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25 results on '"Ipatov, Andrei"'

1. The plasmon resonance in the cadmium selenide semiconductor nanocrystals with different doping types

Author

Ipatov Andrei and Kupriianov Genrikh

Subjects
semiconductor nanocrystal, cadmium selenide, doping, plasmon resonance, multiparticle excitation, Mathematics, QA1-939, Physics, QC1-999
Abstract

The effect of the type of doping (surface (I) or bulk (II) doping) on the character of the dipole plasmon mode in semiconductor CdSe nanocrystals has been studied. It was found that in case I (donors located on the surface of the nanocrystal) the collective mode had a rotational character and only the angular degrees of freedom were excited. On the contrary, in case II the charge of the dopant impurities was distributed throughout the system and plasmon excitation was the oscillation of delocalized charge carriers in the direction normal to the surface. It was shown that the position of the resonance line was determined not only by the concentration of free charges, but also by the character of their collective motion determining by the type of doping.

Published
2023
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2. Assessment of Dressed Time-Dependent Density-Functional Theory for the Low-Lying Valence States of 28 Organic Chromophores

Author

Huix-Rotllant, Miquel, Ipatov, Andrei, Rubio, Angel, and Casida, Mark E.

Subjects
Condensed Matter - Mesoscale and Nanoscale Physics
Abstract

Almost all time-dependent density-functional theory (TDDFT) calculations of excited states make use of the adiabatic approximation, which implies a frequency-independent exchange-correlation kernel that limits applications to one-hole/one-particle states. To remedy this problem, Maitra et al.[J.Chem.Phys. 120, 5932 (2004)] proposed dressed TDDFT (D-TDDFT), which includes explicit two-hole/two-particle states by adding a frequency-dependent term to adiabatic TDDFT. This paper offers the first extensive test of D-TDDFT, and its ability to represent excitation energies in a general fashion. We present D-TDDFT excited states for 28 chromophores and compare them with the benchmark results of Schreiber et al.[J.Chem.Phys. 128, 134110 (2008).] We find the choice of functional used for the A-TDDFT step to be critical for positioning the 1h1p states with respect to the 2h2p states. We observe that D-TDDFT without HF exchange increases the error in excitations already underestimated by A-TDDFT. This problem is largely remedied by implementation of D- TDDFT including Hartree-Fock exchange.

Published
2010
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3. Troubleshooting Time-Dependent Density-Functional Theory for Photochemical Applications: Oxirane

Author

Cordova, Felipe, Doriol, L. Joubert, Ipatov, Andrei, Casida, Mark E., Filippi, Claudia, and Vela, Alberto

Subjects
Condensed Matter - Other Condensed Matter
Abstract

The development of analytic-gradient methodology for excited states within conventional time-dependent density-functional theory (TDDFT) would seem to offer a relatively inexpensive alternative to better established quantum-chemical approaches for the modeling of photochemical reactions. However, even though TDDFT is formally exact, practical calculations involve the use of approximate functionals, in particular the TDDFT adiabatic approximation, whose use in photochemical applications must be further validated. Here, we investigate the prototypical case of the symmetric CC ring opening of oxirane. We demonstrate by direct comparison with the results of high-quality quantum Monte Carlo calculations that, far from being an approximation on TDDFT, the Tamm-Dancoff approximation (TDA) is a practical necessity for avoiding triplet instabilities and singlet near instabilities, thus helping maintain energetically reasonable excited-state potential energy surfaces during bond breaking. Other difficulties one would encounter in modeling oxirane photodynamics are pointed out but none of these is likely to prevent a qualitatively correct TDDFT/TDA description of photochemistry in this prototypical molecule., Comment: 19 pages, 17 figures, submitted to the Journal of Chemical Physics

Published
2007
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4. Плазмонный резонанс в полупроводниковых нанокристаллах селенида кадмия с различным типом легирования

