{"id":{"repo_id":"athens","oai_identifier":"oai:lib.uoa.gr:uoadl:5370715"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/athens/oai:lib.uoa.gr:uoadl:5370715","repository":{"repo_id":"athens","name":"National and Kapodistrian University of Athens","base_url":"https://pergamos.lib.uoa.gr/uoa/dl/frontend/oaipmh"},"display":{"title":"Radiobiological and microdosimetric evaluation of proton FLASH versus conventional proton and conventional X-ray irradiation. A comparative study on cell survival and DNA damage","abstract":"Υπόβαθρο: Η ακτινοθεραπεία με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό δόσης (FLASH) αποτελεί μια θεμελιώδη αλλαγή στην ογκολογία, υποσχόμενη τη διεύρυνση του θεραπευτικού παραθύρου μέσω της προστασίας των υγιών ιστών, διατηρώντας παράλληλα τον έλεγχο του όγκου. Ωστόσο, οι ραδιοβιολογικοί μηχανισμοί που οδηγούν σε αυτό το διαφορικό αποτέλεσμα παραμένουν εν μέρει ασαφείς. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην παροχή ενός ολοκληρωμένου φυσικού και βιολογικού χαρακτηρισμού των πρωτονίων FLASH σε σύγκριση με τα συμβατικά (CONV) πρωτόνια και τις συμβατικές ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας μια πολυπαραμετρική πειραματική και υπολογιστική προσέγγιση. Μέθοδοι: Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo με το πλαίσιο TOPAS για τον χαρακτηρισμό της δέσμης του θαλάμου X-ray και του Κέντρου Θεραπείας Πρωτονίων του Τρέντο (TPTC). Πραγματοποιήθηκε μικροδοσιμετρική ανάλυση και η Σχετική Βιολογική Αποτελεσματικότητα (RBE) εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας το Μικροδοσιμετρικό Κινητικό Μοντέλο (MKM) και το Γενικευμένο Στοχαστικό Μικροδοσιμετρικό Μοντέλο (GSM2). Πειραματικά, τόσο κύτταρα τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού (MDA-MB-231) όσο και υγιή επιθηλιακά κύτταρα μαστού (MCF-10A) ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ (0,03 Gy/sec), συμβατικά πρωτόνια (0,6 Gy/sec) και πρωτόνια FLASH (270 Gy/sec). Η κινητική των βλαβών του DNA αξιολογήθηκε μέσω της ποσοτικοποίησης των παραμέτρων των εστιών γH2AX και 53BP1, ενώ η μακροπρόθεσμη αναπαραγωγική ικανότητα αξιολογήθηκε με τη δοκιμασία κλωνογόνου επιβίωσης (clonogenic assay). Αποτελέσματα: Η μικροδοσιμετρική ανάλυση επιβεβαίωσε την μεταβαλλόμενη ποιότητα ακτινοβολίας των πρωτονίων, με το μοντέλο GSM2 να προβλέπει υψηλότερες τιμές RBE στην περιοχή αιχμής σε σύγκριση με το MKM. Στην αξιολόγηση των εστιών βλάβης του DNA, η ακτινοβόληση FLASH παρουσίασε σημαντική προστατευτική δράση στα υγιή κύτταρα MCF-10A, όπως αποδείχθηκε από τη μείωση τόσο του αριθμού όσο και της έντασης φθορισμού των εναπομείναντων εστιών 53BP1, γεγονός που υποδηλώνει μειωμένη πολυπλοκότητα των βλαβών. Ένας νέος σύνθετος δείκτης, το «Συνολικό Φορτίο Βλάβης» (Overall Damage Load), ποσοτικοποίησε αυτή τη μείωση σε περίπου 11% για τα υγιή κύτταρα, έναντι διαφοράς 3,6% στα κακοήθη κύτταρα. Συνεπώς, η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι η ακτινοβολία FLASH πρωτονίων ελαχιστοποιεί επιλεκτικά το φορτίο των πολύπλοκων, μη αναστρέψιμων βλαβών του DNA στον υγιή ιστό, χωρίς να μειώνει την κυτταροτοξική δράση στα καρκινικά κύτταρα του μαστού. Η ανάλυση κλωνογόνου επιβίωσης επιβεβαίωσε την προστατευτική δράση, εμφανίζοντας έναν Συντελεστή Τροποποίησης Δόσης (DMF) 1,21 στο επίπεδο επιβίωσης 10%.","abstract_html":"Υπόβαθρο: Η ακτινοθεραπεία με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό δόσης (FLASH) αποτελεί μια θεμελιώδη αλλαγή στην ογκολογία, υποσχόμενη τη διεύρυνση του θεραπευτικού παραθύρου μέσω της προστασίας των υγιών ιστών, διατηρώντας παράλληλα τον έλεγχο του όγκου. Ωστόσο, οι ραδιοβιολογικοί μηχανισμοί που οδηγούν σε αυτό το διαφορικό αποτέλεσμα παραμένουν εν μέρει ασαφείς. