体中心のキュービックモデルを使用した放射線療法における金ナノ粒子のクラスター形態に対する用量増強の依存に関する研究

放射線療法の用量増強のために体内に注入された金ナノ粒子（GNP）は、クラスターを形成することが知られています。Monte-Carloシミュレーションを使用して、GNP形態に関する用量増強の依存性を調査し、モデル予測と実験データと比較しました。クラスターの形態は、8コーナーにGNPを配置し、4×4×4 µm3の水で充填されたファントムで0.22-1.03 µmのエッジ長のキューブの中心にGNPを配置することにより、体中心の立方体（BCC）構造として近似されました。12の異なるキューブサイズのキューブセンターからの距離の関数として、50および260 kvp光子の線量増強比（DER）を計算しました。キューブセンターのGNPから、10 nmの幅の同心円形の検出器を最大100 nm離れて配置しました。モデルの検証のために、BCCおよびナノ粒子ランダム分布（NRD）モデルに基づくシミュレーションは、GNPによる相対生物学的効果の増加を測定する実験条件に対応するパラメーターを使用して実行されました。線形二次モデルを使用して、細胞生存率（SF）および増感剤増強比（SER）を計算しました。derは、GNPまでの距離に反比例します。最大のDERは、それぞれ50 kvpと260 kvpの光子で1.97と1.80でした。BCCモデルによって予測されたSFは、最大5 GY用量の10％以内の実験値と一致しましたが、NRDモデルは10％を超える偏差を示しました。SERSは、実験、BCC、およびNRDモデルによると、それぞれ1.21±0.13、1.16±0.11、および1.08±0.11でした。BCC近似を使用してGNP放射線感覚効果を最も正確に予測し、BCCモデルがナノ粒子線量測定での使用に効果的であることを示唆しています。

Gold nanoparticles (GNPs) injected in a body for dose enhancement in radiation therapy are known to form clusters. We investigated the dependence of dose enhancement on the GNP morphology using Monte-Carlo simulations and compared the model predictions with experimental data. The cluster morphology was approximated as a body-centred cubic (BCC) structure by placing GNPs at the 8 corners and the centre of a cube with an edge length of 0.22-1.03 µm in a 4  ×  4  ×  4 µm3 water-filled phantom. We computed the dose enhancement ratio (DER) for 50 and 260 kVp photons as a function of the distance from the cube centre for 12 different cube sizes. A 10 nm-wide concentric shell shaped detector was placed up to 100 nm away from a GNP at the cube centre. For model validation, simulations based on BCC and nanoparticle random distribution (NRD) models were performed using parameters that corresponded to the experimental conditions, which measured increases in the relative biological effect due to GNPs. We employed the linear quadratic model to compute cell surviving fraction (SF) and sensitizer enhancement ratio (SER). The DER is inversely proportional to the distance to the GNPs. The largest DERs were 1.97 and 1.80 for 50 kVp and 260 kVp photons, respectively. The SF predicted by the BCC model agreed with the experimental value within 10%, up to a 5 Gy dose, while the NRD model showed a deviation larger than 10%. The SERs were 1.21  ±  0.13, 1.16  ±  0.11, and 1.08  ±  0.11 according to the experiment, BCC, and NRD models, respectively. We most accurately predicted the GNP radiosensitization effect using the BCC approximation and suggest that the BCC model is effective for use in nanoparticle dosimetry.