Первичная оценка радиобиологического ответа на облучение ускоренными ионами углерода in silico и in vivo

В представленной работе исследуются вопросы радиобиологической эффективности облучения ионами углерода, получаемыми на ускорительном комплексе У-70. Особое внимание уделено комплексному подходу, сочетающему расчётные ( in silico ) методы на базе ранее разработанного программного обеспечения и экспериментальные исследования (in vivo) на лабораторных животных с перевиваемыми опухолями. Такой подход позволяет уточнить пространственно-энергетические характеристики пучка ускоренных ионов, установить оптимальные условия формирования пика Брэгга, а также оценить влияние вторичных частиц на итоговый радиобиологический эффект. Целью исследования являлось проведение комплексной оценки относительной биологической эффективности ионного пучка. Оценка выполнялась на основании экспериментально измеренных поглощённых доз и прямого наблюдения динамики роста опухоли после облучения, с использованием специально разработанных математических и программных средств для валидации и прогнозирования спектра излучения и характеристик линейной передачи энергии. Оценку поглощённых доз в экспериментальных исследованиях проводили с помощью ионизационных камер, размещаемых в оснастке для позиционирования объектов. После облучения, проводимого на 12 сутки после имплантации опухоли саркомы М-1, осуществляли серии наблюдений за динамикой роста опухолей у крыс на протяжении 25 сут. Результаты продемонстрировали высокий уровень радиобиологического ответа при облучении ионами углерода, что, в первую очередь, обусловлено повышенной линейной плотностью ионизации и интенсивным формированием кластерных повреждений ДНК. В экспериментах также была подтверждена важность строгого дозиметрического контроля и корректного учёта индивидуальных особенностей организмов при анализе терапевтического эффекта. Таким образом, интеграция моделирования и экспериментов in vivo в рамках комплексного подхода обеспечивает более глубокое понимание механизмов взаимодействия тяжёлых ионов с биологическими объектами, повышает точность прогнозирования эффективности лечения и формирует основу для дальнейшей оптимизации протоколов ионной терапии в онкологии.

This study addresses the radiobiological efficacy of carbon ion irradiation generated at the U-70 accelerator facility. Particular emphasis is placed on a comprehensive methodology that integrates computational ( in silico ) techniques based on the earlier developed software with in vivo experiments on laboratory animals with engrafted tumors. This dual approach refines the spatial-energy parameters of the ion beam, ensures accurate formation of the Bragg peak, and evaluates the contribution of secondary particles to the overall radiobiological impact. The aim of this study was to perform a comprehensive assessment of the relative biological effectiveness of the ion beam. The assessment was carried out using experimentally measured absorbed doses and direct observations of tumor growth dynamics following irradiation, in combination with specially developed mathematical and software tools for validating and predicting the radiation spectrum and linear energy transfer characteristics. The absorbed dose estimate during experimental studies performed using ionization chambers, placed inside the object positioning system. After the irradiation, which take place on the 12 days after the tumor implantation, during the follow up period the tumor growth dynamics was analyzed during 25 days. The findings revealed a high level of radiobiological response to carbon ion irradiation, primarily attributable to the increased linear energy transfer and extensive cluster damage to DNA. The experiments also underscored the necessity for stringent dosimetric control and careful consideration of individual biological variability when assessing therapeutic outcomes. Hence, the integration of modeling and in vivo experimentation provides deeper insights into the mechanisms by which heavy ions interact with biological systems, enhances predictive accuracy for treatment efficacy, and establishes a foundation for optimizing ion therapy protocols in oncology.