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην παροχή ενός ολοκληρωμένου φυσικού και βιολογικού χαρακτηρισμού των πρωτονίων FLASH σε σύγκριση με τα συμβατικά (CONV) πρωτόνια και τις συμβατικές ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας μια πολυπαραμετρική πειραματική και υπολογιστική προσέγγιση. Μέθοδοι: Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo με το πλαίσιο TOPAS για τον χαρακτηρισμό της δέσμης του θαλάμου X-ray και του Κέντρου Θεραπείας Πρωτονίων του Τρέντο (TPTC). Πραγματοποιήθηκε μικροδοσιμετρική ανάλυση και η Σχετική Βιολογική Αποτελεσματικότητα (RBE) εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας το Μικροδοσιμετρικό Κινητικό Μοντέλο (MKM) και το Γενικευμένο Στοχαστικό Μικροδοσιμετρικό Μοντέλο (GSM2). Πειραματικά, τόσο κύτταρα τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού (MDA-MB-231) όσο και υγιή επιθηλιακά κύτταρα μαστού (MCF-10A) ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ (0,03 Gy/sec), συμβατικά πρωτόνια (0,6 Gy/sec) και πρωτόνια FLASH (270 Gy/sec). Η κινητική των βλαβών του DNA αξιολογήθηκε μέσω της ποσοτικοποίησης των παραμέτρων των εστιών γH2AX και 53BP1, ενώ η μακροπρόθεσμη αναπαραγωγική ικανότητα αξιολογήθηκε με τη δοκιμασία κλωνογόνου επιβίωσης (clonogenic assay). Αποτελέσματα: Η μικροδοσιμετρική ανάλυση επιβεβαίωσε την μεταβαλλόμενη ποιότητα ακτινοβολίας των πρωτονίων, με το μοντέλο GSM2 να προβλέπει υψηλότερες τιμές RBE στην περιοχή αιχμής σε σύγκριση με το MKM. Στην αξιολόγηση των εστιών βλάβης του DNA, η ακτινοβόληση FLASH παρουσίασε σημαντική προστατευτική δράση στα υγιή κύτταρα MCF-10A, όπως αποδείχθηκε από τη μείωση τόσο του αριθμού όσο και της έντασης φθορισμού των εναπομείναντων εστιών 53BP1, γεγονός που υποδηλώνει μειωμένη πολυπλοκότητα των βλαβών. Ένας νέος σύνθετος δείκτης, το «Συνολικό Φορτίο Βλάβης» (Overall Damage Load), ποσοτικοποίησε αυτή τη μείωση σε περίπου 11% για τα υγιή κύτταρα, έναντι διαφοράς 3,6% στα κακοήθη κύτταρα. Συνεπώς, η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι η ακτινοβολία FLASH πρωτονίων ελαχιστοποιεί επιλεκτικά το φορτίο των πολύπλοκων, μη αναστρέψιμων βλαβών του DNA στον υγιή ιστό, χωρίς να μειώνει την κυτταροτοξική δράση στα καρκινικά κύτταρα του μαστού. Η ανάλυση κλωνογόνου επιβίωσης επιβεβαίωσε την προστατευτική δράση, εμφανίζοντας έναν Συντελεστή Τροποποίησης Δόσης (DMF) 1,21 στο επίπεδο επιβίωσης 10%.","abstract_has_math":false,"creators":["Κωστάκης Κωνσταντίνος","Kostakis Konstantinos"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":[],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":2026,"date_issued":"2026","date_published":"2026","updated_at":"2026-07-24T01:02:07Z","subjects":["Επιστήμες Υγείας","Health Sciences"],"languages":["English"],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[{"key":"dc:identifier","label":"Identifier","values":["uoadl:5370715"],"render_values":[{"text":"uoadl:5370715","href":null,"code":true}]}]},"links":{"outbound_url":"https://pergamos.lib.uoa.gr/uoa/dl/object/5370715","outbound_label":"Repository record","outbound_source":"dc:identifier"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Κωστάκης Κωνσταντίνος","Kostakis Konstantinos"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:date","label":"Dc Date","values":["2026"]},{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["born_digital_postgraduate_thesis","Διπλωματική Εργασία","Postgraduate Thesis"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["Επιστήμες Υγείας","Health Sciences"]}]},{"id":"language_rights","label":"Language and Rights","entries":[{"key":"dc:language","label":"Dc