Создание обучающей компьютерной модели возникновения раковых клеток под воздействием радиоактивного излучения изотопов радона

А.С. Аскарова, В.В. Дьячков, А.В. Юшков, Г.В. Федотовских, А.В. Дьячкова, А.Л. Шакиров
Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики Казахского национального университета имени аль-Фараби,
г. Алматы, Республика Казахстан

---

Еще в середине XIX века была отмечена загадочная шахтерская болезнь, в результате которой смертность наступала в 40-45 лет. Эту болезнь, названную «Болезнью Шнеебергера», в начале XX века идентифицировали как рак, а в 50-е годы однозначно и на большой медицинской статистике во всех развитых странах обнаружена ее причина – радиоактивное облучение организма изотопами радона.

В настоящей работе исследуются ядерно-физические процессы, происходящие в биологической клетке, при попадании в ее объем α-частиц с энергиями от 0 до 11 МэВ, характерными для изотопов радона и дочерних продуктов их распада. Для системы образования очень эффективны различные виртуальные лаборатории, целью настоящей работы служит создание такой радиоэкологической лаборатории, в которой изучается взаимодействие излучения с веществом биологической клетки и динамика превращения здоровых животных клеток в раковые под воздействием облучения клетки радиоактивными излучениями изотопов радона и дочерних продуктов их распада.

В компьютерную программу заложены следующие функциональные возможности:

· Расчет кинематики и энергетики всех возможных ядерных реакций при данном типе налетающей частицы (нейтроны, протоны, альфа-частицы) с данной энергией (0,1 – 10 МэВ/нуклон) на данном изотопе-мишени (около 3000 изотопов);

· Расчет сечений при указанных выше условиях для ядерных реакций;

· Расчет пробегов и потерь энергии в объеме животной клетки, как для налетающих частиц, так и для всех вторичных продуктов ядерных реакций;

· Расчет каскадов смещенных атомов в объеме клетки и числа точечных биорадиационных дефектов в ней;

· Расчет энергетических спектров и спектров масс продуктов ядерных реакций в объеме клетки с учетом ее типа, размеров и химического состава веществ.

В процессе выполнения данной работы созданы следующие вспомогательные программно-обращаемые программные продукты:

1. «Ядерная База Данных Республики Казахстан», включающая в себя все известные изотопы (около 3000), их ядерные параметры, схемы уровней и схемы распадов;

2. «Атомная База Данных», включающая в себя все химические элементы таблицы Менделеева и их атомарные параметры.

3. «Клеточная геоинформационная система» («КИС»), включающая в себя «географические» координаты всех элементов животной клетки, выявляемых с помощью электронной микроскопии;

4. «Клеточная База Данных», включающая в себя все доступные электронномикроскопические снимки клеток, в том числе предраковых и раковых, обработанные с помощью указанной выше КИС.

В результате созданной компьютерной программы «МНТЦРАК» и компьютерного моделирования с ее помощью студенты (бакалавры, магистранты и докторанты) могут получить следующие результаты моделирования:

I. Спектры масс и энергий для всех «загрязняющих» клетку химических продуктов, рождающихся в ней под воздействием облучения от изотопов радона;

II. Смоделированые микромеханизмы воздействия «загрязняющих» клетку химических продуктов на ее жизнеспособность;

III. Возможные наиболее вероятные механизмы конверсии животных клеток в раковые под воздействием радиоактивных облучений;

IY. Сформулированы возможные направления профилактики с помощью радиопротекторов и лечения онкологических заболеваний на наноуровне (масштабы атомов, молекул, клетки в целом).

Работая с данной виртуальной лабораторией, студенты проходят все стадии программирования таких сложных процессов и учатся решать следующие задачи.

Задача 1. Создание компьютерных инструментов для виртуальных экспериментов и исследований.

Подзадача 1.1. Разработка и создание Баз Данных: «Ядерной Базы Данных», «Атомной Базы Данных».

