RACE RAdiation resistance of cancer CElls using Geant4 DNA Sept2013 – Sept2015 Coordinateurs: L. Maigne, E. Miot-Noirault Partenaires: J-M Chezal, F. Degoul, E. Débiton, E. Delage, H. Payno, Y. Perrot, C. Peyrode, E. Roche Les acteurs LPC UMR6533 IN2P3-UBP Pôle Physique pour la Santé et l’Environnement • – • UMR990 INSERM/UdA – BIOLOGIE – IMAGERIE MOLECULAIRE et THERAPIE VECTORISEE MODELISATION – SIMULATION DOSIMETRIE – Jean-Michel CHEZAL, PR Emmanuel DELAGE – Françoise DEGOUL, CR IE GEANT4 – Elisabeth MIOT-NOIRAULT, MCF Lydia MAIGNE – Eric DEBITON, MCF MCF, HDR GATE & G4 DNA – Caroline PEYRODE, MCF – Emilie ROCHE, AI Henri PAYNO IR info, CDD Modélisation Yann PERROT PostDoc GATE, G4 & G4DNA http://geant4-dna.org www.opengatecollaboration.org http://pcsv.fr Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 2 Thématiques et synergie GATE Geant4 Geant4DNA Radiobiologie Microscopie Culture cellulaire 3D Radiochimie Dosimétrie Planification de traitements Imagerie préclinique Etudes précliniques Vectorisation de molécules spécifiques Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 SPECT 131I 3 Améliorer le traitement des cellules cancéreuses radiorésistantes Développement de Développement molécules, NP pour la d’outils pour la Prediction thérapie ciblée modélisation multide échelle Mélanome, dommages chondrosarcomes Monte Carlo biologiques Sphéroïdes Population cellulaire Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 4 Comment prédire les effets biologiques? Outils de prédiction Modéliser pour comprendre, expliquer, prévoir In vivo In silico Description des interactions des particules avec la matière biologique Modèles physiques Interactions physico-chimiques Modèles géométriques Données de validation sur modèles biologiques Instrumentation Données de validation Indices radiobiologiques Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 5 Le projet RACE RAdiation resistance of Cancer CElls using Geant4 DNA Mélanome, chondrosarcome, nanoparticules Confrontation in-vitro / in-silico Cultures cellulaires 3D Mélanome + chondrosarcome in vitro experiments in silico modeling NP Gadolinium Microscopie Modèle de population cellulaire Irradiation RX Faisceau d’irradiation Interaction NP Modeleur de population cellulaire (CPOP) Geant4/GATE Modèles physiques Low Energy Suivi des particules secondaires Géométrie ADN Survie cellulaire Microscopie Geant4-DNA Dommages ADN Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 6 BIOLOGIE IMAGERIE MOLÉCULAIRE THÉRAPIE VECTORISÉE ET UMR990 INSERM ERIC DÉBITON: [email protected] Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 7 Design and biological assessments of targeting ligands Melanin targeting Melanin proteoglycan targeting HO CO2 N H H N HO HO ionic bounds CO2 HO HO Et N Et H O N H N N I CO2 N H HO Et N Et H π stacking O N H N N I - molecular imaging - targeted chemo or radionuclide therapies Plateform: multimodal integrated imaging Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 8 Melanin-targeting ligands: 131I targeted radionuclide therapy (TRT) of melanoma [123I]ICF01012 Et N O N 123I N 20H B16model Imaging N H Et M , 2HCl 20H 20H 20H SKMel3 xenografts M M 44H N Et , 2HCl [131I]ICF01012 44H 20H radionuclide β--emitting Dosimetry : DOGME Project with LPC Tumor volume 131I N H 44H [131I]ICF01012 TRT in B16 Syngeneic model 3000 Et N O M M 20H 4000 ICF01012 compatible with TRT N M M Control 2000 Treated 37.5 MBq (d6-10) 1000 0 Treated 18.75 MBq (d6) 6 8 10 12 14 16 44H 18 20 M 20Hin tumor volumes, cell Reduction proliferation and angiogenesis Days following injection Chezal JM et al. 2008 ,J. Med. Chem , 51, 3133-3144 and Bonnet-Duquennoy M et al. ,2009. Int J Cancer, 125,708-716 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 9 Vectorization of NP Chondrosarcoma (proteoglycan) vectorization NP NP-AQ Orthotopic rat model SWARM Effect of ionising radiations could be enhanced by gadolinium vehiculed by NP (Auger electrons emission, Compton effect, and ROS production) Miot-Noirault