairment of function or cell death. Indirect biological damage due to reactive species and radicals produced by water radiolysis reactions is responsible for most of the biological effects (~2/3 of the total radiation damage), as water is the primary constituent of most living organisms. However, this proportion varies, depending on the type of the radiation as well as its energy. Several Monte Carlo Track Structure (MCTS) models have been developed to estimate biological damage caused by ionizing radiation at the DNA level. Geant4-DNA simulates ionizing radiation interactions in liquid water, as well as the pre-chemical and chemical stages of water radiolysis. The purpose of the present study is to investigate the effect of radiation type in water radiolysis by using Monte Carlo simulations. More specifically the Geant4-DNA extension of Geant4 was used. The Geant4-DNA collaboration provides a list of six examples for the simulation of water radiolysis. In this work, an in-house version of the chem3 example of the Geant4-DNA package was used (geant4 / examples / extended / medical / dna / chem3). This example simulates and records the free radicals produced when a particle isallowed to interact with a water sphere. This thesis, investigated the number of free radicals produced, depending on the energy and the type of the radiation particle.
author2 Magkouni, Maria
author_facet Magkouni, Maria
Μαγκούνη, Μαρία
author Μαγκούνη, Μαρία
author_sort Μαγκούνη, Μαρία
title Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
title_short Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
title_full Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
title_fullStr Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
title_full_unstemmed Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations
title_sort effect of radiation type in water radiolysis using monte carlo simulations
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23783
work_keys_str_mv AT mankounēmaria effectofradiationtypeinwaterradiolysisusingmontecarlosimulations
AT mankounēmaria meletētēsepidrasēstoueidoustēsaktinoboliasstēnsicradiolysētouneroumetēnsicchrēsēprosomoiōseōnmontecarlo
_version_ 1771297160621457408
spelling nemertes-10889-237832022-11-09T04:34:51Z Effect of radiation type in water radiolysis using Monte Carlo simulations Μελέτη της επίδρασης του είδους της ακτινοβολίας στην [sic] ραδιόλυση του νερού με την [sic] χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo Μαγκούνη, Μαρία Magkouni, Maria Radiolysis Ionizing radiation Geant4-DNA Ραδιόλυση Ιοντίζουσα ακτινοβολία The understanding of the interactions between ionizing particles and biomolecules, as well as the prediction of their effects, remains a key challenge of radiobiology. When ionizing radiation interacts with biological materials, it changes the electronic properties of the targeted biomolecules. During this time, a great number of chemical reactions take place. Each cell is primarily consisting of water, just like the human body. As a result, there is a high probability of the radiation to interact with the water as it covers most of the cell's volume. The interaction of ionizing radiation with atoms of water molecules, which are common in biological systems, is known as water radiolysis. The damages caused by water radiolysis products are termed indirect effects of ionizing radiation. Water radiolysis is a procedure during which molecules become unstable by ionizing radiation particles such as electrons, or heavy ions, and leads to the formation of free radical species in water (OH-·, H, e-aq, H2, H202). The number of free radicals that are produced by ionizing radiation depends on the total dose. Molecules or molecular fragments with one or more unpaired electrons in atomic or molecular orbitals are referred to as free radicals. Free radicals are uncharged, very reactive, and short-lived molecules. These new molecular species may either interact with each other, producing other molecules or they may interact chemically with tissues, cells, and the DNA causing molecular structural damage. Free radicals may cause damage to DNA by stealing their electrons through a process called oxidation, leading to the impairment of function or cell death. Indirect biological damage due to reactive species and radicals produced by water radiolysis reactions is responsible for most of the biological effects (~2/3 of the total radiation damage), as water is the primary constituent of most living organisms. However, this proportion varies, depending on the type of the radiation as well as its energy. Several Monte Carlo Track Structure (MCTS) models have been developed to estimate biological damage