Calculation of Radiation-induced DNA Damage Efficiency. Analysis of Uncertainties

Yu. A. Eidelman; Эйдельман Ю. А.; I. V. Salnikov; Сальников И. В.; S. G. Andreev; Андреев С. Г.

doi:10.31857/S086980312301006X

АНАЛИЗ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ РАСЧЕТОВ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК

Авторы: Эйдельман Ю.А.¹^,2, Сальников И.В.¹, Андреев С.Г.¹^,2
Учреждения:
1. Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН
2. Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ
Выпуск: Том 63, № 1 (2023)
Страницы: 34-46
Раздел: Общая радиобиология
URL: https://bakhtiniada.ru/0869-8031/article/view/137643
DOI: https://doi.org/10.31857/S086980312301006X
EDN: https://elibrary.ru/JXAGEO
ID: 137643

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Компьютерные вычисления эффективности образования радиационно-индуцированных повреждений ДНК достаточно широко востребованы в радиобиологии и биомедицине. Методы расчета основаны на молекулярных представлениях об образовании разрывов, структуре ДНК и информации о распределении поглощенной энергии излучения в ядре клетки. Поскольку расчетные данные используют разные предпосылки, постулаты и алгоритмы, сопоставление точности расчетов по разным схемам часто затруднено, как и определение параметров моделей разрывов с учетом разброса экспериментальных данных. В данной работе проведен сравнительный анализ предсказаний двух базовых моделей структуры ДНК, молекулярной и субобъемной, использующих различные предположения о механизме образования одно- и двунитевых разрывов ДНК, на примере облучения фрагментов ДНК протонами и α-частицами. Расчеты эффективности радиационных повреждений ДНК, учитывающие вклады прямого и квазипрямого действия, молекулярную структуру ДНК и стохастическую структуру трека заряженных частиц, показывают зависимость частот повреждений ДНК от параметров моделей. Найдены области параметров, где предсказания моделей согласуются или отличаются друг от друга.

Ключевые слова

заряженные частицы, компьютерное моделирование, метод Монте-Карло, повреждения ДНК, однонитевые разрывы ДНК, двунитевые разрывы ДНК, структура трека

