Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
Optimization of proton pencil beam scanning technique for moving targets
No full textRadioterapia protonowa, jedna z najbardziej precyzyjnych i unikatowych form radioterapii, jest jednocześnie jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się technik na przestrzeni ostatnich lat, również w Polsce. Poniższa praca doktorska jest dedykowana wyłącznie radioterapii protonowej tzw. poruszających się narządów, których położenie może się zmieniać w czasie seansu terapeutycznego, co czyni ją jedną z najbardziej złożonych zagadnień w radioterapii w ogólności. Dzięki znacznemu zyskowi terapeutycznemu, obserwowanemu przy wykorzystaniu wiązek protonowych oraz pomimo wielu technicznych wyzwań, leczenie wskazań takich jak, np. rak piersi lub rak płuca, zostało klinicznie zaimplementowane w wielu ośrodkach na całym świecie. Implementację musi jednak poprzedzać szczegółowa i dogłębna analiza zysków, weryfikacja możliwości danego systemu oraz zasadność użycia techniki w konkretnych przypadkach. Zaprezentowane w poniższej rozprawie badania mogą stanowić podstawę dla przyszłych protokołów klinicznych wykorzystywanych w leczeniu poruszających się narządów w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN w Krakowie.
W celu oszacowania zasadności wykorzystania wiązki protonowej w leczeniu raka piersi przeprowadzone zostało retrospektywne porównanie z powszechnie dostępną techniką fotonową, a także efektywność dodatkowego wykorzystania tzw. techniki wstrzymanego oddechu w radioterapii protonowej. Rozpoczęcie tego etapu zostało poprzedzone pomiarem oraz wprowadzeniem w CCB IFJ PAN nowej krzywej kalibracji tomografu komputerowego użytego do zebrania danych obrazowych. Wyniki wskazują, iż radioterapia protonowa umożliwia znaczną minimalizację dawek na narządy krytyczne, w tym serce i lewą tętnicę wieńcową zstępującą, co w przyszłości może się przekładać na mniejsze ryzyko wystąpienia późnych powikłań. Ponadto, wykonana optymalizacja oraz weryfikacja wpływu różnych układów wiązek w radioterapii protonowej raka piersi, zarówno dla tomografii wykonanych na swobodnym, jak i wstrzymanym oddechu, pozwoliła na oszacowanie ich wpływu na jakość planu terapeutycznego. Dostępne w CCB IFJ PAN narzędzia wspomagające, m.in. obrazowanie, czy dozymetrię, tj. fantom oddechowy CIRS Dynamic Thorax Phantom, platforma oddechowa CIRS Dynamic Platform, czy system bramkowania oddechowego VisionRT, zostały wykorzystane w celu oszacowania możliwości ośrodka CCB IFJ PAN pod kątem leczenia raka płuca. Prezentowane prace obejmowały wykonanie tomografii 4D, planowanie oraz testy dozymetryczne na stanowisku gantry. Dwa algorytmy do optymalizacji dawki, dostępne w systemie planowania leczenia Varian Eclipse, zostały zweryfikowane pod kątem możliwości ich użycia w tym konkretnym przypadku (Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Ponadto, wprowadzono i zwalidowano tzw. technikę repaintigu, tj. wielokrotnego przemiatania warstw energetycznych planu terapii oraz oszacowano wpływ efektu interplay, wynikającego z nałożenia się struktur czasowych ruchu guza oraz wiązki protonowej, na zaplanowany rozkład dawki podczas testów dozymetrycznych dla dwóch krzywych oddechowych z wykorzystaniem fantomu oddechowego.Proton pencil beam scanning radiotherapy, a precise and unique radiotherapy modality, has been dynamically developed worldwide over recent years. It is worth emphasizing that, also in Poland, this sophisticated technology has been evolving since the first treatments of deep situated tumors at Cyclotron Centre Bronowice (CCB) IFJ PAN in 2016. This dissertation is dedicated specifically to the proton radiotherapy of the so-called moving targets, whose position might change over treatment, making it one of the most complex topics in the radiotherapy world. Nevertheless, despite many technical challenges and difficulties, the treatments of indications such as, e.g., breast or lung cancer, have been clinically implemented in many facilities worldwide due to the significant dosimetric gain available to achieve with proton beams. However, the clinical implementation of treatment procedures has to be preceded by a thorough analysis of potential benefits, verification of the system's abilities and suitability to be used in specific cases. Therefore, the work presented in this dissertation might be an initial basis for creating future treatment protocols for moving target treatments at CCB IFJ PAN in Krakow, Poland.
In order to estimate the validity of using proton beams in breast cancer treatments, a comparative and retrospective study with the commonly used photon modality and the effectiveness of using breath hold technique in combination with protons had been conducted. The planning study followed the implementation of a dedicated CT calibration curve at CCB IFJ PAN for the scanner used in data collection. The results showed that proton radiotherapy might enable further and significant reduction of the unwanted dose to critical organs, such as, e.g. heart or left anterior descending artery, thus decreasing the risk of possible late toxicity effects. Moreover, a study optimizing and verifying the significance of beam angle selection in proton radiotherapy of breast cancer was also conducted, to create a basis for future treatment protocols. The study used five beam arrangements, applied in free and breath hold anatomies. It verified their impact and each beam's selection vulnerability on resulting plan quality and robustness. Several activities were undertaken to verify the possibilities of conducting lung cancer treatments with proton beams at CCB IFJ PAN. Available in the facility, radiotherapy tools, such as, e.g. CIRS Dynamic Thorax Phantom, CIRS Dynamic Platform or VisionRT system, were employed in the study. The presented works were divided into 4D imaging, treatment planning and dosimetry of lung cancer, simulated by a breathing phantom. Two optimization algorithms of the Varian Eclipse Treatment Planning System (TPS) were used to assess each algorithm’s dosimetric differences and effectiveness in lung cancer treatment planning Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Moreover, the implementation and validation of the so-called repainting modality, used to minimize the interplay effect during scanned beam delivery, was also conducted, and obtained results showed high beam parameters reproducibility. Measurements performed at the gantry room, with a dedicated detector and dynamic platform, enabled to assess the impact of interplay effect on a treatment plan quality and verified the ability of repainted delivery on the dose distributions improvement in two selected motion scenarios.14
Zakopane Conference on Nuclear Physics Book of Abstracts
No full textZakopane Conference on Nuclear Physics "Extremes of the Nuclear Landscape"
28 sierpnia - 4 września 2022, ZakopaneThe Zakopane Conference on Nuclear Physics, for historical reasons called School, has
been organized since 1963 by the Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics
of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) and the Marian Smoluchowski Institute
of Physics of the Jagiellonian University. Over the years the School became a famous
worldwide conference. Nowadays, the Zakopane Conference on Nuclear Physics has a
character of a biennial international congress and is one of the major events in Poland,
related to low-energy nuclear physics.
During the construction of the scientific program special attention has always been
paid to offering enthusiastic and pedagogical overviews of the most recent research
subjects in nuclear physics from both theoretical and experimental points of view. Young
participants have also the opportunity to present the results of their research in short
talks or on posters.
Currently, the conference theme is “Extremes of the Nuclear Landscape” and it is a forum
for reviewing progress in theory and experiment at the forefront of nuclear research.
This time special attention will be given to the structure of exotic, unstable nuclei. We
will also focus on collective excitations of nuclear matter. Furthermore, the nuclear
physics context of astrophysical processes will be widely discussed. An important part
of the Conference will be devoted to presentations on the newest achievements in the
nuclear structure and reactions investigations and their influence on other disciplines.
