Elétrons de Baixa Energia e Danos ao DNA: Contribuições de Simulações para Avanços em Radioterapia

Yan Alexssander Celima de Avóᵃ*, Giseli Maria Moreiraᵇ, Romarly Fernandes da Costaᵃ

ᵃ Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, 09210-580 Santo André, São Paulo, Brasil

ᵇ Departamento de Física, Universidade Estadual do Centro-Oeste, 85040-167 Guarapuava, Paraná, Brasil

Resumo

Durante sessões de radioterapia, a radiação ionizante gera elétrons de baixa energia que podem causar danos significativos ao DNA das células. Este estudo, desenvolvido no programa de Pós-Graduação em Física da UFABC investiga como esses elétrons interagem com moléculas fundamentais do DNA, representadas pelo tetraidrofurano e furano, componentes similares ao açúcar presente na estrutura do DNA. Utilizamos simulações computacionais que consideram interações envolvendo diferentes estados eletrônicos dessas moléculas. Nossos resultados reproduzem com precisão dados experimentais de espalhamento elástico e, pela primeira vez, fornecem previsões teóricas detalhadas para excitações específicas do THF. Identificamos energias onde os elétrons são temporariamente capturados pelas moléculas, um mecanismo crucial para entender como elétrons de baixa energia podem causar danos no DNA. Esses dados são essenciais para simulações computacionais que preveem como a radiação afeta tecidos biológicos, contribuindo para o desenvolvimento de protocolos de radioterapia mais eficazes e seguros.

Palavras-chave: espalhamento de elétrons; radioterapia; danos ao DNA; tetraidrofurano; furano; simulações computacionais.

Abstract

During radiotherapy sessions, ionizing radiation generates low-energy electrons that can cause significant damage to cellular DNA. This study, conducted in the Physics Graduate Program at UFABC, investigates how these electrons interact with fundamental DNA components, represented by tetrahydrofuran (THF) and furan, molecular structures similar to the sugar component of DNA. We employed computational simulations that account for interactions involving different electronic states of these molecules. Our results accurately reproduce experimental data for elastic scattering and provide, for the first time, detailed theoretical predictions for specific excitations of THF. We identified specific energies where electrons are temporarily trapped by the molecules, a crucial mechanism for understanding DNA damage. This data is essential for computational simulations that predict how radiation affects biological tissues, contributing to the development of more effective and safer radiotherapy protocols.

Keywords: electron scattering; radiotherapy; DNA damage; tetrahydrofuran; furan; computational simulations.

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ORCID: 0000-0002-2474-3947

1) Introdução

O uso da radiação ionizante em tratamentos de radioterapia contra o câncer gera uma grande quantidade de elétrons de baixa energia no tecido biológico. Pesquisas pioneiras demonstraram que mesmo elétrons com energias muito baixas podem causar danos significativos ao DNA, incluindo quebras em suas fitas [1, 2]. Esses danos ocorrem principalmente quando o elétron incidente é temporariamente capturado pela molécula, sendo que este mecanismo pode levar à quebra da ligação molecular [3]. Imagine que cada molécula tem uma “frequência natural”. Quando um elétron atinge exatamente essa frequência, ele fica “preso” temporariamente na molécula, como uma chave que se encaixa perfeitamente numa fechadura. Esse momento de captura temporária é quando o dano ao DNA é mais provável de ocorrer.

Este trabalho, parte do projeto de mestrado em Física desenvolvido na UFABC, teve como objetivo central investigar esses processos fundamentais por meio do estudo de colisões de elétrons por moléculas que representam componentes do DNA. Estudamos especificamente o tetraidrofurano (THF), considerado o modelo mais simples do açúcar desoxirribose [4], e o furano, sua versão aromática.

Realizamos simulações computacionais para estudar como elétrons interagem com as moléculas de THF e furano, usando cálculos computacionais sofisticados [5]. Uma característica importante do nosso estudo foi o uso de uma estratégia computacional eficiente que considera a competição entre diferentes níveis de energia das moléculas que se tornam acessíveis durante a colisão [6, 7]. Com essa abordagem, pudemos analisar simultaneamente a importância da disputa entre os vários estados excitados das moléculas de forma eficiente. Isso nos permitiu calcular com precisão a probabilidade de ocorrência de diferentes tipos eventos de colisão.

Nossos principais resultados mostram uma excelente concordância com dados experimentais anteriores para ambas as moléculas. Identificamos energias específicas onde os elétrons ficam temporariamente presos nas moléculas, observadas como picos nas curvas que representam as probabilidades de colisão. Esses momentos de captura temporária estão relacionados aos mecanismos de dano no DNA. Para o THF, conseguimos obter dados inéditos sobre o processo de colisão que envolve a excitação da molécula para estados excitados específicos, preenchendo uma lacuna importante na pesquisa da área.

Os modelos teóricos mais completos que desenvolvemos consideram um número maior de estados energéticos finais das moléculas de interesse. Esses estados representam as diferentes situações finais que as moléculas podem atingir após as colisões, que interferem entre si e redistribuem as probabilidades de espalhamento. Esses modelos mais abrangentes, que também descrevem de forma mais adequada os efeitos de polarização, apresentaram a melhor concordância com as posições onde ocorrem as capturas temporárias de elétrons e com os valores das probabilidades de colisão medidos experimentalmente.

