Ανάπτυξη βιοφυσικού μοντέλου για την απόκριση στις ιοντίζουσες ακτινοβολίες μέσω υπολογιστικών μεθόδων

Abstract

Within the framework of the increasingly growing need for radiobiological databases, this dissertation extracted experimental ionizing radiation data of human cells treated with X-rays, γ-rays, carbon ions, protons and α-particles. Specifically, the aforementioned data were manually retrieved through a search of relevant literature, in the international online library PubMed for the period from 1980 to 2023. For the calculation of cellular survival coefficients α and β of the established linear-quadratic LQ model for healthy and cancerous cells, as well as for determining the initial values of DNA double-strand breaks, the WebPlotDigitizer online application was utilized. Additionally, complex DNA damage was simulated using the Monte Carlo software MCDS, in order to fill in missing data. The calculated values for the relative biological effectiveness and the α/β ratio were consistent with values reported in the literature, while α coefficient showed satisfactory correlation with linear energy transfer. Furthermore, the NHEJ repair model was validated by its application to experimental data, while the experimental values of DNA double-strand breaks as a function of linear energy transfer do not follow the pattern of theoretical values, a fact that is also acknowledged in the international literature. Moreover, using machine learning techniques, a biophysical predictive model was developed, which demonstrated good performance for α, simultaneously highlighting LET as the most significant feature for this prediction. Finally, a new radiobiological database, ‘RadPhysBio,’ was designed and developed for predicting cellular survival (α and β coefficients of the LQ model). The integration of machine learning and repair models enhances results’ applicability and broadens the range of potential users.

Στα πλαίσια της ολοένα και αυξανόμενης ανάγκης για ραδιοβιολογικές βάσεις δεδομένων, στην παρούσα διατριβή εξορύχθηκαν πειραματικά δεδομένα ακτινοβόλησης ανθρωπίνων κυττάρων με ακτίνες-Χ, ακτίνες-γ, ιόντα άνθρακα, πρωτόνια και σωμάτια-α. Πιο συγκεκριμένα, τα παραπάνω δεδομένα εξήχθησαν χειροκίνητα, κατόπιν αναζήτησης της σχετικής βιβλιογραφίας στη διεθνή διαδικτυακή βιβλιοθήκη PubMed, από το 1980 μέχρι και το 2023. Για τον υπολογισμό των συντελεστών κυτταρικής επιβίωσης α και β του καθιερωμένου γραμμικού-τετραγωνικού μοντέλου LQ για υγιή και καρκινικά κύτταρα, καθώς και για την εύρεση των αρχικών τιμών των δίκλωνων θραύσεων στο DNA, έγινε χρήση της διαδικτυακής εφαρμογής WebPlotDigitizer. Παράχθηκαν επίσης σύνθετες βλάβες DNA μέσω του προγράμματος προσομοίωσης Monte Carlo MCDS, για τη συμπλήρωση των ελλιπών δεδομένων. Οι τιμές που υπολογίστηκαν για τη σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα καθώς και για το λόγο α/β είναι σε συμφωνία με τις βιβλιογραφικές τιμές, ενώ ο συντελεστής α εμφανίζει ικανοποιητική συσχέτιση με τη γραμμική μεταφορά ενέργειας. Ακόμα, επαληθεύτηκε το μοντέλο επιδιόρθωσης NHEJ μέσω της εφαρμογής του στα πειραματικά δεδομένα, ενώ οι πειραματικές τιμές των δίκλωνων θραύσεων ως συνάρτηση της γραμμικής μεταφοράς ενέργειας δεν ακολουθούν το μοτίβο των θεωρητικών τιμών, γεγονός που αναγνωρίζεται και στη διεθνή βιβλιογραφία. Επιπλέον, με τη χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης αναπτύχθηκε ένα βιοφυσικό μοντέλο πρόβλεψης, το οποίο παρουσίασε καλή απόδοση για το α, υπογραμμίζοντας ταυτόχρονα τη γραμμική μεταφορά ενέργειας ως το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό για την πρόβλεψη αυτή. Τέλος, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε η νέα ραδιοβιολογική βάση δεδομένων ‘RadPhysBio’ για την πρόβλεψη της κυτταρικής επιβίωσης (συντελεστές α και β του μοντέλου LQ). Η ενσωμάτωση της μηχανικής μάθησης και των μοντέλων επιδιόρθωσης αυξάνει τη δυνατότητα εφαρμογής των αποτελεσμάτων και το εύρος των πιθανών χρηστών.