- Titel
- Development of a Physical, Chemical, and Biological Modeling Framework to Investigate Radiosensitization Effects of Gadolinium Nanoparticles Irradiated with Photons
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-990004
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 09.05.2025
- Datum der Verteidigung
- 09.09.2025
- Abstract (DE)
- Therapeutische Nanopartikel (NP) wie Gadolinium- und Goldnanopartikel bieten Potenzial zur Verbesserung der Strahlentherapie durch Erhöhung der Strahlendosis und Strahlenempfindlichkeit auf mikroskopischer Ebene sowie als Kontrastmittel. Die Entwicklung solcher Nanopartikel erfordert jedoch erhebliche Ressourcen, weshalb Monte Carlo Simulationen zur Optimierung von Parametern wie Element, Größe und Funktionalisierung eingesetzt wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein umfassendes Simulationskonzept entwickelt, das physikalische, chemische und biologische Wechselwirkungen zwischen ionisierender Strahlung und Nanopartikeln auf Zellebene untersucht. Gadoliniumnanopartikel (GdNP) wurden aufgrund ihrer etablierten Anwendung in der Magnetresonanztomografie und ihrer strahlensensibilisierenden Eigenschaften untersucht. Die Simulationen umfassten die Berechnung der Strahlendosis, Radiolyse von Wasser und biologische Reaktionen, ergänzt durch in vitro Experimente mit Brustkrebszellen. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Strahlendosissteigerung in der Nähe von GdNP, jedoch keine Effekte auf Zellviabilität oder Lysosomenmembranen bei niedrigen Konzentrationen. Das entwickelte Simulationskonzept bietet eine ressourcenschonende Grundlage für die Untersuchung und Optimierung von Nanopartikeln in der Strahlentherapie und kann durch zukünftige Modellverbesserungen weiterentwickelt werden.
- Abstract (EN)
- High-Z nanoparticles, such as gadolinium nanoparticles (GdNPs), hold promise for enhancing the efficacy of radiation therapy (RT) through their roles as contrast agents and in radioenhancement and radiosensitization. This thesis developed a comprehensive simulation framework to evaluate the physical, chemical, and biological interactions of radiation and nanoparticles in cellular environments. Gadolinium-based Gd-DO3A-APC was selected for its MRI contrast properties and potential for radiosensitization, with its biodistribution assessed via transmission electron microscopy. Multi-stage simulations revealed the significant role of Auger electrons in dose enhancement at sub-micron distances, while chemical simulations highlighted molecular species dynamics and inter-track effects in lysosomes. Biological modeling identified concentration thresholds for radioenhancement, and in vitro assays showed no significant effects at low GdNP concentrations. The framework demonstrated efficiency and modularity for testing nanoparticle parameters, laying the groundwork for future validation experiments and broader applications, including intracellular radiopharmaceuticals. Further advancements in modeling will enhance its utility for nanoparticle research.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Nanopartikel, Monte Carlo, Simulation, Gadolinium, Strahlenverstärkung
- Freie Schlagwörter (EN)
- nanoparticle, Monte Carlo, simulation, radiosensitization, radioenhancement, gadolinium
- Klassifikation (DDC)
- 610
- Klassifikation (RVK)
- YR 3104
- GutachterIn
- Prof. Dr. Christian Richter
- Prof. Dr. Susanna Guatelli
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-990004
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 30.10.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