Author

Ipatov, Andrei and Kupriianov, Genrikh

Subjects
многочастичное возбуждение, semiconductor nanocrystal, селенид кадмия, легирование, полупроводниковый нанокристалл, plasmon resonance, cadmium selenide, doping, плазмонный резонанс, multiparticle excitation
Abstract

Исследовано влияние типа легирования (поверхностное (I) либо объемное (II)) на характер дипольной плазмонной моды в полупроводниковых нанокристаллах CdSe. Установлено, что в I случае (доноры расположены на поверхности нанокристалла) коллективная мода имеет вращательный характер и возбуждаются только угловые степени свободы. Напротив, во II случае заряд легирующих примесей распределен по всему объему системы и плазмонное возбуждение – суть колебание делокализованных носителей заряда в направлении нормали к поверхности. Показано, что положение резонансной линии обусловлено не только концентрацией свободных зарядов, но и характером их коллективного движения, который определяется типом легирования., The effect of the type of doping (surface (I) or bulk (II) doping) on the character of the dipole plasmon mode in semiconductor CdSe nanocrystals has been studied. It was found that in case I (donors located on the surface of the nanocrystal) the collective mode had a rotational character and only the angular degrees of freedom were excited. On the contrary, in case II the charge of the dopant impurities was distributed throughout the system and plasmon excitation was the oscillation of delocalized charge carriers in the direction normal to the surface. It was shown that the position of the resonance line was determined not only by the concentration of free charges, but also by the character of their collective motion determining by the type of doping.

Published
2023
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6. Matched characterization of super-multiperiod superlattices

Author

Goray, Leonid, primary, Pirogov, Evgeniy, additional, Sobolev, Maxim, additional, Ilkiv, Igor, additional, Dashkov, Alexander, additional, Nikitina, Ekaterina, additional, Ubyivovk, Evgenii, additional, Gerchikov, Leonid, additional, Ipatov, Andrei, additional, Vainer, Yuliy, additional, Svechnikov, Mikhail, additional, Yunin, Pavel, additional, Chkhalo, Nikolay, additional, and Bouravlev, Alexei, additional

Published
2020
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8. Evolution of Horizontal Wells Production Logging Using Markers

Author

Basov, Artem, additional, Bukov, Oleg, additional, Lazutkin, Dmitry, additional, Olyunin, Alexey, additional, Kuznetsov, Vadim, additional, Ipatov, Andrei, additional, Shevchuk, Taras, additional, Saprykina, Kseniya, additional, Ovchinnikov, Kirill, additional, and Novikov, Igor, additional

Published
2019
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9. Physical, chemical and biological modelling of the radiosensitizing effect of high-Z nanoparticles

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Monini, Caterina, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I Lyon), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Rayet, Béatrice, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation - - PRIMES2011 - ANR-11-LABX-0063 - LABX - VALID, Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [SDV.CAN] Life Sciences [q-bio]/Cancer, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [SDV.CAN]Life Sciences [q-bio]/Cancer, [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; Background: In radiotherapy, the use of radiosensitizers aims at amplifying the destructive effects of the dose in the tumor. High-Z nanoparticles have shown promising radiosensitizing properties that may originate from early physical and chemical mechanisms. A local amplification of the energy deposition inside nanotargets such as DNA, in addition to a boost of free radicals could be responsible for an increase of cell death. While it has been studied for over a decade, the understanding of such effects remains under investigation.Goal: As experimental results appear sometimes contradictory, modelling may help to better understand and quantify these early mechanisms and their impacts on cell survival.Methods: We developed Monte Carlo simulations (MCS) which track secondary electrons down to low energy both in water (meV) and gold (eV). These MCS were used to calculate the two following quantities, for an irradiated volume of water containing nanoparticles:(1) the statistical distribution of energy deposition in nanotargets, and the impact of nanoparticles on this distribution, with regard to the distance of the nanotarget to the nanoparticle surface.(2) the boost of free-radical production induced by nanoparticles, both at macro- and nanoscale.We emphasize that the time for such calculations would be prohibitive (>500 centuries on a PC) without several numerical optimizations. These two results were used in the biophysical model NanOx, originally developed to predict biological dose in hadrontherapy, to quantify the effect of nanoparticles in terms of cell death.Results: The effect of gold nanoparticles on these 3 quantities will be presented for irradiation with 20-90 keV photons, various nanoparticle sizes and concentrations.Conclusion: Nanoparticles increased the probability of energy deposition in nanotargets, especially for high energy deposition, within

