Name: 等离子体光热癌症疗法:用于可视化光热温度分布的纳米颗粒包埋肿瘤组织模拟模型 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-05-09T13:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 42 s
Description: 了解等离子体光热癌症疗法的数值模拟验证方法，使用琼脂糖肿瘤组织模拟模型和热电偶温度监测技术。该方案通过体外模型评估治疗参数，减少动物实验需求，提高治疗准确性。

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本研究未获得任何公共、商业或非营利性资助机构的财务支持。作者感谢印度昌迪加尔中央科学仪器组织（CSIR-CSIO）提供的基础设施和支持。

注意：仿体根据文献报道的配方，使用琼脂糖和 Intralipid 制备，以获得所需的光学特性。未使用来自患者或尸体的真实生物组织。因此，这些仿体的制备不受伦理限制，也无需知情同意。
1. 选择或制备合适的模具
<ol>
	<li>选择合适的模具
	<ol>
		<li>选择与所需幻影形状和尺寸相匹配的模具。对于具有均匀分布纳米颗粒（NPs）的肿瘤区域并被正常组织包围的圆柱形幻影，使用玻璃培养皿和一个小烧杯作为模具8（图1A）。 
		注意：这些步骤用于制备圆柱几何形状的模拟肿瘤组织幻影。对于其他形状或尺寸，请选择合适的模具。如果无法获得合适的模具，可使用三维（3D）打印技术自行制作，具体方法见步骤1.2。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过3D打印制作模具
	<ol>
		<li>使用计算机辅助设计（CAD）软件（例如 SolidWorks、Autodesk Inventor 或 CATIA），根据所需的形状和尺寸设计3D模型。为遵循本方案，需设计一个空心圆柱体（内径40 mm，壁厚2 mm，高12 mm；见补充文件1）以及两个实心圆柱形遮蔽模具（尺寸分别为ϕ20 × 6 mm 和 ϕ14 × 3 mm），如图1B所示。
		<ol>
			<li>在CAD软件中设计空心圆柱体时，绘制两个直径分别为40 mm和44 mm的圆，然后将该几何体沿高度方向拉伸12 mm。</li>
			<li>对于实心圆柱形遮蔽模具，分别绘制直径为20 mm和14 mm的圆，并分别拉伸6 mm和3 mm（见补充文件2和补充文件3）。在圆柱体一侧绘制一个矩形（边长为44 mm和5 mm），并将其拉伸2 mm。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用与3D打印机兼容的软件（例如 Cura）将3D模型转换为G代码格式以进行打印。</li>
		<li>使用该G代码通过3D打印机打印模具（例如，本实验中使用聚乳酸[PLA] φ1.75 mm，eSun品牌，1 kg）。 
		注意：绘制矩形是为了悬挂遮蔽模具。可根据需要设计和制作不同的模具，以制备具有其他所需形状的幻影。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 肿瘤组织模拟体模溶液的制备25
注意：本研究中制备了圆柱形琼脂糖光学仿体，以模拟经瘤内（IT）或静脉（IV）注射金纳米棒（AuNRs）后的皮下乳腺肿瘤组织，如图2所示。IT仿体包含两个区域：中央为含AuNRs的肿瘤区域，周围为正常组织区域。IV仿体包含三个区域：肿瘤边缘含AuNRs的区域、中央无AuNRs的裸肿瘤区域，以及周围的正常组织区域。由于肿瘤组织与正常组织的光学性质（µa 和 µs'）不同，各区域需配制不同成分的仿体溶液，并将分别进行讨论。
<ol>
	<li>模拟正常乳腺组织的模体溶液制备（溶液1） 
	注意：该溶液将用于IT和IV模体。 溶液1 的制备步骤如 图3A 所示。
	<ol>
		<li>根据模具尺寸计算溶液的理论体积。 
		注意：此处，对于ϕ40 × 12 mm的圆柱形模具，计算出的体积为每个模体15 cm3 或15 mL。由于需要制备两个此类模体，总体积为15 mL × 2，即30 mL。因此，为补偿模体制备过程中可能发生的蒸发或溢出，应准备35 mL溶液。</li>
		<li>计算所有模体组分——琼脂糖（作为基质材料）和IL（作为散射组分）——需加入35 mL溶液中的量（质量/浓度/体积）。
		<ol>
			<li>加入0.35 g琼脂糖，以制备对应于1% w/v浓度的35 mL溶液。</li>
			<li>根据文献中已有的IL浓度与µs' 的关系数据，估算对应于正常乳腺组织所需µs'（即10.1 cm-1 33）的IL浓度。然后，使用公式（1）计算需加入模体溶液中的IL（20%乳剂原液）体积： 
