Gadolinium Nanoparticles: A Promising Agent for Enhancing Radiotherapy at Low Concentrations

Abstract

Протягом останніх кількох років наномедицина досягла значного прогресу. Наночастинки зараз вводяться в пухлини для покращення лікування, підвищення ефективності доставки ліків до пухлин та зниження токсичності методів лікування раку. Метою цієї роботи є дослідження покращення стану глибокої пухлини в центрі голови людини за допомогою променевої терапії, при якій наноматеріали вводилися в невеликих кількостях. Використовуючи код Монте-Карло Geant4, ми побудували геометрію людської голови, в яку помістили сферичну пухлину діаметром 1,3 см. Нас цікавить дослідження впливу біосумісних наноматеріалів, доданих до пухлин під час рентгенівської променевої терапії. Ми зосередилися на найвідоміших біосумісних наноматеріалах, що використовуються в наномедицині, включаючи гадоліній (GdNPs), платину (PtNPs), срібло (SvNPs) та золото (AuNPs), особливо при низьких концентраціях. Наші результати показують, що, порівняно з іншими наноматеріалами, присутність GdNPs всередині пухлини забезпечує найбільше поглинання дози на рівні пухлини при впливі рентгенівського випромінювання з енергією 60 кеВ, з ефективністю 37 %. Порівняно з найвідомішими матеріалами в літературі, такими як золото та платина, наше моделювання методом Монте-Карло демонструє, що наночастинки гадолінію мають високу ефективність при низьких концентраціях.

Over the last few years, nanomedicine has made significant progress. Nanoparticles are currently being introduced into tumors to enhance treatment, increase the efficiency of drug delivery to tumors, and reduce the toxicity of cancer treatments. The goal of this work is to investigate the improvement of a deep tumor in the center of the human head by radiotherapy, in which nanomaterials were injected in low quantities. Using the Monte Carlo Geant4 code, we built a geometry of a human head in which we placed a spherical tumor with a diameter of 1.3 cm. We are interested in researching the effect of biocompatible nanomaterials added to tumors during X-ray radiotherapy. We focused on the most well-known biocompatible nanomaterials utilized in nanomedicine, including gadolinium (GdNPs), platinum (PtNPs), silver (SvNPs), and gold (AuNPs), particularly at low concentrations. Our findings demonstrate that, in comparison to other nanomaterials, the presence of GdNPs inside the tumor offers the greatest dose absorption at the tumor level upon exposure to 60 keV X-ray radiation, with a performance of 37 %. In comparison to the best-known materials in the literature, such as gold and platinum, our Monte Carlo simulation demonstrates that gadolinium nanoparticles have a high efficiency at low concentrations