Published
2019

10. Modélisation physique, chimique et biologique pour la radiothérapie améliorée par les nanoparticules à fort-Z : vers une meilleure compréhension de l’effet radiosensibilisant

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoît, Ipatov, Andrei, Charfi, Hela, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), PRISME (PRISME), Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I Lyon), Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Rayet, Béatrice

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], Modélisation, Nanoparticules, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], Effet radiosensibilisant, [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; L’enjeu majeur de la radiothérapie est de concentrer la dose d’irradiation dans les cellules cancéreuses tout en épargnant au mieux les cellules saines. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de radiosensibilisants vise à amplifier les effets destructeurs de dose dans la tumeur. Les nanoparticules (NPs) de métaux lourds tels que l’or, ont montré des propriétés radiosensibilisantes et ont des résultats prometteurs. Si leur effet est connu depuis une vingtaine d’années, l’origine de ce phénomène est encore mal comprise et peu quantifiée.La littérature suggère que, interagissant avec les NPs, les radiations génèreraient un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet aurait pour conséquence de déposer davantage de dose localement, amplifiant les dommages cellulaires critiques par cassure directe de molécules sensibles (ADN) ou par boost de radicaux libres. Ces effets sont produits à des échelles nanométriques et dans des temps extrêmement courts (à partir de 10-18 seconde) mais ont des conséquences à échelle du patient. Parce que ce phénomène n’est pas observable, l’outil de simulation est indispensable pour mieux comprendre les processus initiaux.Notre objectif est dans un premier temps de développer une simulation permettant de calculer les distributions spatiales de dose et de radicaux libres autour des NPs et de quantifier le boost induit. Dans un second temps, nous allons injecter ces résultats dans le modèle NanOx, développé dans le cadre de l’optimisation de soin par hadronthérapie, pour traduire ces effets en termes d’augmentation de dose biologique et de mort cellulaire.Ces deux étapes feront l’objet d’une confrontation avec des données expérimentales pour évaluer la qualité des modèles et de la pertinence des scénarios proposés dans la littérature. L’objectif final serait de guider le développement des NPs et si possible d’aider à la planification clinique de traitements radiothérapeutiques basés sur les NPs.

