Published October 1, 2019 | Version v1
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Monte Carlo microdosimetry of charged-particle microbeam irradiations

Description

The interaction of charged-particles with matter leads to a localized energy deposits in sub-micrometric tracks. This unique property makes this type of ionizing radiation particularly interesting for deciphering the radiation-induced molecular mechanisms at the cell scale. Charged-particle microbeams (CPMs) provide the ability to target a given cell compartment at the micrometer scale with a controlled dose down to single particle. My work focused on irradiations carried out with the CPM at the AIFIRA facility in the CENBG (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d'Ions en Region Aquitaine). This microbeam delivers protons and α-particles and is dedicated to targeted irradiation in vitro (human cells) and in vivo (C. elegans). In addition to their interest for experimental studies, the energy deposits and the interactions of charged-particles with matter can be modeled precisely along their trajectory using track structure codes based on Monte Carlo methods. These simulation tools allow a precise characterization of the micro-dosimetry of the irradiations from the detailed description of the physical interactions at the nanoscale to the prediction of the number of DNA damage, their complexity and their distribution in space. During my thesis, I developed micro-dosimetric models based on the Geant4-DNA modeling toolkit in two cases. The first concerns the simulation of the energy distribution deposited in a cell nucleus and the calculation of the number of different types of DNA damage (single and double strand breaks) at the nanometric and micrometric scales, for different types and numbers of delivered particles. These simulations are compared with experimental measurements of the kinetics of GFP-labeled (Green Fluorescent Protein) DNA repair proteins in human cells. The second is the dosimetry of irradiation of a multicellular organism to study the genetic instability in a living organism during development (C. elegans). I simulated the distribution of the energy deposited in different compartments of a realistic 3D model of a C. elegans embryo following proton irradiations. Finally, and in parallel with these two studies, I developed a protocol to characterize the AIFIRA microbeam using fluorescent nuclear track detector (FNTD) for proton and α-particle irradiations. This type of detector makes it possible to visualize in 3D the incident particle tracks with a resolution of about 200 nm and to examine the quality of the cellular irradiations carried out by the CPM. (author)

Abstract (French)

L'interaction des particules chargees avec la matiere conduit a un depot d'energie tres localise dans des traces de dimensions sub-micrometriques. Cette propriete unique rend ce type de rayonnement ionisant particulierement interessant pour dissequer les mecanismes moleculaires radio-induits a l'echelle de la cellule. L'utilisation de microfaisceaux de particules chargees offre en outre la capacite d'irradier selectivement a l'echelle du micrometre avec une dose controlee jusqu'a la particule unique. Mon travail a porte sur des irradiations realisees avec le microfaisceau de particules chargees de la plateforme AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d'Ions en Region Aquitaine) du CENBG. Ce microfaisceau delivre des protons et particules α et est dedie aux irradiations ciblees in vitro (cellules humains) et in vivo (C. elegans). En complement de l'interet qu'elles presentent pour des etudes experimentales, les depots d'energie et les interactions des particules chargees avec la matiere peuvent etre modelises precisement tout au long de leur trajectoire en utilisant des codes de structures de traces bases sur des methodes Monte-Carlo. Ces outils de simulation permettent une caracterisation precise de la micro-dosimetrie des irradiations allant de la description detaillee des interactions physiques a l'echelle nanometrique jusqu'a la prediction du nombre de dommages a l'ADN et leurs distributions dans l'espace. Au cours de ma these, j'ai developpee des modeles micro-dosimetriques bases sur l'outil de modelisation Geant4-DNA dans deux cas. Le premier concerne la simulation de la distribution d'energie deposee dans un noyau cellulaire et le calcul du nombre des differents types de dommages ADN (simple et double brin) aux echelles nanometrique et micrometrique, pour differents types et nombres de particules delivrees. Ces resultats sont confrontes a la mesure experimentale de la cinetique de proteines de reparation de l'ADN marquees par GFP (Green Fluorescent Protein) dans des cellules humaines. Le second concerne la dosimetrie de l'irradiation d'un organisme multicellulaire dans le cadre d'etudes de l'instabilite genetique dans un organisme vivant au cours du developpement (C. elegans). J'ai simule la distribution de l'energie deposee dans differents compartiments d'un modele realiste en 3D d'un embryon de C. elegans suite a des irradiations par protons. Enfin, et en parallele de ces deux etudes, j'ai developpe un protocole pour caracteriser le microfaisceau d'AIFIRA a l'aide de detecteurs de traces fluorescent (FNTD) pour des irradiations par protons et par particules α. Ce type de detecteur permet en effet de visualiser les trajectoires des particules incidentes avec une resolution de l'ordre de 200 nm et d'examiner la qualite des irradiations cellulaires realisees par le microfaisceau. (auteur)

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Original title (English)
Micro-dosimetrie d'irradiations par microfaisceau d'ions par methodes Monte-Carlo

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Imprint Pagination
161 p.
Report number
FRNC-TH--12932

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Notes
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