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

---

applied
sciences
Article
DNA Dosimetry with Gold Nanoparticle Irradiated by Proton
Beams: A Monte Carlo Study on Dose Enhancement
Ngoc Han Huynh
1
and James C. L. Chow
2,3,
*

Citation:
Huynh, N.H.; Chow, J.C.L.
DNA Dosimetry with Gold
Nanoparticle Irradiated by Proton
Beams: A Monte Carlo Study on Dose
Enhancement.
Appl. Sci.
2021
,
11
,
10856. https://doi.org/10.3390/
app112210856
Academic Editors: Lionel MAURIZI
and Qi-Huang Zheng
Received: 3 October 2021
Accepted: 16 November 2021
Published: 17 November 2021
Publisher’s Note:
MDPI stays neutral
with regard to jurisdictional claims in
published maps and institutional affil-
iations.
Copyright:
© 2021 by the authors.
Licensee MDPI, Basel, Switzerland.
This article is an open access article
distributed under the terms and
conditions of the Creative Commons
Attribution (CC BY) license (https://
creativecommons.org/licenses/by/
4.0/).
1
Department of Physics, Ryerson University, Toronto, ON M5B 2K3, Canada; [e-mail]
2
Radiation Medicine Program, Princess Margaret Cancer Centre, University Health Network,
Toronto, ON M5G 1X6, Canada
3
Department of Radiation Oncology, University of Toronto, Toronto, ON M5T 1P5, Canada
*
Correspondence: [e-mail]; Tel.: [phone]
Abstract:
Heavy atom nanoparticles, such as gold nanoparticles, are proven effective radiosensitizers
in radiotherapy to enhance the dose delivery for cancer treatment. This study investigated the
effectiveness of cancer cell killing, involving gold nanoparticle in proton radiation, by changing the
nanoparticle size, proton beam energy, and distance between the nanoparticle and DNA. Monte
Carlo (MC) simulation (Geant4-DNA code) was used to determine the dose enhancement in terms of
dose enhancement ratio (DER), when a gold nanoparticle is present with the DNA. With varying
nanoparticle size (radius = 15–50 nm), distance between the gold nanoparticle and DNA (30–130 nm),
as well as proton beam energy (0.5–25 MeV) based on the simulation model, our results showed that
the DER value increases with a decrease of distance between the gold nanoparticle and DNA and a
decrease of proton beam energy. The maximum DER (1.83) is achieved with a 25 nm-radius gold
nanoparticle, irradiated by a 0.5 MeV proton beam and 30 nm away from the DNA.