Noticeable discoveries in these areas are closely linked to the ongoing development of
experimental facilities and detectors, which is among the conference topics. The aim of
the Conference is also to increase the mutual communication of physicists representing
various areas of nuclear physics and to create opportunities for intense interaction
between graduate students, young researchers, and senior scientists.
The current 55th edition of the Zakopane Conference on Nuclear Physics is organized by
IFJ PAN in cooperation with Coti Conference Time and is supported by NuPECC, CAEN,
NAWA (The Polish National Agency For Academic Exchange)
Neutrino-Nucleus Cross-Section Measurements in the Near Detector of the T2K Experiment
No full textThe studies of neutrino-nucleus cross sections play an important role in better understand- ing the mechanisms that rule the neutrino interactions and in more precise measurements of the neutrino oscillation parameters. This monograph is focused on the measurements of neutrino cross sections from the accelerator neutrino beam with the mean energy of 0.7 GeV using the near detector of the T2K experiment. The monograph describes in detail the models of neutrino-nucleus interactions in this energy regime that are currently on the market. It also gives an overview of the world experimental results and outlines the prospects for future cross-section measurements. An entire chapter of this monograph is dedicated to the analyses published by the T2K experiment.
The monograph contains a description of the T2K experiment, including the experi- mental setup, research program, and characterization of the Monte Carlo simulation and event reconstruction. A separate chapter is dedicated to the detailed explanation of the techniques and methods used in the cross-section measurements in T2K with a special emphasis on the maximum likelihood approach.
Two analyses describing the charged current single charged pion production (CC1π) on water and charged current with no pions on lead and carbon are reported. The measured CC1π total flux-integrated cross section is compatible with Monte Carlo predictions from the NEUT generator. GENIE predictions are within two standard deviations. Further extensions of these studies including the enlarged phase space of the measurement and using more data should allow analysers to compute a differential cross section and minimize the model dependence
Collective dynamics of polarized spin-half fermions in relativistic heavy-ion collisions
No full textStandardowa hydrodynamika relatywistyczna przez lata była niezwykle skuteczna w opisywaniu właściwości silnie oddziałującej materii produkowanej w eksperymentach zderzeń ciężkich jonów. W ostatnim czasie nastąpił znaczny postęp teoretyczny w tej dziedzinie, mający na celu wyjaśnienie nowego zjawiska jakim jest polaryzacja spinowa hadronów emitowanych w tych procesach. Chociaż obecne modele z powodzeniem wyjaśniają niektóre dane eksperymentalne tłumacząc je sprzężeniem między polaryzacją spinu a wirowością ośrodka, nadal brakuje jasnego zrozumienia danych różniczkowych. Jest to powszechnie interpretowane jako wskazówka, że spin należy traktować jako niezależny stopień swobody, którego dynamika nie jest sztywno związana z cyrkulacją przepływu materii. W szczególności, jeśli spin jest makroskopową właściwością układu, w równowadze jego dynamika powinna być zgodna z prawami hydrodynamicznymi.
W tej pracy przedstawiamy formalizm relatywistycznej hydrodynamiki płynu doskonałego obejmującej spinowe stopnie swobody otrzymanej w oparciu z kwantową teorię kinetyczną dla fermionów o spinie 1/2 i wykorzystujemy ją do modelowania dynamiki materii wytwarzanej w relatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów. W oparciu o obserwacje eksperymentalne przyjmujemy, że efekty polaryzacji są małe i wyprowadzamy prawa zachowania dla prądu barionowego, tensora energii-pędu i tensora spinu w używając definicji tych prądów zaproponowane przez de Groota, van Leeuwena i van Weerta .
W dalszej części przeprowadzamy analizę właściwości tensora polaryzacji i jego składowych, badamy właściwości propagacyjne składowych polaryzacji i wyprowadzamy prędkość fali spinowej dla dowolnych statystyk kwantowych. Pokazujemy, że poprzeczne składowe polaryzacji podlegają propagacji, analogicznie do fal elektromagnetycznych.
Wreszcie, korzystając z naszego formalizmu hydrodynamicznego, badamy czasoprze- strzenną ewolucję polaryzacji dla systemów respektujących pewne symetrie czasoprze- strzenne oraz wyznaczamy średnią polaryzację spinu cząstek na hiperpowierzchni wymrożenia, którą możemy porównać z danymi eksperymentalnymi. Stwierdzamy, że w przypadku niektórych obserwabli, nasze wyniki są jakościowo zgodne z wynikami eksperymentów i innymi obliczeniami modelowymi. Biorąc pod uwagę znaczenie pól elektromagnetycznych w zderzeniach ciężkich jonów, analizujemy również wpływ zewnętrznych pól elektrycznych na dynamikę polaryzacji spinu przy założeniu ekspansji Bjorkena.Standard relativistic hydrodynamics, through the years, has been extremely successful in describing the properties of the strongly-interacting matter produced in the heavy-ion collision experiments. Recently, there has been a significant theoretical advancement in this field to explain a new phenomenon of spin polarization of hadrons emitted in these processes. Although current models have successfully explained some of the experimental data based on the coupling between spin polarization and vorticity of the medium, they still lack a clear understanding of the differential measurements. This is commonly interpreted as an indication that the spin needs to be treated as an independent degree of freedom whose dynamics is not entirely bound to flow circulation. In particular, if the spin is a macroscopic property of the system, in equilibrium its dynamics should follow hydrodynamic laws.
In this thesis, we develop a framework of relativistic perfect-fluid hydrodynamics which includes spin degrees of freedom from the quantum kinetic theory for Dirac fermions and use it for modeling the dynamics of matter produced in relativistic heavy-ion collisions. Following experimental observations, we assume that the polarization effects are small and derive conservation laws for the net-baryon current, the energy-momentum tensor, and the spin tensor based on the so-called de Groot--van Leeuwen--van Weert definitions of these currents.
Subsequently, we present various properties of the spin polarization tensor and its components, analyze the propagation properties of the spin polarization components, and derive the spin-wave velocity for arbitrary statistics. We find that only the transverse spin components propagate, analogously to the electromagnetic waves.
Finally, using our hydrodynamic framework, we study the spacetime evolution of the spin polarization for the systems respecting certain spacetime symmetries and calculate the mean spin polarization per particle, which can be compared to the experimental data. We find that, for some observables, our spin polarization results agree qualitatively with the experimental findings and other model calculations. Considering the importance of electromagnetic fields in the heavy-ion collisions, we also analyze the effect of external electric fields on the dynamics of spin polarization in the Bjorken-expanding background.15
Book of Abstracts, Focused Charged Particle Beam Week
No full textA Focused Ion Beam (FIB) provides the unique possibilities to create new functionality in materials on the nanometer scale as well as to characterize such materials on the relevant length scale of a few nanometers. This can be applied to a wide number of materials covering many research fields such as the semiconductor industry, health, raw materials, quantum materials, 2D materials and optically active materials and devices, etc
Rozwój metod planowania leczenia oraz ocena niepewności zasięgu w radioterapii protonowej z wykorzystaniem kodów Monte Carlo
No full textPlanowanie leczenia w radioterapii protonowej uwzględnia zagadnienia niepewności zasięgu wiązki oraz, coraz częściej, wzrostu względnej skuteczności biologicznej (ang. relative biological effectiveness, RBE) protonów pod koniec ich drogi w pacjencie. Oba te problemy łączą się ze sobą, ponieważ niepewność zasięgu wiązki protonowej, spowodowana czynnikami fizycznymi, jest potęgowana zmianami RBE wzdłuż toru wiązki. Chcąc w pełni wykorzystać precyzję dostarczenia dawki do obszaru nowotworu przez wiązkę protonową, a jednocześnie nie narazić pacjenta na dawki przekraczające ustalone limity w narządach zdrowych, stosuje się narzędzia do planowania leczenia uwzględniające te czynniki.
