Dna dosimetry with Gold Nanoparticle Irradiated by Proton Beams: a monte Carlo Study on Dose Enhancement

Keywords:
radiosensitizer; DNA dosimetry; gold nanoparticles; cancer therapy; dose enhancement;
Monte Carlo simulation; nanoparticle-enhanced radiotherapy
1. Introduction
Worldwide, millions of people are diagnosed with cancer each year, and roughly every
sixth death in the world is due to cancer [
1
]. In fact, cancer is responsible for 30% of all death
in Canada, making it the number one leading cause of death in the nation [
1
]. According to
the Public Health Agency of Canada, in 2015, about 2.1 million Canadians aged 12 years
and older have been diagnosed with cancer at some point during their lifetime. This
statistic has increased to 20%, approximately 1 in 5 Canadians, to be diagnosed with
cancer by 70 years of age, making cancer the leading cause of death in Canada [
1
]. As the
nation’s population increases and the average life expectancy improves with the rise of
new technologies, the number of cancer cases and deaths are becoming more prominent
and expected to continue to grow over the coming decades [
2
].
Radiotherapy is one of the most common types of cancer treatment. The primary
purpose of radiotherapy is to kill cancer cells by irradiating a specific dose of ionizing radi-
ation onto the target tumour [
3
]. The radiation can either damage the cancer cells directly
or indirectly at the deoxyribonucleic acid (DNA) level. The most apparent consequence
of the practice is unwanted damage to the surrounding healthy cells, causing side effects
that are intensely unpleasant for the patient. Therefore, during treatment planning, limited
radiation doses are given to minimize the undesirable radiation effects. Such limitation
lowers the overall effectiveness of radiotherapy. Recently, with recent advances of heavy
atom radiosensitizers as an effective dose enhancer for the tumour and contrast agent
in medical imaging, a maximum radiation dose can be delivered to the tumour while
keeping the dose at the surrounding normal tissue to a minimum [
4
–
6
]. Heavy atom
radiosensitizers are adjunctive agents that make cancer cells more susceptible to radiation,
Appl. Sci.
2021
,
11
, 10856. https://doi.org/10.3390/app112210856
https://www.mdpi.com/journal/applsci

---

Appl. Sci.
2021
,
11
, 10856
2 of 10
designed to improve cancer cell killing while having much less of an effect on the surround-
ing healthy tissue [
7
]. Nanoparticles are defined as particles with a radius dimension of
about between 1 and 100 nm. In many studies, gold nanoparticles have proven to be an
excellent material for radiosensitizing. This is due to the high atomic number (Z = 79) of
a gold nanoparticle, which can absorb more low-energy radiation (e.g.
,
kV photon) than
soft tissue, its biocompatibility, and it being easy to manufacture and be delivered to the
patient [
8
,
9
]. Since tumour requires large amounts of blood vessels to proliferate rapidly,
cancer cells stimulate angiogenesis. As the tumour vasculature is leaky, it enables nanopar-
ticles injected in the bloodstream to have an easier time entering the tumour tissues. This
process can be explained by using the enhanced permeability and retention effect, which
is the property by which molecules of certain sizes (usually liposomes, nanoparticles and
macromolecular drugs) accumulate in tumour tissue much more than they do with normal
tissues [
10
]. Once the nanoparticles are delivered into the tumour volume, they absorb
high-energy radiation and emit secondary electrons through interactions between radiation
and the cancer cell medium [
11
]. These additional electrons then damage the tumour DNA
alongside ionizing radiation, adding more dose deposition at the tumour cells. To date,
gold nanoparticle-enhanced radiotherapy has become a new cancer treatment modality
with many dosimetry, preclinical and clinical studies published [
12
–
17
].
Radiotherapy uses high-energy ionizing radiation or particles to damage cancer cells
at the DNA scale to stop them from growing and dividing [
18
]. Depending on its ability to
ionize matter such as the DNA strand, ionizing particles can be divided into two categories,
namely, directly ionizing and indirectly ionizing particles. For directly ionizing particles,
they deposit their energy in the tissue through direct Coulomb interactions between the
charged particle and orbital electrons of atoms in the DNA molecules. Directly ionizing
particles can “directly” damage the target cancer cells without relying on the production of
secondary electrons. On the other hand, indirectly ionizing radiations, such as photons
and neutrons, deposit their energy in the cancer cells through a two-step process. First,
the uncharged particle travels through tissue and creates charged particles (e.g., photons
release electrons or positrons, and neutrons release protons or heavier ions) from the
molecules they interact with within the cell medium. Then, the charged particles move to
the DNA to produce damage [
19
].
Nowadays, the use of megavoltage photon is the most commonly used method when
treating cancer tumours with external beam radiation. A photon beam can be produced
from radioactive sources such as Cobalt-60 or a treatment delivery system such as a linear
accelerator. However, the most notable downside to photon therapy is the unwanted
damage to the healthy tissues or critical organs in the patient. Usually, the target tumour is
located at a certain depth inside the patient. When a photon beam is being irradiated, it
deposits most of its energy at the entrance point (surface of the skin) and continuously loses
its energy as the beam travels through the patient towards the tumour. The photon beam
finally exits through the other side of the patient. In summary, healthy tissues located in
front and behind the tumour inevitably receive some radiation dose, resulting in a certain
amount of healthy cell death. In charged particle therapy, such as with protons, the beam
characteristic of Bragg peak, where proton beam deposits most of its energy at the end of its
path, gives rise to three crucial advantages compared to photon therapy. These advantages
are the low entrance dose when the proton beam comes in contact with the patient, a large
deposited dose at the tumour location and almost no exit dose [
20
]. Therefore, there is less
damage to the healthy tissue of the patient, though both photon and proton therapy still
have unnecessary doses at the healthy cells located along the beam path to the tumour.
In this study, we investigated the DNA dosimetry of the cancer cell in the presence
of a gold nanoparticle irradiated by proton beams. Monte Carlo (MC) simulation was
used to predict the dose enhancement by the addition of a gold nanoparticle in the proton
irradiation [
21
–
25
]. The enhancement of DNA damage can be estimated by the dose
enhancement ratio (DER), which is defined as the ratio of the dose at the DNA with
addition of a gold nanoparticle to the dose at the DNA without the gold nanoparticle [
26
].

---

Appl. Sci.
2021
,
11
, 10856
3 of 10
By examining the MC results, we can investigate the dependences of DER on different
irradiation variables, namely, the nanoparticle size, distance between the nanoparticle and
DNA and proton beam energy.