caused by ionizing radiation at the DNA level. Geant4-DNA simulates ionizing radiation interactions in liquid water, as well as the pre-chemical and chemical stages of water radiolysis. The purpose of the present study is to investigate the effect of radiation type in water radiolysis by using Monte Carlo simulations. More specifically the Geant4-DNA extension of Geant4 was used. The Geant4-DNA collaboration provides a list of six examples for the simulation of water radiolysis. In this work, an in-house version of the chem3 example of the Geant4-DNA package was used (geant4 / examples / extended / medical / dna / chem3). This example simulates and records the free radicals produced when a particle isallowed to interact with a water sphere. This thesis, investigated the number of free radicals produced, depending on the energy and the type of the radiation particle. Η κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ιονιζόντων σωματιδίων και βιομορίων, καθώς και η πρόβλεψη των επιπτώσεών τους, παραμένουν μια βασική πρόκληση στην Ραδιοβιολογια. Κατά την αλληλεπίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας με βιολογικά μέσα, συμβαίνουν αλλαγές στις ηλεκτρονικές ιδιότητες των στοχευμένων βιομορίων. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, αρχίζει ένας μεγάλος αριθμός χημικών αντιδράσεων. Κάθε κύτταρο αποτελείται κυρίως από νερό, όπως και το ανθρώπινο σώμα. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με το νερό που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του όγκου του κυττάρου. Η αλληλεπίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας με άτομα μορίων νερού, που είναι κοινά στα βιολογικά συστήματα, είναι γνωστή ως ραδιόλυση του νερού. Οι βλάβες που προκαλούνται από τα προϊόντα ραδιόλυσης του νερού ονομάζονται έμμεσες επιδράσεις της ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Η ραδιόλυση νερού είναι μια διαδικασία με την οποία τα μόρια καθίστανται ασταθή μέσω σωματιδίων ιοντίζουσας ακτινοβολίας, όπως ηλεκτρόνια ή βαρέα ιόντα, και οδηγεί στο σχηματισμό ελεύθερων ριζών στο νερό (OH-·, H, e-aq, H2, H202). Ο αριθμός των ελεύθερων ριζών που παράγονται από την ιοντίζουσα ακτινοβολία εξαρτάται από τη συνολική δόση. Τα μόρια ή τα μοριακά θραύσματα με ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε ατομικά ή μοριακά τροχιακά αναφέρονται ως ελεύθερες ρίζες. Οι ελεύθερες ρίζες είναι αφόρτιστα, πολύ αντιδραστικά και βραχύβια μόρια. Αυτά τα νέα μοριακά είδη μπορούν είτε να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, παράγοντας άλλα μόρια είτε μπορούν να αλληλεπιδράσουν χημικά με ιστούς, κύτταρα και το DNA και να προκαλέσουν μοριακή δομική βλάβη. Οι ελεύθερες ρίζες μπορούν να προκαλέσουν βλάβη στο DNA κλέβοντας τα ηλεκτρόνια τους μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται οξείδωση, οδηγώντας σε βλάβη της λειτουργίας ή στον θάνατο του κυττάρου. Η έμμεση βιολογική βλάβη που οφείλεται σε αντιδραστικά είδη και ρίζες που παράγονται μέσω της ραδιόλυσης του νερού είναι υπεύθυνη για τις περισσότερες βιολογικές επιδράσεις (~ 2/3 της συνολικής ζημιάς από την ακτινοβολία), καθώς το νερό είναι το κύριο συστατικό των περισσότερων ζωντανών οργανισμών. Ωστόσο, αυτή η αναλογία ποικίλλει, ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας καθώς και την ενέργειά της. Έχουν αναπτυχθεί αρκετά μοντέλα δομής-τροχιάς του κώδικα Monte Carlo (MCTS) προκειμένου να εκτιμηθεί η βιολογική βλάβη που προκαλείται από τις ιοντίζουσες ακτινοβολίες σε επίπεδο DNA. Ο κώδικας Geant4-DNA (προσβάσιμο πλαίσιο λογισμικού) προσομοιώνει τις αλληλεπιδράσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε υγρό νερό, καθώς επίσης και τα προχημικά και χημικά στάδια της ραδιόλυσης του νερού. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση της επίδρασης του τύπου ακτινοβολίας στην ραδιόλυση του νερού χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Monte Carlo. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο Geant4-DNA του κώδικα Geant4. Η επέκταση Geant4-DNA προσφέρει μια λίστα με έξι παραδείγματα για την προσομοίωση της ραδιόλυσης του νερού. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκε το παράδειγμα chem3 του πακέτου Geant4-DNA (geant4 / examples / extended / medical / dna / chem3). Αυτό το παράδειγμα δείχνει και καταγράφει τις ελεύθερες ρίζες που παράγονται όταν ένα σωματίδιο αφήνεται να αλληλεπιδράσει με μια σφαίρα υγρού νερού. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει τον αριθμό των ελεύθερων ριζών που παράγονται, ανάλογα με την ενέργεια και τον τύπο του σωματιδίου ακτινοβολίας. 2022-11-08T11:21:50Z 2022-11-08T11:21:50Z 2022-09-06 https://hdl.handle.net/10889/23783 en Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/ application/pdf