Komercyjne systemy do planowania leczenia w większości korzystają z algorytmów analitycznych wykorzystujących model wiązki przygotowany w trakcie uruchamiania stanowiska terapii. Są one dostatecznie szybkie, aby w czasie liczonym w minutach umożliwić przygotowanie planu leczenia w rutynie klinicznej. Kody transportu promieniowania, wykorzystujące metody Monte Carlo (MC) do symulacji oddziaływań cząstek z materią, umożliwiają uzyskanie większej dokładności obliczeń i zgodności z eksperymentem niż algorytmy analityczne, jednak czas wykonywania obliczeń może być nieakceptowalnie długi. Nowe kody transportu wiązki, takie jak FRED (Fast paRticle thErapy Dose evaluator), wykonują obliczenia na kartach graficznych, co zmniejsza czas symulacji komputerowych zwykle do kilku minut. Umożliwiają też obliczenie liniowego przekazu energii (ang. linear energy transfer, LET) ważonego dawką (ang. dose-averaged LET, LETd) i dawki ważonej zmiennym RBE (ang. RBE-weighted dose, DRBE). Współczesne komercyjne systemy planowania leczenia coraz częściej włączają możliwość przeliczeń dawki metodami MC, wykorzystując karty graficzne lub dużą liczbę procesorów, jednak nie jest to jeszcze standardem.
Celami niniejszej pracy było przygotowanie narzędzia obliczeniowego FRED do obliczenia rozkładu dawek dla wiązek protonowych, użytych w klinicznych planach leczenia, opracowanie metody wyznaczenia biologicznie efektywnego zasięgu wiązki z zastosowaniem modelu zmiennego RBE oraz weryfikacja hipotezy o związku między występowaniem zmian radiograficznych w mózgu a obszarami zwiększonego LETd.
Przygotowanie systemu FRED polegało na zaimplementowaniu parametrów wiązki na podstawie zmierzonych rozkładów głębokościowych dawki w wodzie oraz poprzecznych profili dawki w wodzie i w powietrzu. Do sprawdzenia zgodności wyników otrzymanych w systemie klinicznym Eclipse 13.6 oraz FRED z danymi pomiarowymi użyto analizy indeksu gamma (ang. gamma index, GI) uzyskując odpowiednio 99,1% i 93,2% wokseli spełniających kryteria akceptowalności 2%/2 mm. Ponadto zweryfikowano zgodność rozkładu DRBE oraz LETd względem obliczeń kodu transportu TOPAS. Maksymalna różnica DRBE wyniosła 3%, a różnica między maksymalnymi wartościami LETd nie przekraczała 13%.
W kolejnej części pracy opracowano metodę obliczenia biologicznie efektywnego zasięgu wiązki protonowej, w przypadku obliczeń dawki ważonej zmiennym RBE (ang. variable RBE, vRBE), wykorzystując fenomenologiczny model radiobiologiczny McNamara. Korzystając z przygotowanych narzędzi, wykonano symulacje MC dla 95 pacjentów z nowotworami mózgu oraz podstawy czaszki napromienianych w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN w latach 2016 - 2018. Kwantyfikacja biologicznie efektywnego zasięgu wiązki protonowej umożliwiła ocenę zakresu obszaru wysokich wartości DRBE w pacjencie. Wyniki pokazały, że zakres ten może powiększyć się o 0,4 cm przy zastosowaniu modelu zmiennego RBE, dla nowotworów zlokalizowanych w obszarach głowy i szyi.
W ostatniej części pracy przeprowadzono analizę korelacji między lokalizacją zmian radiograficznych w mózgu a wysokimi wartościami DRBE i LETd dla 45 pacjentów z nowotworami podstawy czaszki. Wykazano, że same wartości DRBE oraz LETd nie są bezpośrednio skorelowane z pojawieniem się zmian martwiczych lub obrzękowych w mózgu po radioterapii protonowej.
Użyty w ramach pracy kod transportu FRED, z modelem wiązki przygotowanym dla CCB, może być wykorzystany jako dodatkowe narzędzie obliczeniowe do weryfikacji wpływu zmiennego RBE oraz LETd na rozkład dawki w obszarze leczonym. Planowane jest włączenie opracowanego narzędzia do kontroli jakości planowania leczenia w CCB IFJ PAN.Treatment planning in proton radiotherapy must take into account the range uncertainty and the increase in relative biological effectiveness RBE of protons at the end of their path in the patient. These two issues are connected because the range uncertainty of a proton beam is interrelated to changes in RBE along the beam path. In order to take a full advantage of the precision of dose delivery to the tumor area by the proton beam and at the same time not exceed the limits in healthy organs, dedicated treatment planning tools must be used.
Commercial treatment planning systems (TPS) mostly employ analytical algorithms that use a beam model prepared at the commissioning of the therapy unit. Such systems are fast enough for preparation of a treatment plan in a time frame of minutes. Radiation transport codes, using Monte Carlo (MC) methods to simulate particle interactions with matter, offer better accuracy and agreement with experiment than analytical algorithms, but the computation time is usually unacceptably long. New beam transport codes, such as FRED (Fast paRticle thErapy Dose evaluator), perform calculations on graphics cards, reducing computer simulation time to a few minutes. In addition, they enable calculation of dose-averaged linear energy transfer (LETd) as well as RBE-weighted dose (DRBE). Nowadays, also commercial TPSs incorporate MC methods using graphics cards or a number of processors, but this is not yet a standard.
The objectives of the present study were to prepare a computational tool for MC simulation of patients clinical plans based on the FRED, to develop a method for calculations of the biologically effective beam range using a variable RBE model, and to verify the hypothesis of a relationship between the occurrence of radiographic changes in the brain and the area of increased LETd.
The preparation of the FRED system consisted of implementing beam parameters based on measured depth-dose distributions in water and transverse dose profiles in water and in air. A gamma index (GI) was used to verify the agreement of the results obtained in the Eclipse 13.6 clinical system and FRED with the measured data, obtaining 99.1% and 93.2% of voxels meeting the acceptability criteria 2%/2 mm, respectively. In addition, the agreement of DRBE and LETd distributions was verified against TOPAS transport code calculations. The maximum DRBE difference was 3%, and the difference between the maximum LETd values did not exceed 13%.
In the next part of the study, a method was developed to evaluate the biologically effective beam range for calculated dose distributions weighted by the variable RBE (vRBE) derived from the McNamara's radiobiological model. Applying the prepared tools, MC simulations were performed for 95 patients with brain and skull base tumors irradiated at the Cyclotron Center Bronowice (CCB) IFJ PAN in 2016 - 2018. Quantification of the biologically effective range of the proton beam enabled assessment of the extent of the high dose area in the patient. For treatment volumes covered by at least 95% of the prescribed dose (V95), it was shown that the extent of the high dose area can isotropically increase by more than 0.4 cm using a variable RBE model for head and neck cancers.
In the last part of the study, an analysis of correlations between the location of radiographic brain changes and high DRBE and LETd was performed for 45 patients with skull base tumors. It was shown that DRBE and LETd values alone are not directly correlated with the appearance of necrotic or edematous brain lesions after proton radiotherapy.