E et al. 2014 , Nanomed NBM, in press Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 10 From Phung et al., 2011, J Cancer From Hirschhaeuser et al., 2010, J Biotech Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 11 Aim of the project • To evaluate radiosensitivity of both 3D tumoral models: – DNA damages (DSB) induced by external X-beam irradiation ± NP – Cellular fate (clonogenicity and cell-cycle arrest) – To correlate both with microdosimetric calculation using Geant4 software • To characterise the 3D models: – – – – Morphometry of the cells Growth and (ultra)structural evolution of the spheroids Biodistribution of the NP in 3D culture NP effect on radiosensitivity in melanoma and chondrosarcoma Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 12 Characteristics of the 3D models? Growth characterization Spheroïd growth kinetic (∅ or volume) Doubling time of cells (DNA or protein content) Cell cycle analysis after dissociation (FCM) Melanoma Day 6 ∅ 570 µm Chondrosarcoma Day 7 ∅ ±500 µm Cell shape in situ (confocal microscopy or SPIM) Nuclear shape and dimension (DAPI) Cell shape and dimension by cytoplasmic membrane staining (lipophilic fluorochrome) Hypoxia evaluation in situ (Anh. Carb. IX detection) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 13 Radiosensitivity Radiosensitivity (± NP) Clonogenicity after X-irradiation DNA Double-strand break quantitation by counting of phosphorylated γH2AXexpressing foci in situ (IF) Platform PAVIRMA X-RAD 320 (Precision X-Ray Inc, Brandford, CT, USA) 250 keV, 2 Gy.min-1 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 14 0 2 4 6 8 10 Surviving fraction 1 0,1 0,01 0,001 Dose (Gy) 2D Sf2 = 0.70 3D Sf2 = 0.76 Spheroid SKMEL28 control gammaH2AX Melanoma Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 15 MODÉLISATION IN SILICO DE POPULATION CELLULAIRE UMR6533 LPC IN2P3-UBP HENRI PAYNO : [email protected] Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 16 Cell POPulation modeler CPOP: objectifs • Objectif modéliser une population cellulaire comparable aux populations in-vitro Importer cette population cellulaire sous Geant 4 / GATE afin de simuler une irradiation Éviter tout recouvrement entre chaque cellule • Solution 1 : Reconstruire les populations cellulaires à partir d’imagerie 2 : Construire une population à partir d’observables biologiques Spatio-temporal cell dynamics in tumor spheroid irradiation Kempf, 2010 – The european physical Journal D Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 17 Cell POPulation modeler CPOP: objectifs • Solution 1 - non retenue : Reconstruire les populations cellulaire à partir d’imagerie Manque potentiel de données ( marquage complexe des membranes, sphéroïdes non imagés en totalité) reconstruction complexe ou erronée voir impossible Problèmes liés à le reconstruction • Recouvrement de maillage • Identification • Contrôle de la taille des maillages reconstruction Scale bar 20 µm Processus de reconstruction Barberet at al. PMB 57 (2012) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 18 Cell POPulation modeler CPOP: objectifs • Solution 2 - Retenue : Construire une population à partir d’observables biologiques (taille du sphéroïde, nombre de cellules…) • Pourquoi un nouveau soft ? r construction r Chaste : An Open Source C++ library for Computational Physiology and Biology Mirams - 2013 – Computational Biology Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 19 CPOP – spécificités C++ Manipulation d’une large population cellulaire. Unicité de chaque cellule ( déformable, rayon variables ) Libre, open-source et cross plateforme (Linux, Windows, Mac ? ) Compatible 2D-3D Espace continu https://www.cgal.org/ Maillage Associer une libraire de maillage reconnue : CGAL • Export vers Geant 4 / Gate (inclusion des matériaux, interprétation des maillages) • Stats des maillages • I/O de fichiers de sauvegarde CPOP • • • • • • • Focus sur quelques cellules Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 20 CPOP – fonctionnement global Cell type information Shape geometry at rest Volumes Materials Environment information External & internal shapes Force simulation Input data Cell population information Rates of each cellular phase (G0, G1 …) Number of cells CPOP C++ Open source & free software User interaction GATE/Geant4 Output data Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 21 CPOP – internal process Culture de sphéroïde In-Vitro Estimate input data Définition des propriétés de chaque cellule en fonction des données in-vitro Optimisation du positionnement spatiale (Grille, Forces….). Obtention d’une conformation cellulaire réalistes Comparaison sphéroïdes invitro / in-sillico in vitro experiments in silico modeling Geant4 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 22 CPOP – Input data Microscopie de N sphéroïdes Traitement de ces données via IMARIS Nombre de cellules / de noyaux Volume moyen et écart type des cellules et des noyaux Géométrie des membranes /noyaux Dimensions de la sphéroïde Cytométrie de flux Proportions de chaque cycle de vie (M, G1…) Noyaux de cellules de mélanome visualisés par microscopie confocale IMARIS : www.bitplane.com/imaris Traitement des données sous IMARIS Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 23 CPOP – Output data Maillages uniques par membranes et noyau. Inclusion des matériaux pour Geant4/GATE Statistiques sur les maillages Volumes de chaque cytoplasme & noyau Position de chaque cellule & noyau Sphéroïde Maillage cellulaire au sein d’une grille Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 Maillages dans un plan 24 PRÉDICTION DE DOMMAGES RADIO-INDUITS UMR6533 LPC IN2P3-UBP YANN PERROT: [email protected] Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 25 Geant4 pour la radiobiologie = Geant4-DNA Étape physique http://geant4-dna.org •Modélisation des interactions physiques des particules primaires et ses secondaires avec l‘eau liquide • Diffusion p, He, e• Sections efficaces dans l’ADN, ions Étape physico-chimique •Production de radicaux •Diffusion •Interactions mutuelles •Interactions avec des cibles biologiques Modèles géométriques •Brins d’ADN, fibres de chromatine, chromosomes, noyaux cellulaires, population cellulaire •Prédiction de dommages dus aux effets directs et indirects Dommages biologiques effets DIRECTS t=0 Dommages biologiques effets INDIRECTS t = 10-15s Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 t = 10-6s 26 Statut Geant4-DNA Étape physique •Modélisation des interactions physiques des particules primaires et ses secondaires avec l‘eau liquide • Diffusion p, He, e• Sections efficaces dans l’ADN, ions Vérification Dose Point Kernel e- monoénergétiques En cours de développement Comparaison avec d’autres codes MC NIMB 306 (2013) 165-8 S values e- monoénergétiques 131I, 134I Med. Phys. 37 (2010) 4692-708 Appl. Radiat. Isot. 69 (2011) 220-6 Accélération de la simulation de la diffusion élastique des électrons by V. Ivanchenko Comparaison avec d’autres codes MC NIMB 319 (2014) 87-94 Diffusion des p, He Doses radiales p monoénergétiques Comparaison avec littérature by H. Tran NIMB 333(2014) 92-8 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 27 Statut Geant4-DNA Modèles géométriques •Brins d’ADN, fibres de chromatine, chromosomes, noyaux cellulaires, population cellulaire •Prédiction de dommages dus aux effets directs et indirects Assemblage de volumes simples Description atomique Fichier PDB (Protein Data Bank) Fibre de chromatine Delage et al., to be submitted to CPC Nucléosome Dos Santos et al. NIMB. 298 (2013) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 Delage, Payno 28 Modélisation Monte carlo Culturres cellulaires 3D Mélanome + chondrosarcome Expériences in vitro Modélisation in silico Gadolinium NP Imagerie 3D Modélisation de population cellulaire Irradiation RX Modélisation du faisceau d’irradiation Suivi des particules secondaires Geant4/GATE Modèles physiques basse énergie Interaction avec les NP Modélisation géométrie ADN