Modelamento biofísica de aberrações cromossômicas induzidas pela radiação ionizante  

Orientadores: Mario Antonio Bernal Rodriguez, Francesca BallariniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin e Universitá degli Studi di PaviaResumo: Neste trabalho de doutorado, os mecanismos de formação de aberrações cromossômicas por radiação ionizante foram investigados estudando sua dependência dos efeitos de proximidade (ou seja, dependência da probabilidade de recombinação na distância entre fragmentos de cromossomos), qualidade da radiação, linha celular e dose. Para isso, foram levadas a cabo diversas alterações no modelo BIANCA (análise biofísica da morte celular e aberrações cromossômicas), buscando melhorar o desempenho e expandir suas capacidades. Como resultado, o modelo BIANCA foi atualizado para representar explicitamente domínios (braços) dentro dos cromossomos, duas novas funções de probabilidade de recombinação foram incluídas e simulações de irradiações com micro-feixes também foram disponibilizadas. Além disso, o desempenho geral do código foi consideravelmente aprimorado, permitindo mais e melhores configurações de simulação. A versão atualizada do BIANCA foi aplicada em vários contextos, testando: a nova hipótese sobre efeitos de proximidade, a capacidade do modelo de fornecer explicações teóricas para dados experimentais de micro-feixes e o poder preditivo do modelo em termos de sobrevivência celular. Primeiro, BIANCA foi aplicado a linfócitos e fibroblastos humanos expostos a uma ampla gama de qualidades e doses de radiação, investigando o comportamento de uma função de probabilidade exponencial e gaussiana da forma P(r) = exp (-r/?) e P(r) = exp (-r^2/2?^2), respectivamente, para modelar efeitos de proximidade. Os rendimentos das principais categorias de aberração cromossômica foram calculados usando ambas as funções e comparados com uma variedade de conjuntos de dados experimentais. Os resultados das simulações mostraram que, para os linfócitos, uma função exponencial pode descrever melhor os efeitos de proximidade que a Gaussiana, independentemente da qualidade da radiação e da faixa de dose considerada. Por outro lado, para fibroblastos, enquanto a função exponencial ainda tem vantagem, os resultados para altos valores de LET merecem uma investigação mais aprofundada. Além disso, não apenas as tendências dos rendimentos absolutos, mas também as tendências de seus índices relativos (índices F e G), também foram reproduzidas com a função exponencial. Posteriormente, em colaboração com o projeto BioQuaRT (Quantidades Biologicamente Ponderadas em Radioterapia), o modelo foi usado como um meio de interpretar dados experimentais do ponto de vista teórico em experimentos com células de ovário de hamster irradiadas com micro-feixes de partículas alfa. Os maiores rendimentos de aberrações cromossômicas foram observados com a radiação com LET mais alta (85 vs 17 keV/um). As condições de irradiação foram reproduzidas com BIANCA, o que permitiu interpretar os resultados em termos da eficácia das partículas na indução de clústeres de lesões no DNA. Em outra colaboração, o poder preditivo do BIANCA em termos de sobrevivência celular foi testado através do estudo do comportamento dos parâmetros do modelo em vários conjuntos de dados que cobrem células de hamster e fibroblastos irradiadas por prótons, íons de C e He, em energias e doses de interesse hadronterapía de tumores. Com base neste estudo, foi proposta uma abordagem para prever curvas de sobrevivência celular para linhas de células e valores LET não disponíveis experimentalmente. Finalmente, na busca de novas melhorias no modelo, parte desse trabalho de doutorado foi investida no desenvolvimento de um código fortran que visa modelar a estrutura 3D do genoma, incluindo dados HiC (dados de frequência de contato in vivo entre todos os loci do genoma). O código é construído apartir de um método de restrição chamado LorDG. Após o benchmarking de uma primeira versão do nosso código em relação à implementação original, várias otimizações foram realizadas para torná-lo adequado à integração com o BIANCA. Até agora, a construção de modelos de células diplóides a partir de dados haplóides e a implementação de bibliotecas para gerenciar a grande quantidade de dados provenientes de conjuntos de dados HiC foram realizadas. Além disso, um método de coarse-grain/top-bottom está em desenvolvimento. Este método visa produzir conformações de maior resolução (até dezenas de pares de quilo-base) da cromatina, mantendo razoável a demanda de recursos computacionaisAbstract: In this PhD work, the mechanisms of chromosome aberration formation by ionizing radiation were investigated by studying their dependence on proximity effects (i.e., dependence of the chromosome fragments rejoining probability on the fragment distance), radiation quality, cell line and dose. To do so, several changes in the BIANCA (BIophysical ANalysis of Cell death and chromosome Aberrations) model, seeking to improve the performance and expand its capabilities, were carried out. As a result, the BIANCA model was upgraded to explicitly represent arm domains within chromosomes, two new rejoining probability functions were included and simulations of microbeam irradiations were also made available. Additionally, the overall performance of the code was considerably improved allowing more and better simulation setups. The upgraded version of BIANCA was then applied in a number of contexts testing: the new hypothesis regarding proximity effects, the model capability to provide theoretical explanations for microbeam experimental data and the model predictive power in terms of cell survival. First, BIANCA was applied to human lymphocytes and fibroblasts exposed to a wide range of radiation qualities and doses, investigating the behaviour of an exponential and a Gaussian probability function of the form P(r) = exp(-r/?) and P(r) = exp(-r^2/2?^2), respectively, to model proximity effects. Yields of the main chromosome aberration categories were calculated using both functions, and compared against a variety of experimental datasets. The outcomes of the simulations showed that, for lymphocytes, an exponential function can describe proximity effects better than a Gaussian one, independent of radiation quality and for the considered dose range. On the other hand, for fibroblasts, while the exponential function still has the upper hand, the results at high LET values deserve further investigation. Moreover, not only the trends of the absolute yields, but also the trends of their relative ratios (F- and G-ratios), were reproduced with the exponential function as well. Later, in collaboration with the BioQuaRT (Biologically Weighted Quantities in RadioTherapy) project, the model was used as a means to interpret experimental data from a theoretical point of view in experiments on hamster ovary cells irradiated with alpha-particle microbeams. Higher yields of chromosome aberrations were observed at the highest LET radiation (85 vs 17 keV/um). The irradiation conditions were reproduced with BIANCA, which allowed to interpret the results in terms of the particle effectiveness at inducing DNA cluster lesions. In another collaboration, the predictive power of BIANCA in terms of cell survival was tested by studying the behaviour of the model parameters in a number of datasets covering hamster and fibroblasts cells irradiated by protons, C- and He-ions, at energies and doses of interest for tumour hadrontherapy. Based on this study, an approach to predict cell survival curves for cell lines and LET values not available experimentally, was proposed. Finally, in the pursue of further improvements to the model, part of this PhD work was invested in the development of a fortran code that aims at modelling the 3D structure of the genome including HiC data (i.e. data on in vivo contact frequency between all loci of the genome). The code is built on a restraint-based method called LorDG. After benchmarking a first version of our code against the original implementation, several optimizations have been carried out in order to make it suitable for integration with BIANCA. So far, the construction of diploid cell models from haploid data and the implementation of libraries to manage the vast amount of data coming from HiC datasets, have been accomplished. Additionally, a coarse-grain/top-bottom method is under development. This method aims at producing higher resolution conformations (down to tens of kilo-basepair) of the chromatin, while keeping reasonable the demand of computational resourcesDoutoradoFisica AplicadaDoutor em Ciências140823/2016-6CNP