The FRED transport code used in this work with the beam model prepared for CCB can be used as an additional computational tool to observe the effect of variable RBE and LETd on the dose distribution in the treated area. It is planned to incorporate the developed tool into the quality control of treatment planning at the CCB IFJ PAN.12
High-energy factorization, TMD, off-shell amplitudes and nuclear effects
No full textW niniejszej rozprawie badamy faktoryzację procesów hadronowych w wysokoener-getycznych zderzeniach hadronów, ze szczególnym uwzględnieniem pędu poprzecznego. Praca jest podzielona na trzy etapy : badanie nTMDs, przedstawienie metody otrzymywania amplitud poza powłaką masy amplitud niezmienniczych ze względu na cechowanie oraz badanie ewolucji dżetów w QGP, zgodnie z równaniami BDIM.
W pierwszej części otrzymano rozkłady nTMD metodą PB. Był to pierwszy zestaw rozkładów partonowych (Pb) TMD uzyskany tą metodą. Ten rozkład partonów został użyty z generatorem MC KaTie w celu opisu danych CMS na produkcję bozonów Z Drell-Yann (gdzie zachodzi faktoryzacja k_T). Działało to zaskakująco dobrze, biorąc pod uwagę, że elementy macierzowe poza powłoką masy były obliczane tylko na poziomie drzewiastym. Była to również okazja do oszacowania efektów jądrowych i różnych wzorów faktoryzacji (faktoryzacja wysokoenergetyczna, hybrydowa, kolinearna).
Technika obliczeń elementów macierzowych poza powłaką masy jest tematem kolejnego rozdziału. Metoda partonów pomocniczych opiera się na wprowadzeniu rozważanego procesu poza powłoką masy w większym procesie na powłoce masy, aby zagwarantować niezmienność cechowania i skorzystać z szerokiwj wiedzy o amplitudach na powłoce masy. Pierwotnie ta metoda została opracowana do obliczeń na poziomie drzewiastym. W przedstawionej pracy jeden z pierwszych kroków w celu uogólnienia metody partonów pomocniczych na poziomie pętli został wykonany przez obliczenie amplitudy jedno pętlowej dla jednego gluonu poza powłoką masy i dowolnej liczby gluonów o dodatniej skrętności. Analizowano również możliwość zastosowania tej metody do otrzymania innych amplitud jednopętlowych.
Ostatni temat dotyczy ewolucji funkcji fragmentacji dżetu (opisujących rozkład energii i pędu poprzecznego jego składowej) w gęstym ośrodku, z wykorzystaniem równania BDIM. Równania te opisują utratę energii dżetu przez oddziaływanie dżetu z plazmą oraz rozszczepienie wywołane przez ośrodek, biorąc pod uwagę tylko gluony oraz zakładając że plazma jest statyczna. W pierwszym kroku opracowaliśmy kilka metod rozwiązywania równania BDIM, zanim rozważyliśmy pęd poprzeczny w funkacjach rozszczepień. Na etapie końcowym uogólniliśmy równanie BDIM, aby uwzględnić wkład kwarków do ewolucji.
Niniejsza praca opiera się na następujących publikacjach :
E. Blanco, A. van Hameren, H. Jung, A. Kusina, and K. Kutak, “Z boson production in proton-lead collisions at the LHC accounting for transverse momenta of initial partons,” Phys. Rev. D, vol. 100, no. 5, p. 054 023, 2019. doi: 10.1103/PhysRevD.100.054023. arXiv: 1905.07331 [hep-ph]
E. Blanco, A. van Hameren, P. Kotko, and K. Kutak, “All-plus helicity off-shell gauge invariant multigluon amplitudes at one loop,” JHEP, vol. 12, p. 158, 2020. doi: 10.1007/JHEP12(2020)158. arXiv: 2008.07916 [hep-ph]
E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and R. Straka, “Medium induced QCD cascades: broadening and rescattering during branching,” JHEP, vol. 04, p. 014, 2021. doi: 10.1007/JHEP04(2021)014. arXiv: 2009.03876 [hep-ph]
E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and K. Tywoniuk, “System of evolution equations for quark and gluon jet quenching with broadening,” Eur. Phys. J. C, vol. 82, no. 4, p. 355, 2022. doi: 10.1140/epjc/s10052-022-10311-2. arXiv:2109.05918 [hep-ph].
Bardziej ogólne tematy w tej pracy oparte są na następujących podręcznikach :
F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 1984, isbn: 978-0-471-88741-6
Y. V. Kovchegov and E. Levin, Quantum chromodynamics at high energy. Cambridge University Press, Aug. 2012, vol. 33, isbn: 978-0-521-11257-4. doi: 10 . 1017/CBO9781139022187
H. Nastase, Classical Field Theory. Cambridge University Press, Mar. 2019, isbn: 978-1-108-47701-7
M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model. Cambridge University Press, Mar. 2014, isbn: 978-1-107-03473-0
Ponadto bardzo przydatne okazały się następujące tezy :
M. Bury, “Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in
hadronic collisions,” Ph.D. dissertation, IFJ-PAN, 2020
F. Van der Veken, “Wilson lines : applications in QCD,” Ph.D. dissertation, Antwerp
U., 2014
A. Lelek, “Determination of TMD parton densities from HERA data and appli-
cation to pp processes,” Ph.D. dissertation, Hamburg U., Hamburg, 2018. doi:
10.3204/PUBDB-2018-02949
V. Vila Perez, “Jet quenching and heavy ion collisions,” Ph.D. dissertation, Santiago
de Compostela U., 2020
M. De Angelis, “QCD Evolution At Amplitude Level,” Ph.D. dissertation, The
University of Manchester, 2021.In this thesis, we explore the factorization of hadronic processes in heavy-ion collision at high energy with a focus on accounting for transverse momentum. This exploration is separated into three stages : the study of nuclear Transverse Momentum Dependant PDFs (nTMD), the presentation of a method to calculate gauge invariant off-shell amplitudes, and the study of jet evolution in Quark-Gluon Plasma (QGP), following Blaizot-Dominguez-Iancu-Mehtar-Tani (BDIM) equations.
In the first part, a set of nTMD has been obtained using the Parton Branching (PB) method (which solves the Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi (DGLAP) equation, keeping track of the transverse momentum during the evolution). It was the first lead (Pb) Transverse Momentum Dependant PDF (TMD) set obtained through this method. This set has been tested with the Monte-Carlo (MC) generator KaTie to reproduce CMS data for Drell-Yann Z-boson production (where kT -factorization holds). It worked surprisingly well considering that the (off-shell) matrix elements were only calculated at tree level. This was also the occasion to test, in this context, nuclear effects and different factorization formulas (high energy, hybrid, collinear).
The method used to obtain the off-shell matrix elements is the focus of the next part. The auxiliary parton method is based on embedding the considered off-shell process into a larger one, on-shell, to guarantee gauge invariance and to benefit from our knowledge of on-shell amplitudes. Originally, it was developed for tree-level calculation only. In this thesis, one of the first steps to generalize the auxiliary parton method at loop-level has been done through the calculation of the one-loop amplitude for one off-shell-gluon and an arbitrary number of plus helicity gluons. Also, some of the difficulties related to the application of this method to other one-loop amplitudes were studied.
