Geant4-Simulations for cellular dosimetry in nuclear medicine

The application of unsealed radionuclides in radiobiological experiments can lead to intracellular radionuclide uptake and an increased absorbed dose. Accurate dose quantification is essential to assess observed radiobiological effects. Due to small cellular dimensions direct dose measurement is impossible. We will demonstrate the application of Monte Carlo simulations for dose calculation.Dose calculations were performed using the Geant4 Monte Carlo toolkit, wherefore typical experimental situations were designed. Dose distributions inside wells were simulated for different radionuclides. S values were simulated for spherical cells and cell monolayers of different diameter. Concomitantly experiments were performed using the PC Cl3 cell line with mediated radionuclide uptake. For various activity distributions cellular survival was measured.We yielded S values for dose distribution inside the wells. Calculated S values for a single cell are in good agreement to S values provided in the literature (ratio 0.87 to 1.07). Cross-dose is up to ten times higher for Y-90. Concomitantly performed cellular experiments confirm the dose calculation. Furthermore the necessity of correct dose calculation was shown for assessment of radiobiological effects after application of unsealed radionuclides. Thereby the feasibility of using Geant4 was demonstrated.

ZusammenfassungDie Anwendung offener radioaktiver Stoffe für strahlenbiologische Untersuchungen kann zu einer intrazellulären Aufnahme von Radionukliden führen. Daraus resultiert eine Erhöhung der Dosis im Vergleich zur rein extrazellulären Bestrahlung. Zur korrekten Beurteilung von beobachteten biologischen Effekten ist die genaue Kenntnis der Dosis erforderlich. Aufgrund der zellulären Dimensionen kann die Dosis nicht direkt gemessen werden. Wir demonstrieren die Anwendung von Monte-Carlo-Simulationen zur Dosisbestimmung. Typische experimentelle Situationen wurden mittels des Monte-Carlo-Toolkits Geant4 simuliert. Die Dosisverteilung in Multi-Titer-Platten wurde für verschiedene Radionuklide berechnet. Für kugelförmige Zellen und Zellmonolagen verschiedener Durchmesser erfolgte die Berechnung von S-Werten. Begleitend wurden Experimente an der Zelllinie PC Cl3 bei variablen Aktivitätsverteilungen durchgeführt und das zelluläre Überleben bestimmt. Als Ergebnis erhielten wir S-Werte für die extrazelluläre Bestrahlung in Multi-Titer-Platten. Die berechneten S-Werte für Einzelzellen stimmen gut mit Literaturangaben überein (Verhältnis 0,87 bis 1,07). Die Nachbarzellbestrahlung führt für Y-90 zu einer zehnfachen Dosiserhöhung. Die durchgeführten Experimente bestätigen die berechneten Dosiswerte. Weiterhin wurden die Notwendigkeit einer exakten Dosisberechnung sowie die Verwendbarkeit von Geant4 für diese Problematik demonstriert.