A relevância desta pesquisa vai além do ambiente acadêmico. Os dados que geramos são essenciais para modelos computacionais que simulam o caminho da radiação no tecido biológico [8, 9]. Essas simulações ajudam a prever como a radiação ionizante afeta os tecidos biológicos em nível molecular. Na radioterapia, a radiação gera milhões de elétrons no corpo. Entender como esses elétrons interagem com moléculas similares ao DNA permite calibrar melhor as doses de radiação. Portanto, nosso trabalho contribui para o desenvolvimento de protocolos de radioterapia mais eficazes e seguros, onde a dose de radiação pode ser ajustada para maximizar a eliminação de células cancerígenas e reduzir os danos aos tecidos saudáveis.

Nossos resultados representam um avanço significativo ao validar uma metodologia computacional eficiente para estudar a transição entre estados energéticos em moléculas biologicamente relevantes induzida pela interação com elétrons de baixa energia. Além disso, geramos dados teóricos para processos de excitação eletrônica que são difíceis de se obter experimentalmente. Este progresso amplia nossa compreensão dos mecanismos fundamentais de dano causado por radiação em procedimentos de radioterapia.

2) Como Simulamos o Encontro entre Elétrons e Moléculas do DNA?

Os cálculos de espalhamento de elétrons foram realizados utilizando um método computacional avançado, o método Multicanal de Schwinger implementado com pseudopotenciais (SMCPP, do inglês “Schwinger Multichannel Method with Pseudopotentials”). Esta abordagem permite simular de maneira precisa as colisões de elétrons de baixa energia com moléculas, incorporando efeitos importantes como transferência de energia do elétron incidente para o alvo, a polarização e a transição entre diferentes estados moleculares promovida pela colisão com elétrons.

As principais quantidades calculadas neste trabalho foram as seções de choque, grandezas físicas fundamentais em processos de colisão que quantificam a eficiência da interação. Cada seção de choque pode ser entendida de forma simplificada como uma área efetiva que a molécula apresenta como alvo para colisões, quanto maior esta área, maior a probabilidade de ocorrência do processo de colisão. Especificamente, trabalhamos com dois tipos:

• A seção de choque diferencial (DCS, do inglês Differential Cross Section) descreve como as partículas espalhadas se distribuem em diferentes direções após a colisão, para uma energia fixa do elétron incidente. Em termos simples, ela nos diz para onde os elétrons tendem a ser desviados após colidir com as moléculas;
• A seção de choque integral (ICS, do inglês Integral Cross Section) representa a probabilidade total de ocorrência do processo de espalhamento em função da energia do elétron incidente, independentemente da direção para onde as partículas são espalhadas. Ela nos fornece uma medida geral da probabilidade de ocorrência do processo de colisão.

Para otimizar esses cálculos, desenvolvemos uma estratégia computacional eficiente que simula como a interação com o elétron incidente permite acessar diferentes estados energéticos das moléculas. Esta abordagem considera as interferências entre vários processos de excitação, selecionando as transições eletrônicas mais importantes que ocorrem quando as moléculas são excitadas. De forma simplificada, quando um elétron é retirado de uma região ocupada de menor energia para uma região vazia de maior energia da molécula, temos uma excitação eletrônica, e a combinação dessas excitações nos permite descrever os estados excitados completos.

Todos os cálculos utilizaram as estruturas moleculares mais estáveis do THF e furano. Para tornar os cálculos possíveis, usamos métodos que focam nos elétrons mais importantes para as reações químicas, os elétrons das camadas mais externas das moléculas (elétrons de valência) simplificando partes menos relevantes do processo.

Esta metodologia nos forneceu dados confiáveis sobre diferentes tipos de colisões, contribuindo para o entendimento de como a radiação ionizante pode causar danos em nível molecular, com aplicações diretas na área de nanodosimetria, a qual envolve o estudo dos efeitos da radiação ionizante na escala nanoscópica.

3) Análise do Espalhamento Eletrônico: Dados e Interpretações

Neste estudo, desenvolvemos diferentes modelos computacionais para investigar como elétrons de baixa energia interagem com moléculas fundamentais do DNA - o THF e o furano. Embora tenhamos testado várias abordagens, nesta discussão apresentaremos especificamente os resultados do nosso modelo mais elaborado, que considera o maior número de interações entre os estados moleculares e que demonstrou a melhor concordância com os dados experimentais disponíveis [10].

Começamos apresentando resultados para o espalhamento elástico, no qual não existe transferência de energia entre o elétron incidente e a molécula alvo. As curvas apresentadas na Figura 1 ilustram como os elétrons se distribuem após colidir com as moléculas a 30 eV de energia. Nossos resultados demonstram excelente concordância com dados experimentais anteriores para ambas as moléculas [11, 12, 13, 14]. Para o furano, nossas simulações reproduzem quase perfeitamente as medidas experimentais em todas as direções de espalhamento analisadas [11]. No caso do THF, nossos cálculos capturam com precisão tanto a distribuição angular quanto a intensidade do espalhamento observadas experimentalmente [12, 13, 14].