The last topic concerns the evolution of jet fragmentation functions (describing the energy and transverse momentum component of its constituents) in a dense medium, through the BDIM equation. These equations describe the jet energy loss through jet broadening and medium-induced splitting, accounting for gluons only and considering the medium static. We first developed several methods to solve the integrated BDIM before accounting for transverse momentum in branching. Finally, we have generalized the BDIM to account for quarks.
This thesis is based on the following publications :
• E. Blanco, A. van Hameren, H. Jung, A. Kusina, and K. Kutak, “Z boson production in proton-lead collisions at the LHC accounting for transverse momenta of initial partons,” Phys. Rev. D, vol. 100, no. 5, p. 054 023, 2019. doi: 10.1103/PhysRevD.100.054023. arXiv: 1905.07331 [hep-ph]
• E. Blanco, A. van Hameren, P. Kotko, and K. Kutak, “All-plus helicity off-shell gauge invariant multigluon amplitudes at one loop,” JHEP, vol. 12, p. 158, 2020. doi: 10.1007/JHEP12(2020)158. arXiv: 2008.07916 [hep-ph]
• E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and R. Straka, “Medium induced QCD cascades: broadening and rescattering during branching,” JHEP, vol. 04, p. 014, 2021. doi: 10.1007/JHEP04(2021)014. arXiv: 2009.03876 [hep-ph]
• E. Blanco, K. Kutak, W. Placzek, M. Rohrmoser, and K. Tywoniuk, “System of evolution equations for quark and gluon jet quenching with broadening,” Eur. Phys. J. C, vol. 82, no. 4, p. 355, 2022. doi: 10.1140/epjc/s10052-022-10311-2. arXiv:2109.05918 [hep-ph].
The more general topics in this thesis are based on the following textbooks :
• F. Halzen and A. D. Martin, Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 1984, isbn: 978-0-471-88741-6
• Y. V. Kovchegov and E. Levin, Quantum chromodynamics at high energy. Cambridge University Press, Aug. 2012, vol. 33, isbn: 978-0-521-11257-4. doi: 10.1017/CBO9781139022187
• H. Nastase, Classical Field Theory. Cambridge University Press, Mar. 2019, isbn: 978-1-108-47701-7
• M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model. Cambridge University Press, Mar. 2014, isbn: 978-1-107-03473-0
Moreover, the following theses were highly useful :
• M. Bury, “Phenomenology of transverse-momentum dependent factorizations in hadronic collisions,” Ph.D. dissertation, IFJ-PAN, 2020
• F. Van der Veken, “Wilson lines : applications in QCD,” Ph.D. dissertation, Antwerp U., 2014
• A. Lelek, “Determination of TMD parton densities from HERA data and application to pp processes,” Ph.D. dissertation, Hamburg U., Hamburg, 2018. doi: 10.3204/PUBDB-2018-02949
• V. Vila Perez, “Jet quenching and heavy ion collisions,” Ph.D. dissertation, Santiago de Compostela U., 2020
• M. De Angelis, “QCD Evolution At Amplitude Level,” Ph.D. dissertation, The University of Manchester, 2021.26
Badanie procesu sekwencyjnej absorpcji dwufotonowej w zakresie promieniowania rentgenowskiego
No full textZjawiska nieliniowego oddziaływania promieniowania z materią są dobrze opisane w zakresie optycznym widma promieniowania elektromagnetycznego i znalazły swoje zastosowanie w wielu technikach badawczych. Rozwój laserów na swobodnych elektronach, emitujących wiązki o wysokiej gęstości fotonów o energiach w zakresie promieniowania rentgenowskiego umożliwił obserwację zjawisk nieliniowych. Szczególnie absorpcja dwufotonowa na rdzeniowych powłokach atomowych, ze względu na specjalne, kwadrupolowe reguły wyboru dla przejść elektronowych, stanowi bardzo interesujące zjawisko i może pozwolić na obserwację wzbronionych w zakresie liniowym przejść atomowych prowadzących do niezbadanych wcześniej stanów elektronowych materii.
Nieliniowe zjawisko absorpcji dwufotonowej może przebiegać w dwóch wariantach – jednoczesnym oraz sekwencyjnym, przy czym badania wskazują, że dominującym jest wariant sekwencyjny. Proces sekwencyjny zachodzi poprzez wirtualny stan pośredni o bardzo krótkim czasie życia (<fs). Innym procesem, mediowanym przez ten stan wirtualny, w liniowym zakresie oddziaływań, jest rozpraszanie nieelastyczne przy energiach poniżej progu jonizacji, które można zaobserwować przy wykorzystaniu źródeł synchrotronowych. Z tego względu można traktować zjawisko jednofotonowe jako pierwszy krok w sekwencyjnej absorpcji dwufotonowej. Badając wzajemne relacje przekrojów czynnych dla obu zjawisk możliwe jest określenie przekroju czynnego procesu absorpcji dwufotonowej na podstawie danych dla oddziaływania jednofotonowego. Celem pracy jest poznanie mechanizmów prowadzących do procesu absorpcji dwufotonowej w zakresie promieniowania rentgenowskiego oraz poznanie zależności pomiędzy rozpraszaniem jednofotonowym i absorpcją dwufotonową. W tym celu zrealizowano eksperymenty zarówno z wykorzystaniem źródeł synchrotronowych do badania rozpraszania jednofotonowego, jak również wykorzystano lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach w badaniu procesu absorpcji dwufotonowej.
Wartości przekrojów czynnych dla procesu rozpraszanie nieelastycznego poniżej progu jonizacji zostały wyznaczone za pomocą wysokorozdzielczej spektroskopii emisyjnej. Widma zostały zebrane dla energii wiązki w zakresie od 150 eV do ok. 15 eV poniżej progu jonizacji powłoki. W przypadku powłoki K zbadano pierwiastki o liczbie atomowej pomiędzy 24 a 30, a w przypadku powłoki L w zakresie liczb atomowych od 72 do 78. Proces wyznaczenia wartości przekrojów czynnych oraz częściowe wyniki zostały opisane w K. Tyrała et al., Phys. Rev. A 99, 052509 (2019).
Drugą część pracy stanowią eksperymenty z wykorzystaniem laserów rentgenowskich na swobodnych elektronach. W celu wyznaczenia wartości przekrojów czynnych również skorzystano z metod rentgenowskiej spektroskopii emisyjnej. Badania wykonano dla dwóch energii, w dwóch osobnych eksperymentach. Pierwszy z nich przeprowadzono blisko progu jonizacji powłoki K żelaza (Y. Kayser (K. Tyrała) et al., Nat. Commun. 10, 1 (2019)), natomiast drugi dla energii bliskiej połowie tej wartości, stanowiącej niskoenergetyczną granicę dla procesu absorpcji dwufotonowej. W ramach pierwszego eksperymentu zaobserwowano także nieliniowe zjawisko absorpcji nasyconej, przy energiach powyżej progu jonizacji. Analiza danych obejmowała także wprowadzenie modeli teoretycznych oraz obliczenia numeryczne z wykorzystaniem równań kinetycznych pozwalających na zależny od czasu opis stanów atomowych. Zastosowany model pozwolił na określenie wpływu czasowej struktury impulsu rentgenowskiego na wydajność procesów nieliniowych.