Language","values":["English"]}]},{"id":"identifiers","label":"Identifiers","entries":[{"key":"dc:identifier","label":"Identifier","values":["uoadl:5370715","https://pergamos.lib.uoa.gr/uoa/dl/object/5370715"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description","label":"Description","values":["Υπόβαθρο: Η ακτινοθεραπεία με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό δόσης (FLASH) αποτελεί μια θεμελιώδη αλλαγή στην ογκολογία, υποσχόμενη τη διεύρυνση του θεραπευτικού παραθύρου μέσω της προστασίας των υγιών ιστών, διατηρώντας παράλληλα τον έλεγχο του όγκου. Ωστόσο, οι ραδιοβιολογικοί μηχανισμοί που οδηγούν σε αυτό το διαφορικό αποτέλεσμα παραμένουν εν μέρει ασαφείς. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην παροχή ενός ολοκληρωμένου φυσικού και βιολογικού χαρακτηρισμού των πρωτονίων FLASH σε σύγκριση με τα συμβατικά (CONV) πρωτόνια και τις συμβατικές ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας μια πολυπαραμετρική πειραματική και υπολογιστική προσέγγιση. Μέθοδοι: Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo με το πλαίσιο TOPAS για τον χαρακτηρισμό της δέσμης του θαλάμου X-ray και του Κέντρου Θεραπείας Πρωτονίων του Τρέντο (TPTC). Πραγματοποιήθηκε μικροδοσιμετρική ανάλυση και η Σχετική Βιολογική Αποτελεσματικότητα (RBE) εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας το Μικροδοσιμετρικό Κινητικό Μοντέλο (MKM) και το Γενικευμένο Στοχαστικό Μικροδοσιμετρικό Μοντέλο (GSM2). Πειραματικά, τόσο κύτταρα τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού (MDA-MB-231) όσο και υγιή επιθηλιακά κύτταρα μαστού (MCF-10A) ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ (0,03 Gy/sec), συμβατικά πρωτόνια (0,6 Gy/sec) και πρωτόνια FLASH (270 Gy/sec). Η κινητική των βλαβών του DNA αξιολογήθηκε μέσω της ποσοτικοποίησης των παραμέτρων των εστιών γH2AX και 53BP1, ενώ η μακροπρόθεσμη αναπαραγωγική ικανότητα αξιολογήθηκε με τη δοκιμασία κλωνογόνου επιβίωσης (clonogenic assay). Αποτελέσματα: Η μικροδοσιμετρική ανάλυση επιβεβαίωσε την μεταβαλλόμενη ποιότητα ακτινοβολίας των πρωτονίων, με το μοντέλο GSM2 να προβλέπει υψηλότερες τιμές RBE στην περιοχή αιχμής σε σύγκριση με το MKM. Στην αξιολόγηση των εστιών βλάβης του DNA, η ακτινοβόληση FLASH παρουσίασε σημαντική προστατευτική δράση στα υγιή κύτταρα MCF-10A, όπως αποδείχθηκε από τη μείωση τόσο του αριθμού όσο και της έντασης φθορισμού των εναπομείναντων εστιών 53BP1, γεγονός που υποδηλώνει μειωμένη πολυπλοκότητα των βλαβών. Ένας νέος σύνθετος δείκτης, το «Συνολικό Φορτίο Βλάβης» (Overall Damage Load), ποσοτικοποίησε αυτή τη μείωση σε περίπου 11% για τα υγιή κύτταρα, έναντι διαφοράς 3,6% στα κακοήθη κύτταρα. Συνεπώς, η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι η ακτινοβολία FLASH πρωτονίων ελαχιστοποιεί επιλεκτικά το φορτίο των πολύπλοκων, μη αναστρέψιμων βλαβών του DNA στον υγιή ιστό, χωρίς να μειώνει την κυτταροτοξική δράση στα καρκινικά κύτταρα του μαστού. Η ανάλυση κλωνογόνου επιβίωσης επιβεβαίωσε την προστατευτική δράση, εμφανίζοντας έναν Συντελεστή Τροποποίησης Δόσης (DMF) 1,21 στο επίπεδο επιβίωσης 10%.","Background: Ultra-High Dose Rate (FLASH) radiotherapy represents a paradigm shift in oncology, promising to widen the therapeutic window by sparing normal tissues while maintaining tumor control. However, the radiobiological mechanisms driving this differential effect remain partially elusive. This study aims to provide a comprehensive physical and biological characterization of FLASH protons compared to Conventional (CONV) protons and standard orthovoltage X-rays, using a multi-parametric experimental and computational approach. Methods: Monte Carlo simulations using the TOPAS framework were employed to