Daño por radiación a nivel molecular en aplicaciones biomédicas

Résumé

El papel de los electrones de energías bajas en el daño molecular en términos de roturas o disociaciones, independientemente del tipo de haz primario (fotones o partículas cargadas), es un campo de actualidad científica. Por un lado, los modelos teóricos de colisiones de electrones en medios condensados para energías menores de 100 eV presentan diferencias metodológicas y discrepancias importantes en los resultados. Por otro, a pesar de que el daño en el ADN se produce a escala molecular, no existe una teoría que permita relacionar la información física a este nivel con el daño biológico observado. Los códigos Montecarlo de evento por evento (MCe) son una potente herramienta para estudiar las interacciones y sus consecuencias a escala molecular. Esta tesis se divide en dos partes. En la primera se describe el trabajo experimental en el que se obtuvieron parámetros de interacción de electrones con moléculas de interés biológico, como la pirimidina, el tetrahidrofurano (THF) y el fenol. Para la pirimidina, con un espectrómetro por transmisión, se obtuvieron espectros de pérdida de energía para colisiones de electrones incidentes en el rango 30-1500 eV. A partir de estas medidas y de cálculos teóricos, se calcularon las secciones eficaces de ionización. Por otra parte, en un equipo de transmisión por confinamiento magnético, se midieron las secciones eficaces totales de interacción de electrones con fenol entre 10 y 1000 eV. Estas medidas formaron parte de un estudio comparativo de diferentes métodos teóricos con los resultados experimentales. En esta tesis se incluyen también los detalles del nuevo diseño del equipo de transmisión por confinamiento magnético con trampa de enfriamiento y haz pulsado, en el que se alcanza una resolución energética de 0.2-0.3 eV. Por último, con el THF se evaluó una aproximación empírica para obtener las secciones eficaces diferenciales inelásticas a partir de las elásticas, obtenidas en un modelo teórico avanzado de potencial óptico. En la segunda parte se describe la aplicación de un MCe (LEPTS) en situaciones clínicas. La magnitud de referencia en estos casos es la dosis absorbida pese a que se trata de una magnitud que, por definición, no puede aportar información a escala nanométrica (molecular). En el ámbito hospitalario, la dosis absorbida suele obtenerse de manera experimental a partir de la cuantificación de las ionizaciones. Para valorar la necesidad de realizar cálculos a esta escala, se incluyen en la simulación de LEPTS, además de las ionizaciones, el resto de interacciones poco energéticas pero potencialmente generadoras de daño en ADN. Éstas son las excitaciones electrónicas, las resonancias de tipo electron-attachment, las disociaciones neutras y, por último, las excitaciones rotacionales y vibracionales. La evaluación se realiza a través de una comparación de la probabilidad de estos canales con la de ionización en función de la profundidad. Las conclusiones de esta tesis son las siguientes: 1. Los datos experimentales obtenidos han pasado a formar parte de la base de datos de interacciones electrón-biomolécula de LEPTS. 2. Un nuevo equipo de transmisión por confinamiento magnético con una trampa de enfriamiento permite reducir sensiblemente las incertidumbres de las secciones eficaces totales. 3. En el caso de fotones de energías 30-600 keV en agua líquida se ha encontrado que todos los canales de interacción son proporcionales a la ionización, independientemente de la profundidad. Por lo tanto, cualquier incremento de daño inicial asociado a interacciones poco energéticas es proporcional a la dosis absorbida. 4. En el caso de electrones primarios de energía de 1 MeV, las simulaciones realizadas con diferentes códigos Montecarlo (Geant4, Geant4-DNA y LEPTS) han obtenido resultados sustancialmente diferentes en la energía depositada en profundidad. Estas diferencias serán investigadas antes de poder realizar un estudio a nivel molecular.