Na podstawie wyników uzyskanych w ramach eksperymentów podjęto próbę wyznaczenia ogólnych zależności wartości przekrojów czynnych od energii oraz liczby atomowej pierwiastka. W tym celu porównano wyznaczone wartości z danymi dostępnymi w literaturze oraz zaproponowano odpowiednie modele teoretyczne, które pozwalają na obliczenie wartości przekroju czynnego dla dowolnego pierwiastka i energii wiązki.The nonlinear photon-matter interactions are so far well described in the optical range of electromagnetic spectrum, and are used widely in the experimental techniques. The advent of the x-ray free electron lasers, that can produce the beams with extremely high photon densities makes possible to observe the nonlinear phenomena. Especially the two-photon absorption, thanks to the special, quadrupole selection rules for electronic transitions. This provide an unique opportunity to research, forbidden in the linear regime, electronic transitions and states of matter.
The nonlinear, two-photon absorption phenomenon can be observed in two variants – simultaneous or sequential. However the recent research suggested that the sequential two-photon absorption is a dominant one. The sequential two-photon absorption is mediated by a virtual, intermediate state with very short lifetime (<fs). Another process, that is mediated by the same virtual state is nonelastic scattering below the absorption threshold, which might be observed by use of synchrotron radiation. That way, the one-photon interaction can be treated as a first step in sequential two-photon absorption process. By researching the corelation of cross-sections for one and two-photon processes it is possible to determine the cross-section values based on one-photon data. The aim of this thesis is to investigate the mechanisms that lead to the two-photon absorption process and the connections between the one- and two-photon processes. For this reason three experiments were conducted with use of both – synchrotron radiation and x-ray free electron lasers.
The cross-sections values for nonelastic scattering below the ionization threshold were determine by means of high energy resolution emission spectroscopy. Fluorescent spectra were obtained for beam energies in range from 150eV to 15 eV below the ionization threshold of given element. In case of measures around the K-shell, the elements of atomic numbers between 24 and 30 were used and in case of L-shell measurement between 72 and 78. The description of the experiment and partial results were published in K. Tyrała et al., Phys. Rev. A 99, 052509 (2019).
Second part of this thesis is based on two experiment with use of x-ray free electron lasers. To determine the two-photon absorption cross-section values the x-ray emission spectroscopy was used. The research was conducted for two energy ranges in two different experiments - close to the iron absorption edge (described in Y. Kayser et al., Nat. Commun. 10, 1 (2019)) and close to the low-energy limit for two-photon absorption process, which is half of the electron binding energy. During the first experiment, another nonlinear phenomenon was observed – the saturable absorption for above-threshold photon energies. As a part of the data analysis a series of numeric calculations were conducted for two and three level models by use of rate equation approach. The calculations based on the proposed model provide an information of the impact of the spike-like time structure od x-ray pulses on the nonlinear phenomena yields.
Based on the results of the experiment the an attempt was made to describe the general dependence of the cross-sections on the both energy and atomic number. For this purpose the results were compared with the literature data. A simple models were proposed that allows for estimation of cross-section values for any element at any photons energies.16
Wspomaganie decyzji w planowaniu spersonalizowanej radioterapii protonowej w oparciu o modelowanie radiobiologiczne
No full textOrganizmy żywe wykazują złożoną reakcję na dawki promieniowania jonizującego. Reakcja na promieniowanie jest często kwantyfikowana poprzez przeżywalność komórek biologicznych i silnie zależy od wielu czynników, zarówno fizycznych jak i biologicznych. Dla porównania działania różnych modalności promieniowana stosuje się pojęcie Względnej Skuteczności Biologicznej (ang. Relative Biological Effectiveness, RBE), które określa stosunek dawek promieniowania referencyjnego i badanego, wywołujących ten sam efekt biologiczny np. przeżywalność. Obecnie w radioterapii protonowej stosuje się, zgodnie z zaleceniami ICRU i AAPM, stałą wartość RBE = 1,1, która służy do wyliczenia aktualnych wartości tzw. dawek biologicznych (DRBE). Wyniki wielu eksperymentów in vitro i in vivo pokazują, że pod koniec toru protonu, w obszarze rosnącej gęstości jonizacji (tzw. pik Bragga) RBE rośnie powyżej wartości 1,1, co może mieć wpływ na wynik leczenia. Dostępne modele radiobiologiczne, oparte na danych uzyskanych z eksperymentów in vitro, wiążą zmienność RBE dla protonów z liniowym transferem energii (ang. Linear Energy Transfer, LET) i stosunkiem α/β z modelu liniowo-kwadratowego (Linear –Quadrtic, LQ).
W niniejszej pracy przeanalizowano model radiobiologiczny Wedenberg, zbudowany na bazie wyników 34 eksperymentów dla 10 różnych linii komórkowych, napromienianych monoenergetycznymi wiązkami protonów o wartościach LET z zakresu od 6 keV∙μm^(-1) do 30 keV∙μm^(-1). Model ten ma jeden wolny parametr q =0.434 Gy⋅μm⋅keV^(-1) uzyskany z dopasowania zbioru wartości parametrów α, β w funkcji LET. Parametr ten ma kluczowe znacznie, łączy bowiem wartość RBE z parametrami α, β. Jednak zbiór wartości parametrów α, β wykazuje znaczny rozrzut, co sugeruje, że wartość wolnego parametru q może silnie zależeć od niepewności danych radiobiologicznych. Dlatego w ramach tej pracy zaproponowano probabilistyczne podejście do modelu Wedenberg, polegające na wyznaczeniu rozkładu parametru q(〖α,α〗_ref,β_ref,LET) i analizie wpływu zmienności tego parametru na zmienność RBE. Do propagacji niepewności zastosowano metody statystyczne typu bootstrap i Monte Carlo, proponując tzw. poszerzony model Wedenberg.
Wynikiem tego podejścia było uzyskanie nowego rozkładu wartości RBE, ze średnią porównywalną z oryginalnym modelem Wedenberg. Pokazano, że niepewności parametrów modelu LQ (α i β) na poziomie 40% - 60% prowadzą do niepewności RBE na poziomie 5%-7%. Poszerzony model Wedenberg umożliwił analizę niepewności danych radiobiologicznych i ich wpływ na dawkę biologiczną, stosowaną w planowaniu leczenia w radioterapii protonowej. Przeprowadzone porównania potwierdziły, że mimo stosowania uproszczonej analizy niepewności, wyniki modelu Wedenberg niewiele odbiegają od bardziej zaawansowanej analizy i mogą być stosowane do planowania leczenia w radioterapii protonowej.Living organisms demonstrate a complex response after their exposure to a dose of ionizing radiation. This response, often quantified via survival of cells in culture, may significantly depend on several biological and physical factors. To compare between effects of different radiation modalities, the concept of Relative Biological Effectiveness (RBE) is applied, defined as the ratio of doses of reference and tested radiation resulting in the same biological effect, such as the level of cellular survival. Presently, in proton radiotherapy the ICRU and AAPM recommend a constant value of RBE = 1,1 to be applied in calculating the so-called biological doses (DRBE) in proton radiotherapy planning. Many in-vitro and in-vivo experiments indicate however that at the distal end of the proton beam where ionization density rapidly increases (within the so-called Bragg peak), RBE values exceed 1,1, which may affect the outcome of proton radiotherapy. The available radiobiological models based on results of in vitro experiments relate the variability of proton RBE with linear energy transfer (LET) and the α/β ratio of the linear-quadratic (LQ) model.
