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使用凝胶纳米传感器确定地形辐射剂量分布

由于用于测量外部电离辐射剂量吸收的常规剂量计的局限性,常规的辐射剂量测量可能在临床上具有挑战性。在一项新的研究中,Karthik Pushpavanam和化学工程,分子科学,Banner MD安德森癌症中心和美国亚利桑那兽医肿瘤学系的跨学科研究人员描述了一种新型的基于凝胶的纳米传感器。该技术允许在放射治疗期间进行比色检测和地形辐射剂量分布的量化。

使用凝胶纳米传感器确定地形辐射剂量分布

暴露于电离辐射后,科学家将凝胶中的金离子转化为金纳米颗粒(AuNPs),并伴随着由于等离子体性质而引起的凝胶颜色的视觉变化。他们使用在凝胶中形成的颜色强度作为电离辐射的定量报告物,并首先使用凝胶纳米传感器检测对拟人模型模型的复杂地形剂量模式,然后将其应用于接受临床放射治疗的活犬科动物。易于制造,操作,快速读取,比色检测以及相对较低的技术成本隐含了翻译潜力用于临床放射治疗应用中的地形剂量图绘制。该研究成果现已发表在《科学进展》上。

放射治疗的进步导致了显着的成熟度和最先进的计划软件,可向患者提供高保形放射剂量,以改善治疗后的生活质量。在放射治疗期间,通常将高剂量递送至靶肿瘤,同时最小化递送至周围组织的放射剂量。在姑息治疗期间,患者应接受较大剂量的分次剂量,以便在短时间内结束治疗。但是,此类过程中的软件错误可能会导致用药过量和随后的发病率。

为了最大程度地减少意外过度暴露,研究人员寻求独立验证在目标组织处或目标组织附近传送的辐射剂量,以提高患者的安全性。从技术上讲,分子传感器和纳米传感器都可以克服常规系统中存在的限制,以形成实用的替代方案,如简便的传感器。但是,应解决和减轻它们的现有限制,以开发出强大而有效的传感器,以在临床放疗期间定量和定性确定地形剂量分布。

由于金纳米颗粒(AuNPs)具有独特的物理和化学特性,为开发传感器提供了极好的平台。Pushpavanam等。设计了一种比色传感器,其中电离辐射导致无色盐前体形成AuNP 。基于凝胶的纳米传感器的形成可以在临床放疗期间轻松处理和应用。

在目前的工作中,该团队演示了使用凝胶纳米传感器对组织表面辐射剂量进行地形图绘制的比色检测和剂量分布曲线的量化方法。在临床前评估期间,该团队对正在接受放射治疗的活犬患者实施了凝胶纳米传感器技术。总体而言,结果表明了在人类患者中进行临床翻译的技术范围,以及确定癌症放射疗法中规划治疗方案和验证剂量的地形剂量的能力。

在实验过程中,金离子向纳米颗粒的转化伴随着凝胶纳米传感器辐照区域的栗色显色。虽然金在一般的三价状态存在(AUCL 4 - ),它可以被减小到亚1价态(AuBr 2 -在室温下)使用抗坏血酸(维生素C) 。凝胶的辐射含有治疗水平的辐射刺激的放射分解或水分子分裂成高反应性自由基。辐射分解产生的水合电子依次还原一价金,形成零价态的金原子(Au 0)成核并成熟为栗色的AuNP。强度随辐射剂量而变化,研究小组使用线性响应范围来校准凝胶纳米传感器。基于此原理,Pushpavanam等人。确定了完全辐照的凝胶对辐射剂量校准吸光度的响应。

为了确定照射后凝胶内传递的颜色和剂量的强度,研究人员使用吸收光谱法并观察到光谱轮廓宽度的减小,随着辐射剂量的增加,多分散性降低(标准偏差与平均值的百分比之比)的纳米粒子。峰值吸收强度随辐射剂量的增加而增加,以证实观察到的颜色强度的增加。

为了了解凝胶纳米传感器检测辐射剂量的地形分布的能力,科学家用4灰(Gy)剂量照射了一半的凝胶纳米传感器。褐红色仅出现在确认AuNP形成的受辐照区域中,但是在暴露一小时后,该颜色渗入受辐照区域,表明凝胶中的形貌信息随时间流逝。研究小组观察到这种现象是由反应控制的条件引起的,而不是基于凝胶的组成。通过将凝胶与硫化钠(Na 2 S)孵育10分钟,他们抑制了颜色渗出,并认为其具有淬灭未反应的金离子的能力。在非照射区域中,并准确保存剂量信息以进行剂量可视化和剂量测定。科学家通过调节Na 2 S的添加时间,在宽剂量范围内采用了该传感器。以达到迄今为止在临床剂量检测系统中尚不具备的灵活性水平。

然后,研究团队使用凝胶纳米传感器可视化各种地形辐射图,其中颜色的强度随剂量的增加而增加,同时保持地形的完整性。作为概念的证明,他们证明了凝胶纳米传感器具有以模式剂量形成“ ASU”的模式剂量(根据亚利桑那州立大学)检测复杂辐射模式的能力。然后,科学家使用透射电子显微镜(TEM),将生成的金纳米颗粒表征为剂量的函数,以观察在更高剂量的辐射下平均纳米颗粒直径的减小和多分散性。随后,他们采用了能量色散X射线光谱(EDS)技术来检测凝胶纳米传感器辐照区域中的高产量AuNPs。

为了研究凝胶纳米传感器的翻译潜力并预测辐射的形貌,Pushpavanam等人。首先使用了头颈幻影模型。他们在眼睛附近传送了不规则的新月形辐射剂量,以模仿皮肤癌治疗期间靠近眼睛等关键结构的放射疗法的临床挑战性给药方式。使用治疗计划系统提供的剂量分布与凝胶纳米传感器的预测非常吻合。指示其检测和预测类似于临床人体放射治疗中使用的复杂辐射模式的能力。

在临床前研究期间,研究团队首次使用两种犬模型进行放射治疗,以首次研究凝胶纳米传感器作为独立的纳米级放射剂量计的效率,并将其与常规临床放射变色膜进行了比较。处理完成后,Pushpavanam等人。在凝胶的一半中观察到褐红色的形成,而未照射的区域仍然是无色的。他们对凝胶纳米传感器在辐照区域的预测显示出与治疗计划系统和放射致变色膜极佳的一致性。凝胶纳米传感器还预测了辐射外部的区域,以接收最小的辐射以及它们的拓扑剂量分布。该性能可与临床放射致变色胶片相媲美,但比传统的等待时间(通常> 24小时)更快。科学家展示了这种节俭发明的制造,操作,读出时间和成本效益(每种凝胶材料仅0.50美元)的简单性。他们将凝胶纳米传感器的响应至少维持了7天,以指示长期对剂量数据进行检索,这与基于荧光的剂量计不同,其读数仅持续数分钟。

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