Published
2018

11. Biophysical modelling of the radiosensitizing effect of high-Z nanoparticles

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Monini, Caterina, Charfi, Hela, Lartaud, Pierre-Jean, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Rayet, Béatrice, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation - - PRIMES2011 - ANR-11-LABX-0063 - LABX - VALID, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [CHIM] Chemical Sciences, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [CHIM]Chemical Sciences, [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; The main challenge of radiotherapy is to focus the irradiation dose in cancer cells while preserving the healthy cells surrounding the tumor. Among the different strategies, the use of radiosensitizers aims at amplifying the destructive effects of dose in the tumor. Nanoparticles of heavy metals such as gold, are particularly promising radiosensitizers [1]. If their radiosensitizer effect has been studied for about two decades, the origin of this phenomenon is yet quite unknown and barely quantified.Literature suggests that irradiation would generate a physical effect called Auger cascades. This effect would lead to a local increase of secondary electrons around the nanoparticle, thus amplifying the critical cell damages of direct sensible molecules such as DNA, or through a boost of free radicals. These effects are produced at nanometric scales and at very short time (10-15 to 10-12 seconds) but have consequences on the patient scale. Because these physical and chemical effects are not directly observable, simulation tools are therefore mandatory to better understand the initial mechanisms. Our goal is to first develop a simulation that enables us to calculate the spatial dose and free radicals distribution around the nanoparticles, and to quantify the induced boost [2,3]. To achieve this first step, we developed a low energy Monte Carlo code which can, on nanometric scales, track secondary electrons down to thermalization energy both in water and gold. Solid physics models have been implemented for gold (surface/bulk plasmons), and the code accounts for macroscopic potential differences between two media. This code also allows us to calculate the production of free radicals according to the concentration of nanoparticles. Secondly, we want to inject the results in the model NanOx [4], originally developed at IPNL to calculate the biological dose in hadrontherapy.These two allow us to assess the quality of our models, and the relevance of the scenarii offered in literature. The final aim is to guide the development of the nanoparticles and, if possible, to help to planify clinical treatment of nanoparticle-based radiotherapy.We show a dependance of the nanodosimetry in a specific range around nanoparticles according to the energy (20-90 keV) of photons and the nanoparticle size, and the impact in the free radical production compared to pure water.[1] Hainfeld J.F. et al, Radiotherapy enhancement with gold nanoparticles;J Pharm Pharmacol; 2008; 60(8);977-85[2] Gervais B. et al, Numerical simulation of multiple ionization and high LET effects in liquid water radiolysis;Radiat Phys Chem;75;493-513[3] Gervais B. et al, Production of HO2 and O2 by multiple ionization in water radiolysis by swift carbon ions,Chemical Physics Letter;2005;410;330-334[4] Cunha M. et al, NanOx, a new model to predict cell survival in the context of particle therapy;Physics in Medicine & Biology;2017;62;1248-68

Published
2018

13. Biophysical modelisation of gold nanoparticles radiosensitizing effects

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Monini, Caterina, Cunha, Micaela, Lartaud, Pierre-Jean, Bacle, Thibault, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [SDV.CAN]Life Sciences [q-bio]/Cancer, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; The main challenge of radiotherapy is to focus the irradiation dose in cancer cells while preserving the healthy cells surrounding the tumor. Among the different strategies, the use of radiosensitizers aims to amplify the destructive effects of dose in the tumor [1]. Nanoparticles of heavy metals such as gold, are particularly promising radiosensitizers. If their radiosensitizer effect has been studied for about two decades, the origin of this phenomenon is yet quite unknown and barely quantified.Literature suggests that irradiation would generate a physical effect called Auger cascades. This effect would lead to a local increase secondary electrons around the nanoparticle, thus amplifying the critical cell damages of direct sensible molecules such as DNA, or through a boost of free radicals. These effects are produced at nanometric scales and at very short time (10-15 to 10-12 seconds) but have consequences on the patient scale. Because these physical and chemical effects are not directly observable, the simulation tool is therefore mandatory to better understand the initial mechanisms. Our goal is to first develop a simulation that enables us to calculate the spatial dose and free radicals distribution around the nanoparticles, and to quantify the induced boost [2,3]. To achieve this first step, we developed a low energy Monte Carlo code which can, on nanometric scales, track secondary electrons down to thermalization energy both in water and gold. Solid physics models have been implemented for gold (surface/bulk plasmons), and the code accounts for macroscopic potential differences between two media. Secondly, we want to inject the results in the model NanOx [4], originally developed at IPNL to calculate the biological dose in hadrontherapy.These two allow us to assess the quality of our models, and the relevance of the scenarii offered in literature. The final aim is to guide the development of the nanoparticles and, if possible, to help to planify clinical treatment of nanoparticle-based radiotherapy.We show a dependance of the nanodosimetry in a specific range around nanoparticles according to the energy (20-90 keV) of photons and the nanoparticle size, and the impact in the free radical production compared to pure water.[1] Hainfeld J.F. et al, Radiotherapy enhancement with gold nanoparticles;J Pharm Pharmacol; 2008; 60(8);977-85[2] Gervais B. et al, Numerical simulation of multiple ionization and high LET effects in liquid water radiolysis;Radiat Phys Chem;75;493-513[3] Gervais B. et al, Production of HO2 and O2 by multiple ionization in water radiolysis by swift carbon ions,Chemical Physics Letter;2005;410;330-334[4] Cunha M. et al, NanOx, a new model to predict cell survival in the context of particle therapy;Physics in Medicine & Biology;2017;62;1248-68