In this study the model of Wedenberg, based on 34 experiments using 10 different cell lines irradiated by monoenergetic proton beams of LET values ranging between
6 keV∙μm^(-1) and 30 keV∙μm^(-1), was analysed. This model features one free parameter,
q=0,434 Gy⋅μm⋅keV^(-1), which results from fitting a set of values of the α and β parameters as a function of LET. The q parameter is of key importance in relating the value of RBE with the α and β parameters. However, the set of α and β values varies broadly, suggesting that the value of this free q parameter may be significantly affected by the uncertainty of radiobiology data. Therefore, within this work, a probabilistic approach to the Wedenberg model was proposed whereby the distribution of the q(α, αref, βref, LET)) parameter was determined and the influence of the variability of this parameter on the value of RBE analysed. For uncertainty propagation bootstrap and Monte Carlo statistical methods were applied, and thus the so-called extended model of Wedenberg proposed.
As a result of this approach, a new distribution of RBE values was obtained, its average value being comparable with that of the original Wedenberg model. It was shown that uncertainties in the parameters of the LQ model (α and β values) of the order of
40%-60% lead to an uncertainty of the RBE value of some 5%-7%. Application of the extended Wedenberg model allowed a detailed analysis of the uncertainties in radiobiological data and of their influence on the value of biological dose, to be performed. These comparisons confirmed that despite its cruder uncertainty analysis, results of the original Wedenberg model do not differ widely from results of its more extensive analysis and that they may be applied in proton beam therapy planning.13
Application of mono-, bi- and trimetallic gold (Au NPs), platinum (Pt NPs) and palladium-based (Pd NPs) nanoparticles to enhance the proton irradiation effect of cancer cells in vitro
No full textNowotwory należą do jednych z najczęstszych i najbardziej zagrażających życiu chorób cywilizacyjnych. Niestety, dostępne metody leczenia, takie jak chirurgia, chemioterapia, radioterapia, a nawet immunoterapia często nie dają satysfakcjonujących rezultatów. W związku z tym, niezmiernie ważne jest znalezienie nowych, bardziej efektywnych strategii zwalczania nowotworów. W niniejszej rozprawie doktorskiej zbadano wzmocniony, przeciwnowotworowy efekt napromieniania wiązką protonów (PIr) w obecności nanocząstek, będący rezultatem terapii wykorzystującej rozwój nanotechnologii i niepowodującej wyraźnych uszkodzeń prawidłowych komórek i tkanek, z jednoczesnym działaniem przeciw- nowotworowym. W tym celu zsyntezowano mono,- bi- oraz trimetaliczne nanocząstki (NPs) zbudowane z atomów o wysokiej liczbie atomowej Z (złota – Au NPs, platyny – Pt NPs, palladu – Pd NPs), które dodawano do rakowych oraz referencyjnych linii komórkowych, aby wykazać czy osiągnięty zostanie lepszy efekt PIr w porównaniu do PIr o takiej samej dawce promieniowania, ale bez dodatku NPs do komórek. Zatem, w niniejszej rozprawie wykorzystano interdyscyplinarne podejście, w którym wiedzę o chemicznej syntezie nanocząstek oraz mechanizmach ich wzrostu połączono z właściwościami fizycznymi otrzymanych nanostruktur mającymi bezpośredni efekt biologiczny na komórki. Badania te miały odpowiedzieć także na pytanie, jaki mechanizm: chemiczno-biologiczny czy fizyczny jest odpowiedzialny za zwiększenie śmiertelności komórek rakowych hodowanych z NPs i naświetlanych wiązką protonów. W rozprawie doktorskiej zastosowano wiele fizycznych, chemicznych i biologicznych metod w celu zweryfikowania zawartych w pracy hipotez: analizę aktywacyjną cząstkami (protonami) naładowanymi (ChPAA), transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM), spektroskopię dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS), dyfrakcję elektronową wybranego obszaru (SAED), dyfrakcję rentgenowską (XRD), spektroskopię w zakresie nadfioletu i światła widzialnego (UV-Vis), pomiar potencjału zeta, analizę śledzenia nanocząstek (NTA), mikroskopię holotomograficzną 3D, test MTS (sól 3-(4,5-dimetylotiazol-2-ylo)-5-(3-karboksymetoksyfenylo)-2-(4-sulfofenylo)-2H-tetrazolowa) oraz cytometrię przepływową.
W warunkach laboratoryjnych otrzymano metodą mokrej syntezy monometaliczne Au NPs, Pt NPs, Pd NPs oraz bi- i trójskładnikowe kombinacje tych NPs. Wyżej wymienione rodzaje NPs zostały wybrane ze względu na ich właściwości, takie jak wysoka liczba atomowa Z, rozmiar poniżej 50 nm, krystaliczna struktura oraz odpowiednio dobrane stabilizatory. Otrzymane NPs były dodawane do hodowli trzech linii komórkowych raka jelita grubego, cechujących się różną agresywnością i potencjałem przerzutowania, aby określić, który rodzaj NPs powoduje największą cytotoksyczność po PIr. Następnie przeprowadzono długoterminowe obserwacje komórek w czasie rzeczywistym, stosując nieinwazyjną technikę mikroskopii holotomograficznej 3D (Nanolive), uzyskując informacje na temat miejsc akumulacji NPs oraz spowodowanych akumulacją zmian gęstości NPs we wnętrzu komórek. Do wykazania kumulatywnego efektu NPs oraz PIr względem komórek, w pierwszym etapie za pomocą testu MTS wyznaczono nietoksyczne stężenia poszczególnych rodzajów NPs oraz dawki promieniowania protonowego dla wszystkich linii komórkowych. W obu przypadkach dopuszczalnym progiem było stężenie/dawka, które powodowało śmiertelność nie wyższą niż 20 % komórek. Następnie, NPs w takim wyznaczonym stężeniu dodawano do hodowli do odpowiednich linii komórkowych, które następnie naświetlono, po czym w różnych odstępach czasu oceniono ich żywotność za pomocą testu MTS oraz cytometrii przepływowej.
Wyniki badań pokazały, że PIr komórek hodowanych z NPs daje większy efekt cytotoksyczny, w porównaniu do PIr bez wykorzystania NPs. Potwierdza to celowość i skuteczność stosowania nanoradiouczulaczy w terapiach antynowotworowych. Jednakże, końcowy efekt PIr zależy nie tyle od rodzaju metalu wchodzącego w skład NPs, ale bardziej od rozmiaru oraz nanostruktury (porowatości) NPs. Wykazano, że ultra małe Pt NPs oraz Pd NPs mają lepsze właściwości radiouczulające w porównaniu do pozostałych NPs. Niewielki rozmiar NPs zapewnia silnie rozwiniętą powierzchnię, a co za tym idzie – warunkuje lepsze właściwości radiouczulające. Najbardziej obiecujące wydają się tu ultra małe Pd NPs, gdyż maksymalne nie-toksyczne stężenie tych NPs było mniejsze niż ultra małych Pt NPs, a końcowy efekt działania Pt NPs i Pd NPs był zbliżony. Porównano także efekt porowatości dwóch struktur AuPd typu rdzeń-otoczka: AuPd CSs z ciągłą palladową otoczką oraz nanomalin (AuPd NRs) z porowatą palladową otoczką. Istotne jest, że oba typy NPs mają zbliżoną zewnętrzną średnicę, składają się z tych samych metali oraz to, że zostały otrzymane za pomocą takich samych reagentów w analogicznej metodzie syntezy. Wyraźnie lepsze właściwości radiouczulające wykazano dla porowatych AuPd NRs, co jest spowodowane przez silniej rozwiniętą powierzchnię tych NPs, co zapewnia lepszy kontakt z komórkami. Zdjęcia z mikroskopii holotomgraficznej 3D pokazały, że Pd NPs akumulują się w jądrach komórkowych. Dla wszystkich badanych linii komórkowych objętość zajmowana przez NPs w komórkach wzrastała liniowo wraz z czasem hodowli i zależała od linii komórkowej – najbardziej widoczne zmiany zaobserwowano dla linii SW620. Oznacza to, że dynamika wnikania Pd NPs była różna dla poszczególnych linii komórkowych. Ważnym dla zastosowań medycznych jest fakt, że komórki wszystkich linii nowotworowych były bardziej wrażliwe na PIr, NPs oraz łączoen działanie PIr z NPs, w porównaniu z komórkami prawidłowymi.