Figura 1: Espalhamento elástico a 30 eV para (a) furano e (b) THF. Nossos resultados (linha preta) comparados com experimentos (símbolos) e teorias (linhas tracejadas) anteriores [5,9,11-21].

A Figura 2 apresenta as curvas que representam as probabilidades totais de colisão em diferentes energias. Novamente, nosso modelo mais robusto mostra excelente concordância com dados experimentais. Um resultado importante é que, à medida que incluímos mais estados excitados no cálculo, ocorre uma redistribuição nas probabilidades de colisão, diminuindo a do espalhamento elástico em razão da incorporação das probabilidades associadas aos estados inelásticos.

Figura 2: Probabilidades totais de espalhamento elástico para (a) furano e (b) THF. Nossos resultados (linha preta) comparados aos dados experimentais (símbolos) e teóricos (linhas) [5,9,11-19,22].

Identificamos energias específicas nas quais os elétrons são temporariamente capturados pelas moléculas, um fenômeno fundamental para compreender os danos ao DNA causados por radiação. Para o furano, encontramos esses processos de captura ocorrem em 1,83 eV e 3,47 eV, valores consistentes com medições experimentais reportadas anteriormente [11, 23]. Para o THF, identificamos três energias de captura, a saber 2,75 eV, 6,94 eV e 11,25 eV, também em boa correspondência com dados experimentais [13].

Passamos agora para a análise do espalhamento inelástico entre elétrons e as moléculas estudadas. Nossos cálculos fornecem, pela primeira vez na literatura, medidas detalhadas para o processo de colisão que permite a excitação envolvendo estados específicos do THF. As Figuras 3 e 4 mostram as curvas que representam as probabilidades totais para excitação para os primeiros estados excitados de ambas as moléculas.

Para o furano, nossos resultados mostram excelente concordância com dados experimentais disponíveis [15, 16], especialmente para energias acima de 6 eV. A intensidade das excitações eletrônicas que obtivemos é menor que a reportada em trabalhos teóricos anteriores [16], destacando a importância de levar em consideração como a competição entre os diferentes estados energéticos influenciam no espalhamento.

Figura 3: Excitação para o primeiro estado excitado da molécula de (a) furano e (b) THF. Nossos resultados (linha preta) concordam com dados anteriores para furano [15,16]. Dados para THF são os primeiros a serem reportados na literatura.

Figura 4: Excitação para o segundo estado excitado da molécula de (a) furano e (b) THF. Nossos resultados (linha preta) estão consistentes com os dados de furano [15,16].

Para o THF, estes representam os primeiros resultados teóricos para excitação envolvendo estados individuais, preenchendo uma lacuna significativa na literatura. Os dados experimentais disponíveis referem-se apenas a faixas de excitação [24], tornando nossos resultados particularmente valiosos para alimentar modelos de simulação que preveem danos por radiação.

Nossos resultados demonstram que a metodologia computacional aplicada neste trabalho fornece dados confiáveis tanto para espalhamento elástico quanto para processos de excitação eletrônica, contribuindo para avançar nossa compreensão sobre os mecanismos de dano em nível molecular durante tratamentos de radioterapia.

Conclusões

Este estudo, desenvolvido no programa de Pós-Graduação em Física da UFABC, investigou como elétrons de baixa energia interagem com moléculas fundamentais do DNA, representadas pelo THF e furano. A aplicação de métodos computacionais avançados permitiu simular essas interações com alto nível de precisão.

Nossos resultados demonstram que considerar a interação com múltiplos estados de energia das moléculas simultaneamente é essencial para descrever corretamente os processos de colisão. Observamos que, quando mais estados se tornam disponíveis para interação, há uma redistribuição nas probabilidades de colisão, com redução significativa no espalhamento elástico em favor dos processos inelásticos.

Os modelos mais completos que desenvolvemos mostraram excelente concordância com dados experimentais para o espalhamento elástico em ambas as moléculas. Identificamos com sucesso energias específicas onde os elétrons são temporariamente capturados pelas moléculas, um mecanismo fundamental para entender os danos ao DNA causados pela radiação ionizante.

Um avanço importante deste trabalho foi o cálculo dos primeiros dados teóricos detalhados para excitação eletrônica de estados específicos do THF, preenchendo uma lacuna significativa na literatura. Para o furano, nossos resultados superaram descrições teóricas anteriores e mostraram notável concordância com dados experimentais.

Estes resultados validam nossa abordagem metodológica e fornecem dados cruciais para modelos de simulação computacional que preveem como a radiação ionizante danifica tecidos biológicos em nível molecular. Ao fornecer parâmetros mais precisos sobre a interação de elétrons com componentes básicos do DNA, nosso trabalho contribui para o desenvolvimento de protocolos de radioterapia mais eficazes e seguros, onde a dose de radiação pode ser otimizada para destruir células cancerígenas com máxima eficiência enquanto minimiza danos aos tecidos saudáveis.

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Artigo da Edição 40 do Informativo PesquisABC.