characterize the X-rays orthovoltage cabinet and the Trento Proton Therapy Center (TPTC) beamline. Microdosimetric analysis was performed and Relative Biological Effectiveness (RBE) was estimated using the Microdosimetric Kinetic Model (MKM) and the Generalized Stochastic Microdosimetric Model (GSM2). Experimentally, both Triple Negative Breast Cancer (MDA-MB-231) and healthy mammary epithelial (MCF-10A) cells were irradiated with X-rays (0.03 Gy/sec), CONV protons (0.6 Gy/sec) and FLASH protons (270 Gy/sec). DNA damage kinetics were assessed via γH2AX and 53BP1 foci parameters quantification, while long-term reproductive integrity was evaluated using clonogenic assay. Results: Microdosimetric analysis confirmed the varying radiation quality of protons, with GSM2 predicting higher distal RBE values than MKM. In the DNA damage foci assessment, FLASH irradiation demonstrated a significant sparing effect in healthy MCF-10A cells, evidenced by a reduction in both the number and fluorescence intensity of residual 53BP1 foci, indicative of reduced lesion complexity. A novel composite metric, “Overall Damage Load”, quantified this reduction at ~11 % for healthy cells, compared to a 3.6% difference in malignant cells. Thus, this study demonstrates that proton FLASH irradiation selectively minimizes the burden of complex, irreparable DNA damage in healthy tissue without compromising the lethal impact on breast cancer cells. Clonogenic survival analysis confirmed the sparing effect, exhibiting a Dose Modifying Factor (DMF) of 1.21 at the 10% survival level."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Radiobiological and microdosimetric evaluation of proton FLASH versus conventional proton and conventional X-ray irradiation. A comparative study on cell survival and DNA damage"]}]}],"canonical_facts":{"dc:creator":["Κωστάκης Κωνσταντίνος","Kostakis Konstantinos"],"dc:date":["2026"],"dc:description":["Υπόβαθρο: Η ακτινοθεραπεία με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό δόσης (FLASH) αποτελεί μια θεμελιώδη αλλαγή στην ογκολογία, υποσχόμενη τη διεύρυνση του θεραπευτικού παραθύρου μέσω της προστασίας των υγιών ιστών, διατηρώντας παράλληλα τον έλεγχο του όγκου. Ωστόσο, οι ραδιοβιολογικοί μηχανισμοί που οδηγούν σε αυτό το διαφορικό αποτέλεσμα παραμένουν εν μέρει ασαφείς. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην παροχή ενός ολοκληρωμένου φυσικού και βιολογικού χαρακτηρισμού των πρωτονίων FLASH σε σύγκριση με τα συμβατικά (CONV) πρωτόνια και τις συμβατικές ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας μια πολυπαραμετρική πειραματική και υπολογιστική προσέγγιση. Μέθοδοι: Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo με το πλαίσιο TOPAS για τον χαρακτηρισμό της δέσμης του θαλάμου X-ray και του Κέντρου Θεραπείας Πρωτονίων του Τρέντο (TPTC). Πραγματοποιήθηκε μικροδοσιμετρική ανάλυση και η Σχετική Βιολογική Αποτελεσματικότητα (RBE) εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας το Μικροδοσιμετρικό Κινητικό Μοντέλο (MKM) και το Γενικευμένο Στοχαστικό Μικροδοσιμετρικό Μοντέλο (GSM2). Πειραματικά, τόσο κύτταρα τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού (MDA-MB-231) όσο και υγιή επιθηλιακά κύτταρα μαστού (MCF-10A) ακτινοβολήθηκαν με ακτίνες Χ (0,03 Gy/sec), συμβατικά πρωτόνια (0,6 Gy/sec) και πρωτόνια FLASH (270 Gy/sec). Η κινητική των βλαβών του DNA αξιολογήθηκε μέσω της ποσοτικοποίησης των παραμέτρων των εστιών γH2AX και 53BP1, ενώ η μακροπρόθεσμη αναπαραγωγική ικανότητα αξιολογήθηκε με τη δοκιμασία κλωνογόνου επιβίωσης (clonogenic assay). Αποτελέσματα: Η μικροδοσιμετρική ανάλυση επιβεβαίωσε την μεταβαλλόμενη ποιότητα ακτινοβολίας των