Список литературы

Fairbairn D.W., Olive P.L., O’Neill K.L. The comet assay: a comprehensive review // Mutat. Res. 1995. V. 339. № 1. P. 37–59. https://doi.org/10.1016/0165-1110(94)00013-3
Stenerlöw B., Blomquist E., Grusell E. et al. Rejoining of DNA double-strand breaks induced by accelerated nitrogen ions // Int. J. Radiat. Biol. 1996. V. 70. № 4. P. 413–420. https://doi.org/10.1080/095530096144888
Stenerlöw B., Höglund E., Carlsson J., Blomquist E. Rejoining of DNA fragments produced by radiations of different linear energy transfer // Int. J. Radiat. Biol. 2000. V. 76. № 4. P. 549–57.https://doi.org/10.1080/095530000138565
Ivashkevich A.N., Martin O.A., Smith A.J. et al. γH2AX foci as a measure of DNA damage: a computational approach to automatic analysis // Mutat. Res. 2011. V. 711. № 1–2. P. 49–60. https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2010.12.015
Charlton D.E., Nikjoo H., Humm J.L. Calculation of initial yields of single- and double-strand breaks in cell nuclei from electrons, protons and alpha particles // Int. J. Radiat. Biol. 1989. V. 56. № 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1080/09553008914551141
Pomplun E. A new DNA target model for track structure calculations and its first application to I–125 Auger electrons // Int. J. Radiat. Biol. 1991. V. 59. № 3. P. 625–642. https://doi.org/10.1080/09553009114550561
Khvostunov I.K., Andreev S.G., Pitkevich V.A., Chepel V.Yu. Novel algorithm for analysis of DNA and chromatin damage induced by ionising with different quality // Proc. of 10th Int. Congr. Radiation Research / Eds U. Hagen, D. Harder, H. Jung, C.S. Streffer. Wurzburg, 1995. V. 2. P. 254–257.
Friedland W., Jacob P., Paretzke H.G., Stork T. Monte Carlo simulation of the production of short DNA fragments by low-linear energy transfer radiation using higher-order DNA models // Radiat. Res. 1998. V. 150. № 2. P. 170–182. https://doi.org/10.2307/3579852
Nikjoo H., O’Neill P., Wilson W.E., Goodhead D.T. Computational approach for determining the spectrum of dNA Damage induced by ionizing radiation // Radiat. Res. 2001. V. 156. №5. Part 2. P. 577–583. https://doi.org/10.1667/0033-7587(2001)156[0577:cafdts]2.0.co;2
Henthorn N.T., Warmenhoven J.W., Sotiropoulos M. et al. Nanodosimetric simulation of direct ion-induced DNA damage using different chromatin geometry models // Radiat. Res. 2017. V. 188. № 6. P. 690–703. https://doi.org/10.1667/RR14755.1
Zhu H., McNamara A.L., McMahon S.J. et al. Cellular response to proton irradiation: a simulation study with TOPAS-nBio // Radiat. Res. 2020. V. 194. № 1. P. 9–21. https://doi.org/10.1667/RR15531.1
Kyriakou I., Sakata D., Tran H.N. et al. Review of the Geant4-DNA Simulation toolkit for radiobiological applications at the cellular and DNA level // Cancers (Basel). 2021. V. 14. № 1. P. 35. https://doi.org/10.3390/cancers14010035
Shin W.-G., Sakata D., Lampe N. et al. A Geant4-DNA evaluation of radiation-induced DNA damage on a human fibroblast // Cancers (Basel). 2021. V. 13. № 19. P. 4940. https://doi.org/10.3390/cancers13194940
Mokari M., Moeini H., Soleimani M. et al. Calculation of microdosimetric spectra for protons using Geant4-DNA and a μ-randomness sampling algorithm for the nanometric structures // Int. J. Radiat. Biol. 2021. V. 97. № 2. P. 208–218. https://doi.org/10.1080/09553002.2021.1854488
Friedland W., Jacob P., Bernhardt P. et al. Simulation of DNA damage after proton irradiation // Radiat. Res. 2003. V. 159. № 3. P. 401–410. https://doi.org/10.1667/0033-7587(2003)159[0401:soddap]2.0.co;2
Incerti S., Baldacchino G., Bernal M. et al. The Geant4-DNA project // Int. J. Model. Simul. Sci. Comput. 2010. V. 1. № 2. P. 157–178. https://doi.org/10.1142/S1793962310000122
Chandrasekaran R., Arnott S. The structure of B-DNA in oriented fibers // J. Biomolec. Struct. Dynam. 1996. V. 13. № 6. P. 1015–1027. https://doi.org/10.1080/07391102.1996.10508916
ICRU report 49. Stopping powers and ranges for protons and alpha particles. International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, Maryland, USA, 1993. 295 p.
Андреев С.Г., Эйдельман Ю.А., Хвостунов И.К. и др. Биофизическое моделирование радиационных повреждений генетических структур клетки // Радиац. биология. Радиоэкология. 2005. Т. 45. № 5. С. 549–560. [Andreev S.G., Eidelman Yu.A., Salnikov I.V., Khvostunov I.K. et al. The biophysical modeling of radiation induced genetic damage // Radiats. Biol. Radioecol. 2005. V. 45. № 5. P. 549–560. (In Russ.)]
Andreev S.G., Eidelman Yu.A., Salnikov I.V., Khvostu-nov I.K. Mechanistic modelling of genetic and epigenetic events in radiation carcinogenesis // Radiat. Prot. Dosim. 2006. V. 122. № 1–4. P. 335–339. https://doi.org/10.1093/rpd/ncl463
Prise K.M., Ahnström G., Belli M. et al. A review of dsb induction data for varying quality radiations // Int. J. Radiat. Biol. 1998. V. 74. № 2. P. 173–184. https://doi.org/10.1080/095530098141564
Frankenberg D., Brede H.J., Schrewe U.J. et al. Induction of DNA double-strand breaks by 1H and 4He lons in primary human skin fibroblasts in the LET range of 8 to 124 keV/microm// Radiat. Res. 1999. V. 151. № 5. P. 540–549. https://doi.org/10.2307/3580030
Belli M., Cherubini R., Dalla Vecchia M. et al. DNA DSB induction and rejoining in V79 cells irradiated with light ions: a constant field gel electrophoresis study // Int. J. Radiat. Biol. 2000. V. 76. № 8. P. 1095–1104. https://doi.org/10.1080/09553000050111569