Clonogénicité Foci γH2AX Geant4 DNA Dommages ADN Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 29 Faisceau d’irradiation Energy of generated primaries (keV) • X-RAD 320 @ PAVIRMA – – – – Voltage: 250 kVp Filtration: 2 mm Al Intensité: 15 mA Champs circulaire: rayon 14 cm • Caractérisation • Modélisation – Geant4 10.0 – Physique EM « Low Energy » = Livermore 120 4,5 Measurements (ionization chamber) GATE 7.0 Relative Discrepancy (%) 100 80 4 3,5 3 Relative Discrepancy (%) Depth dose profile in liquid water Relative Dose (%) – M. Gautier, M. Bony, G. Montarou: CDA, dépôts de dose absorbée – Centre Jean Perrin: dépôts de dose absorbée 2,5 60 2 40 1,5 1 20 0,5 0 0 0 2 4 6 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 8 10 12 14 16 18 20 Depth (cm) 30 Irradiation des sphéroïdes Plaque 2 mm Milieu de culture Sphéroïde 6 mm 4 mm Film Gafchromic 3 mm Support Pavirma boîte 96 puits Frequency (u.a) Point de prescription de la dose: 250 kV, 2 mm Al, SSD 50 cm, 2 Gy.min-1 2 Gy → 20 Gy Energy of charged secondaries (keV) hiting the spheroïd (liquid water) Parcours 2.5 µm Parcours 43 µm Parcours 143 µm E (keV) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 31 Dépôt d’énergie par cellule • Uniformité de la fréquence de dépôts d’énergie dans deux cellules de part et d’autre d’un sphéroïde – – Énergie des secondaires Qualité de faisceau constante sur l’épaisseur d’un sphéroïde (500 µm) Cell at the surface of the spheroid Cell at the center of the spheroid • Pour aller plus loin: – – Distinction noyau/cellule Fréquence de dépôts d’énergie dans le noyau: calcul de dommages (cassures ADN) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 32 Intérêt des nanoparticules • Nanoparticules AGuIX AC13 X-Ray attenuation Gd vs water (NIST) – 4Si-DTPA • ~3.5 nm diam . à pH = 7.4 • 8.5 kDa • 21 TEOS, 18 APTES, 10 DTPA, 10 Gd, fraction massique en Gd = 12% – Energie optimale pour obtenir un effet différentiel ~50 keV • Simulation Monte Carlo – Geant4.10.00.p01, Livermore + fluo + auger – Production des secondaires autour de la NP 1 nanoparticule Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 33 Production de secondaires autour de la NP Effets photoélectriques par photon primaire Primary NP Si-DTPA Gamma 52 keV 1.8x10-5 PAVIRMA 1.3x10-6 • Pour aller plus loin: – – Localisation des NP dans la cellule Fréquence de dépôts d’énergie dans le noyau: calcul de dommages (cassures ADN) Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 34 CONCLUSION • Production de données biologiques pour les cellules radiorésistantes en 3D – Morphologie des sphéroïdes – Taux de survie, production de foci – Potentialisation de l’effet des rayonnements par l’ajout de NP • Développer des outils pour une modélisation multi -échelle – La plateforme CPOP est en cours d’intégration dans GATE/Geant4 – Les simulations Monte Carlo en radiobiologie pourront être mises en œuvre sur des populations cellulaires réalistes – La modélisation de molécules d’ADN est en cours d’intégration • Corrélation expériences / modélisations Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 35 Publications en cours • Sur les géométries ADN: – E. Delagea Q.T. Pham, M. Karamitros, H. Payno,V. Stepan, S. Incerti, L. Maigne, Y. Perrot, PDB4DNA: implementation of DNA geometry from the Protein Data Bank (PDB) description for Geant4-DNA Monte-Carlo simulations, submitted to Computer Physics communication • Microdosimétrie de faisceaux cliniques: – Q.T. Pham, A. Anne, M. Bony, E. Delage, D. Donnarieix, A. Dufaure, M. Gautier, S. B. Lee, P. Micheau, G. Montarou, Y. Perrot, J.I. Shin, S. Incerti and L. Maigne, Coupling of Geant4-DNA physics models into the GATE Monte Carlo platform: evaluation of radiationinduced damages for clinical and preclinical radiation therapy beams, to be submitted to NIMB • Sur l’outil de modélisation CPOP • Sur CPOP combiné aux simulations GATE/Geant4 Projet PhysiCancer RACE - AG GDR Mi2b - Nantes Arronax - 12/09/14 36
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