Published
2017

15. Biophysical modelisation of gold nanoparticles radiosensi-tizing effects

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Monini, Caterina, Cunha, Micaela, Lartaud, Pierre-Jean, Bacle, Thibault, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Rayet, Béatrice, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation - - PRIMES2011 - ANR-11-LABX-0063 - LABX - VALID, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], radiosensitizer, nanometric scale, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], nanoparticles, [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, modelisation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; The main challenge of radiotherapy is to focus the irradiation dose in cancer cells while preserving the healthy cells surrounding the tumor. Among the different strategies, the use of radiosensitizers aims to amplify the destructive effects of dose in the tumor1. Nanoparticles of heavy metals such as gold and gadolinium, are particularly promising radiosensitizers. If their radiosensitizer effect has been studied for about two decades, the origin of this phenomenon is yet quite unknown and barely quantified.Litterature suggests that irradiation would generate a physical effect called Auger cascades. This effect would lead to a local increase secondary electrons around the nanoparticle, thus implifying the critical cell damages of direct sensible molecules such as DNA, or through a boost of free radicals. These effects are produced at nanometric scales and at very short time (10-15 to 10-12 seconds) but have consequences on the patient scale.Because this physical and chemical effects are not directly observable, the simulation tool is therefore mendatory to better understand the initial mecanisms. Our goal is to first develop a simulation that enables us to calculate the spatial dose and free radicals distribution around the nanoparticles, and to quantify the induced boost2,3. Secondly, we want to inject the results in the model Nanox4, originally developed in IPNL to calculate the biological dose in hadron-therapy.These two allow us to assess the the quality of our models, and the relevance of the scenarii offered in literature. The final aim is to guide the development of the nanoparticles and, if possible, to help to planify clinical treatment of nanoparticle-based radiotherapy.

Published
2017

16. Modélisation biophysique de l’effet radiosensibilisant des nanoparticles à élément lourd

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Charfi, Hela, Monini, Caterina, Lartaud, Pierre-Jean, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Rayet, Béatrice, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation - - PRIMES2011 - ANR-11-LABX-0063 - LABX - VALID, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [SDV.CAN] Life Sciences [q-bio]/Cancer, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [SDV.CAN]Life Sciences [q-bio]/Cancer, [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Abstract

International audience; Le principal défi de la radiothérapie est de concentrer les effets de dose au sein des cellules cancéreuses, tout en épargnant les tissus sains environnants. Parmi les différentes stratégies possibles, l’utilisation de radiosensibilisants permet d’amplifier les effets destructeurs de la dose dans la tumeur. Les nanoparticules faites de métaux lourds tels que l’or ou le gadolinium ont montré des effets radiosensibilisants prometteurs1. Si cet effet est connu et étudié depuis quelques dizaines d’années, son origine est encore mal connue.La littérature suggère que l’irradiation serait à l’origine d’un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet conduirait à une augmentation locale de la production d’électrons secondaires dans le voisinage de la nanoparticule, induisant ainsi à une augmentation des dommages cellulaires critiques, par ionisation/excitation de molécules cellulaires sensibles ou par attaque radicalaire. Ces effets sont produits à des échelles spatiales nanométriques et à des temps très courts (10-15 to 10-12 seconde) mais ont des conséquences à échelle des tissus. Ces phénomènes physico-chimiques n’étant pas observables directement, l’outil de simulation est donc requis pour mieux comprendre ces mécanismes initiaux.L’objectif de ce travail est de tout d’abord développer une simulation permettant de calculer la distribution spatiale du dépôt d’énergie et de la production des radicaux libres autour des nanoparticules, afin de quantifier le boost induit2,3 à échelle nanométrique. Pour réaliser cette première étape, nous avons développé un code Monte Carlo s’appuyant sur des modèles physiques valides à basse énergie, permettant ainsi de suivre les électrons secondaires jusqu’à thermalisation dans l’eau et dans la nanoparticule. Dans un second temps, nous allons injecter ces résultats dans NanOx4, modèle développé à l’IPNL pour prédire des doses biologiques en hadronthérapie.Ces deux objectifs nous permettront d’évaluer la qualité de nos modèles et la pertinence de scénarii proposés dans la littérature. A terme, ces travaux pourraient guider le développement des nanoparticules et leur application en clinique.[1] Hainfeld J.F. et al, Radiotherapy enhancement with gold nanoparticles;J Pharm Pharmacol; 2008; 60(8);977-85[2] Gervais B. et al, Numerical simulation of multiple ionization and high LET effects in liquid water radiolysis;Radiat Phys Chem;75;493-513[3] Gervais B. et al, Production of HO2 and O2 by multiple ionization in water radiolysis by swift carbon ions,Chemical Physics Letter;2005;410;330-334[4] Cunha M. et al, NanOx, a new model to predict cell survival in the context of particle therapy;Physics in Medicine & Biology;2017;62;1248-68