Подзадача 1.2. Наполнение Баз Данных

Подзадача 1.3. Разработка концепции и алгоритма программы «МНТЦРАК».

Задача 2. Создание адекватных виртуальных компьютерных ускорителей заряженных частиц и нейтронных источников.

Подзадача 2.1. Разработка и создание Виртуального Циклотрона.

Подзадача 2.2. Разработка и создание Виртуального Термоядерного Реактора.

Подзадача 2.3. Разработка и создание Виртуального Ядерного Реактора.

Подзадача 2.4. Имитация радиоактивных излучений от естественных альфа-, бета- и гамма-излучателей.

Задача 3. Создание адекватной Виртуальной Модели Клетки, пригодной для виртуальных моделирующих экспериментов.

(Студенты сами генерируют возможные механизмы превращений на двух уровнях: ядерно-физическом и атомарно-молекулярном).

Подзадача 3.1. Разработка и создание Клеточной Базы Данных, включающей электронномикроскопические оцифрованные снимки клетки и модельные клетки.

Подзадача 3.2. Разработка и создание Клеточной Информационной Системы (КИС).

Подзадача 3.3. Наполнение Клеточной Базы Данных.

Задача 4. Разработка и создание программы «МНТЦРАК», пригодной для виртуальных экспериментов и исследований.

(Студенты самостоятельно проходят этот этап, переоткрывая алгоритм уже созданной программы).

Подзадача 4.1. Разработка и создание алгоритма.

Подзадача 4.2. Отладка программы.

Подзадача 4.3. Выполнение тестирующих виртуальных экспериментов на модельных клетках (модельные клетки создаются студентами на основе изучения биофизической литературы).

Задача 5. Создание проекта исследований ядерных и атомарных процессов, происходящих в клетке под воздействием облучения ее изотопами радона.

Подзадача 5.1. Разработка и создание концепции исследований.

Подзадача 5.2. Разработка и создание алгоритма изучения ядерных процессов в клетке.

Подзадача 5.3. Разработка и создание алгоритма изучения атомарных процессов в клетке.

Задача 6. Виртуальные эксперименты по загрязнению клетки продуктами ядерных и атомарных процессов.

Подзадача 6.1. Виртуальные эксперименты с ядерными процессами в клетке.

Подзадача 6.2. Виртуальные эксперименты с атомарными процессами в клетке.

Подзадача 6.3. Анализ, обобщение и выбор критических онкогенных процессов.

Задача 7. Создание проекта исследований вероятностей генерации раковых клеток, происходящих в клетке под воздействием облучения ее изотопами радона (творческий этап обучения студентов в качестве факультатива).

Подзадача 7.1. Разработка и создание алгоритма исследований.

Подзадача 7.2. Разработка и создание нанокомпьютерной модели возникновения рака легких.

Подзадача 7.3. Разработка рекомендаций, носящих профилактическое и лечебное значение.

На рис. 1-3 показаны примеры расчетных блоков компьютерных моделей формирования радиационной повреждаемости исследуемых образцов под пучками разных заряженных частиц (задача 2).

Рис. 1. Моделирование поверхности исследуемого образца в процессе облучения протонами с энергией 10 МэВ

Рис. 2. Моделирование поверхности исследуемого образца в процессе облучения дейтронами с энергией 10 МэВ

Рис. 3. Моделирование поверхности исследуемого образца в процессе облучения α-частицами с энергией 10 МэВ

На рас. 4 представлен снимок опухолевой клетки из Клеточной Базы Данных (задача 3).

Рис. 4. Снимок опухолевой клетки пищевода входящий в состав КИС

На рис. 5 представлена схема уровней возможных выходных каналов как результат расчета блока, отвечающего за расчет ядерных реакций.

Рис. 5. Расчет образованного ядра и возможных выходных каналов ядерной реакции вызванной α-частицей с энергией 3,5 МэВ на ¹²С.

---

Назад к списку