πρωτονίων, με το μοντέλο GSM2 να προβλέπει υψηλότερες τιμές RBE στην περιοχή αιχμής σε σύγκριση με το MKM. Στην αξιολόγηση των εστιών βλάβης του DNA, η ακτινοβόληση FLASH παρουσίασε σημαντική προστατευτική δράση στα υγιή κύτταρα MCF-10A, όπως αποδείχθηκε από τη μείωση τόσο του αριθμού όσο και της έντασης φθορισμού των εναπομείναντων εστιών 53BP1, γεγονός που υποδηλώνει μειωμένη πολυπλοκότητα των βλαβών. Ένας νέος σύνθετος δείκτης, το «Συνολικό Φορτίο Βλάβης» (Overall Damage Load), ποσοτικοποίησε αυτή τη μείωση σε περίπου 11% για τα υγιή κύτταρα, έναντι διαφοράς 3,6% στα κακοήθη κύτταρα. Συνεπώς, η μελέτη αυτή καταδεικνύει ότι η ακτινοβολία FLASH πρωτονίων ελαχιστοποιεί επιλεκτικά το φορτίο των πολύπλοκων, μη αναστρέψιμων βλαβών του DNA στον υγιή ιστό, χωρίς να μειώνει την κυτταροτοξική δράση στα καρκινικά κύτταρα του μαστού. Η ανάλυση κλωνογόνου επιβίωσης επιβεβαίωσε την προστατευτική δράση, εμφανίζοντας έναν Συντελεστή Τροποποίησης Δόσης (DMF) 1,21 στο επίπεδο επιβίωσης 10%.","Background: Ultra-High Dose Rate (FLASH) radiotherapy represents a paradigm shift in oncology, promising to widen the therapeutic window by sparing normal tissues while maintaining tumor control. However, the radiobiological mechanisms driving this differential effect remain partially elusive. This study aims to provide a comprehensive physical and biological characterization of FLASH protons compared to Conventional (CONV) protons and standard orthovoltage X-rays, using a multi-parametric experimental and computational approach. Methods: Monte Carlo simulations using the TOPAS framework were employed to characterize the X-rays orthovoltage cabinet and the Trento Proton Therapy Center (TPTC) beamline. Microdosimetric analysis was performed and Relative Biological Effectiveness (RBE) was estimated using the Microdosimetric Kinetic Model (MKM) and the Generalized Stochastic Microdosimetric Model (GSM2). Experimentally, both Triple Negative Breast Cancer (MDA-MB-231) and healthy mammary epithelial (MCF-10A) cells were irradiated with X-rays (0.03 Gy/sec), CONV protons (0.6 Gy/sec) and FLASH protons (270 Gy/sec). DNA damage kinetics were assessed via γH2AX and 53BP1 foci parameters quantification, while long-term reproductive integrity was evaluated using clonogenic assay. Results: Microdosimetric analysis confirmed the varying radiation quality of protons, with GSM2 predicting higher distal RBE values than MKM. In the DNA damage foci assessment, FLASH irradiation demonstrated a significant sparing effect in healthy MCF-10A cells, evidenced by a reduction in both the number and fluorescence intensity of residual 53BP1 foci, indicative of reduced lesion complexity. A novel composite metric, “Overall Damage Load”, quantified this reduction at ~11 % for healthy cells, compared to a 3.6% difference in malignant cells. Thus, this study demonstrates that proton FLASH irradiation selectively minimizes the burden of complex, irreparable DNA damage in healthy tissue without compromising the lethal impact on breast cancer cells. Clonogenic survival analysis confirmed the sparing effect, exhibiting a Dose Modifying Factor (DMF) of 1.21 at the 10% survival level."],"dc:identifier":["uoadl:5370715","https://pergamos.lib.uoa.gr/uoa/dl/object/5370715"],"dc:language":["English"],"dc:subject":["Επιστήμες Υγείας","Health Sciences"],"dc:title":["Radiobiological and microdosimetric evaluation of proton FLASH versus conventional proton and conventional X-ray irradiation. A comparative study on cell survival and DNA damage"],"dc:type":["born_digital_postgraduate_thesis","Διπλωματική Εργασία","Postgraduate Thesis"]},"updated_at":"2026-07-24T01:02:07Z"}