Published
2017

17. Modélisation biophysique des effets radiosensibilisants des nanoparticules

Author

Poignant, Floriane, Gervais, Benoit, Ipatov, Andrei, Cunha, Micaela, Monini, Caterina, Bacle, Thibault, Lartaud, Pierre-Jean, Testa, Etienne, Beuve, Michael, Rayet, Béatrice, Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation - - PRIMES2011 - ANR-11-LABX-0063 - LABX - VALID, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Saint Petersburg State Technical University, Saint Petersburg State Polytechnical University (SPSPU), ANR-11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation(2011), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), and Normandie Université (NU)

Subjects
[PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], radiosensibilisation, [PHYS.PHYS.PHYS-MED-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Medical Physics [physics.med-ph], [INFO.INFO-MO] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, échelle nanométrique, [INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation, nanoparticules, modélisation
Abstract

National audience; L’enjeu majeur de la radiothérapie est de concentrer la dose d’irradiation dans les cellules cancéreuses tout en épargnant au mieux les cellules saines. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de radiosensibilisants vise à amplifier les effets destructeurs de dose dans la tumeur. Les nanoparticules de métaux lourds tels que l’or, le gadolinium, sont des radiosensibilisants particulièrement prometteurs. Si leur effets radiosensibilisants sont étudiés depuis quelques dizaines d'années, l’origine de ce phénomène est encore mal connue et peu quantifiée.La littérature suggère que les radiations généreraient un effet physique appelé cascade Auger. Cet effet aurait pour conséquence de déposer davantage de dose, amplifiant les dommages cellulaires critiques par cassure directe de molécules sensibles (ADN) ou par boost de radicaux libres. Ces effets sont produits à des échelles nanométriques et dans des temps extrêmement courts (10-15 à 10-12 seconde) mais ont des conséquences à échelle du patient.Parce que ces processus physico-chimiques ne sont pas observables, l’outil de simulation est indispensable pour mieux comprendre les processus initiaux. Notre objectif est dans un premier temps de développer une simulation permettant de calculer les distributions spatiales de dose et de radicaux libres autour des nanoparticules et de quantifier le boost induit. Dans un second temps, nous injecterons ces résultats dans le modèle Nanox, développé dans le cadre de l’optimisation de soin par hadronthérapie, pour traduire ces effets en termes d’augmentation de dose biologique et de mort cellulaire.Ces deux étapes feront l’objet d’une confrontation avec des données expérimentales pour évaluer la qualité des modèles et de la pertinence des scénarios proposés dans la littérature. L’objectif final serait de guider le développement des nanoparticules et si possible d’aider à la planification clinique de traitements radiothérapeutiques basés sur les nanoparticules.

Published
2017

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