Molecular modeling in the radiation therapy. The algebraic approach

Abstract

The rapid development of the chemical industry and science, and new challenges in the healthcare sector, put forward increased demands for the development of the theory of organic and inorganic chemistry, for the search and implementation of new modeling and analysis methods, and for the improvement of technological processes. One of the main challenges at the intersection of chemistry, physics, biology, medicine, and genetics is the search for new methods and approaches to the diagnosis and treatment of cancer. A deeper understanding of cancer’s genetics and molecular biology has led to the identification of an increasing number of potential molecular targets that can be used for the discovery and development of anticancer drugs, radiation therapy, etc. One of the main places in this is occupied by molecular modeling. Despite the availability of more and more data on existing proteins and nucleic acids and the availability of modeling methods and tools, the development and use of a wide variety of combined methods and tools for modeling and computing large molecular systems remain an open issue. One of the possible solutions for this problem is the application of the algebraic approach and the corresponding formal methods, which have proven effective in many other fields today. The main idea of the research is the application of algebraic modeling technology and quantum chemical apparatus for modeling and verification of organic chemistry problems, in particular, modeling and analysis of radiation therapy problems. The paper presents the first steps of the research. The example of the formalization of the synchrotron operation principle and the example of the interaction of protons with substance in the example of the determination/calculation of the physically absorbed dose are given in the paper.

Стрімкий розвиток хімічної промисловості та науки, нові виклики у сфері охорони здоров’я, висувають підвищені вимоги до розвитку теорії органічної та неорганічної хімії, пошуку та впровадження нових методів моделювання та аналізу, удосконалення технологічних процесів. Одним із основних викликів на перетині хімії, фізики, біології, медицини та генетики – є пошук нових методів та підходів до діагностики та лікування ракових захворювань. Поглиблене розуміння генетики та молекулярної біології раку призвело до виявлення все більшої кількості потенційних молекулярних мішеней для відкриття та розробки протипухлинних препаратів, променевої терапії. Одне з головних місць при цьому посідає молекулярне моделювання. Не зважаючи на доступність все більшої кількості даних щодо існуючих білків і нуклеїнових кислот та наявність методів та засобів моделювання, розробка та використання найрізноманітніших комбінованих методів та інструментів для моделювання та обчислення великих молекулярних систем залишається відкритим питанням. Одним із можливих рішень є застосування алгебраїчного підходу та відповідних формальних методів, які на сьогодні показали свою ефективність у багатьох інших галузях. Основною ідеєю дослідження є застосування технології алгебраїчного моделювання та квантово-хімічного апарату для моделювання та верифікації задач органічної хімії, зокрема, моделювання та аналізу задач променевої терапії. У роботі представлено перші кроки дослідження. Приведено приклади формалізації роботи синхротрона та взаємодії протонів з речовиною на прикладі визначення/обчислення фізично-поглинутої дози.