Zbadano także mechanizmy interakcji komórek z wiązką protonów i NPs, które prowadzą do śmierci komórek. Wyniki ChPAA wykazały, brak występowania promieniowania gamma charakterystycznego dla nuklidów/izotopów, które mogłyby powstać w wyniku reakcji jądrowej na złocie, platynie lub palladzie, co sugeruje, że fizyczny efekt radiouczulania pełni znikomą rolę w śmierci komórek. W tym kontekście należy oczekiwać, że w radiouczulanie zaangażowany jest głównie efekt biologiczno-chemiczny opierający się na generowaniu m.in. reaktywnych form tlenu (ROS) i/lub hamowaniu podziałów komórki w fazie G2/M, w której komórki cechują się najwyższą wrażliwością na promieniowania.
Podsumowując, w niniejszej rozprawie sprawdzono wpływ rozmiaru, struktury, składu chemicznego oraz wartości potencjału zeta NPs na wzmacnianie efektu napromieniowania komórek rakowych oraz prawidłowych. Wykazano, który mechanizm radiouczulania pełni kluczową role w indukcji śmierci komórek nowotworowych, poddanych działaniu NPs oraz PIr. Uzyskane wyniki pokazały, że dodatek zsyntezowanych NPs w nietoksycznym stężeniu do komórek nowotworowych, znacząca zwiększa ich śmiertelność na skutek oddziaływania NPs z wiązką protonów.Cancers are one of the most common, life-threatening civilization diseases. Unfortunately, currently available treatment methods such as surgery, chemo-, radio- or even targeted immunotherapy often do not give satisfactory results. Therefore, it is extremely important to find new, more effective strategies to fight cancer. Consequently, taking from one side an anticancer therapy that may save normal cells and tissues, and recent developments of nanotechnology from the other, in this dissertation a potential enhancement of antitumor effect of proton beam irradiation (PIr) using noble metal nanoparticles (NPs) was investigated. For this purpose, mono-, bi- and trimetallic NPs composed of atoms with high-Z number (gold – Au NPs, platinum – Pt NPs, palladium – Pd NPs) were synthesized and added to the cultures of cancer and non-cancer reference cell lines, to find out, if a higher PIr effect can be achieved, in comparison with the same irradiation dose, but without the presence of NPs. Hence, an interdisciplinary approach was presented, where the knowledge of the chemical preparation of NPs and their growth mechanisms were combined with the physical properties of the obtained nanostructures having a direct biological effect on the cells. This study tries to answer the question, which of the mechanisms: chemical-biological or physical, is responsible for the increased death of cancer cells cultured with NPs and irradiated with a proton beam. Moreover, in this dissertation a large number of physical, chemical and biological methods, including charged-particle (proton) activation analysis (ChPAA), transmission electron microscopy (TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), selected area electron diffraction (SAED), X-ray diffraction (XRD), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, zeta potential measurement, nanoparticle tracking analysis (NTA), 3D holotomographic microscopy, MTS (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxy-methoxy-phenyl)-2-(4-sulfophenyl)-2H-tetrazolium) test and flow cytometry were used to verify the research hypotheses that had been set.
Au NPs, Pt NPs, Pd NPs and bi- or ternary combinations of these NPs were laboratory synthesized using wet chemistry methods. The NPs were chosen on the basis of properties such as: high-Z number, size below 50 nm, crystalline structure and used stabilizers. The obtained NPs were added to the cultures of three colon cancer cell lines with different aggressiveness and metastatic potential to determine, what kind of NPs possess the most pronounced cytotoxicity against cancer cell after PIr. Furthermore, long term, non-invasive, real-time observations of NPs accumulation dynamics in cells were performed using a 3D holotomographic microscopy (Nanolive). Importantly, to show the combined effect of NPs and PIr on the cells, first, by cell viability assessment (MTS test), the non-toxic NPs concentrations and non-destructive proton beam dose for each cell line were determined. In both cases the threshold was below 20 % of dead cells. Next, the NPs, in the established concentrations, were added to the cultures of the respective cell lines, which were subsequently irradiated, and checked for cell viability (MTS test and flow cytometry analysis of Annexin-V binding).
The obtained results showed, that PIr of cells cultured with NPs resulted in a better cytotoxic effect against cancer cells, when compared to PIr without NPs. This observation confirmed the purpose and effectiveness of applying nanoradiosensitizers in anticancer therapies. However, the final effect of combined PIr seems not to be dependent on the type of the metal used, but rather on the size and nanostructure (porosity) of the NPs. It was shown that ultra-small Pt NPs and Pd NPs possessed the strongest radiosensitizing effect compared to the others. The small size of NPs provides a highly developed surface area, and thus – more effective radiosensitizing properties. In this context, the ultra-small Pd NPs seem to be the most promising radiosensitizers, as their maximum non-toxic concentration was lower than for ultra-small Pt NPs, and the final cytotoxic effect of Pd NPs on cancer cells was similar to Pt NPs. The effect of NPs porosity was compared using two AuPd NPs structures: AuPd CSs with continuous palladium shell, and AuPd nano-raspberries (AuPd) NRs coated by a porous palladium shell. Importantly, both NPs had a similar outer diameter, consisted of the same metals, and were also obtained using the same reagents and synthesis method. Clearly better radiosensitizing properties were shown for porous AuPd NRs, which provide a highly developed surface and thus a better contact with cells. 3D holotomographic images showed, that the NPs penetrate the cells and locate in the nucleus. In all cell lines studied, the cellular volume occupied by Pd NPs increased linearly with time of culture, albeit with different, cell specific, magnitude - being most pronounced for the SW620 cells. This means, that the absorption dynamics of the Pd NPs was different for the respective cell lines. Very important finding for medical applications, is that cells from all three cancer cell lines were more sensitive to PIr, NPs and combined actions of PIr and NPs, compared to normal cells.
Finally, the mechanisms leading to cell death induced by NPs addition and proton beam irradiation were studied. The results of the ChPAA showed that the gamma radiation, characteristic for nuclides/isotopes, which could arise from a nuclear reaction of gold, platinum or palladium, was not observed, suggesting, that the physical effect of radiosensitization is likely to play a negligible role in the cell death. Therefore, it is hypothesized that radiosensitization involves rather the biological-chemical effect of e.g. generating reactive oxygen species (ROS) and/or inhibiting the cell cycle in the G2/M phase, when the cells are most radiosensitive.
Summarizing, in the dissertation, the enhancement of the irradiation effect of proton beam on cancer cells by the use of noble metal NPs was documented and analyzed in relation to the size, structure, chemical compositions and value of zeta potentials of NPs. It has been shown, which of the radiosensitization mechanisms play a major role in causing cell death, in particular of cancer cells, cultured with NPs and after PIr. The obtained results show that the synthesized NPs added in non-toxic concentration to cancer cell lines significantly improve the anticancer effect induced by irradiating them with the proton beam only.13