			<img alt="稀释计算公式，C1V1=C2V2，用于浓度和体积分析的方程。" src="/files/ftp_upload/67842/67842eq1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 1"> (1) 
			其中C1 和V1 分别为试剂原液的浓度（此处为20% IL原液）和需加入的原液体积（此处待计算）；C2 为最终工作溶液中所需试剂浓度（从文献中获得），V2 为最终工作溶液的总体积（此处为35 mL）。 
			注意：此处，对于µs' 为10.1 cm-1 的情况，根据已有文献估算的IL浓度为1.04%34,35。通过上述步骤计算，需加入的IL（20% IL原液）体积为1.82 mL。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>称取0.35 g琼脂糖，加入盛有33.18 mL去离子水（DI水）的烧杯中，并用铝箔覆盖烧杯以防止水分流失。</li>
		<li>将装有溶液的烧杯置于加热板上，在120 °C下边搅拌边加热，直至溶液变为透明。</li>
		<li>将加热板温度降至60 °C。15分钟后，在搅拌条件下加入1.82 mL IL。将所得溶液（溶液1）在60 °C下持续搅拌，直至使用（准备浇注）。 
		注意：60 °C的模体溶液必须保持搅拌状态，否则会导致溶液凝固。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>AuNR嵌入式肿瘤模体溶液的制备（溶液2） 
	注意：该溶液将用于IT和IV模体。 溶液2 的制备步骤如 图3B 所示。
	<ol>
		<li>计算需填充的肿瘤区域体积（ϕ20 × 6 mm）。 
		注意：两个此类肿瘤模体的近似体积为3.8 mL，因此需制备的溶液体积为4.5 mL。</li>
		<li>参照第2.1节所述方法，计算需加入的肿瘤模体组分（琼脂糖、IL和AuNRs）的量。
		<ol>
			<li>加入45 mg琼脂糖，以制备对应于1% w/v浓度的4.5 mL溶液。</li>
			<li>IL：乳腺肿瘤的µs' 为4.6 cm-1 33，为模拟该值，所需对应的IL浓度为0.472%34,35。因此，从20% IL原液中取106.2 µL加入4.5 mL肿瘤模体溶液中。</li>
			<li>模体中AuNRs的目标浓度为25 µg/mL。为达到该浓度，需向肿瘤模体溶液中加入3.21 mL AuNRs溶液（原液浓度：35 µg/mL）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将45 mg琼脂糖加入盛有1.18 mL去离子水的烧杯中，并用铝箔覆盖。</li>
		<li>将烧杯置于加热板上，在120 °C下搅拌加热，直至溶液变为透明。</li>
		<li>将加热板温度降至60 °C，并使溶液静置15分钟。</li>
		<li>在搅拌条件下加入106.2 µL IL和3.21 mL AuNR悬浮液（35 µg/mL）。将所得溶液（溶液2）在60 °C下持续搅拌，直至浇注。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>无AuNRs的裸肿瘤模体溶液制备（溶液3） 
	注意：该溶液仅用于IV模体。 溶液2 的制备步骤如 图3C 所示。
	<ol>
		<li>计算需加入以形成裸肿瘤区域（约ϕ20 × 6 mm）的悬浮液体积。 
		注意：肿瘤模体的近似体积为1.9 mL，因此需制备的溶液体积为2.5 mL。</li>
		<li>参照第2.1节所述方法，计算需加入的肿瘤模体组分（琼脂糖和IL）的量。
		<ol>
			<li>加入25 mg琼脂糖，以制备2.5 mL溶液，达到1% w/v浓度。</li>
			<li>IL：乳腺肿瘤的µs' 为4.6 cm-1 33，为模拟该值，所需对应的IL浓度为0.472%34,35。加入59 µL的20% IL原液。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将25 mg琼脂糖加入盛有2.44 mL去离子水的烧杯中，并用铝箔覆盖。</li>
		<li>将烧杯置于加热板上，在120 °C下搅拌加热，直至溶液变为透明。</li>
		<li>将加热板温度降至60 °C，并使溶液静置15分钟。</li>
		<li>在搅拌条件下向溶液中加入59 µL IL。将所得溶液（溶液3）在60 °C下持续搅拌，直至浇注。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 肿瘤组织模拟体模的制备24,25,36
<ol>
	<li>准备浇注步骤所需的模具。为此，用 Parafilm 封闭圆柱形模具的底部，并将遮蔽模具（ϕ20 × 6 mm）置于中心位置。</li>
	<li>将Solution 1倒入圆柱形模具中，直至达到遮蔽模具的顶部刻度线，静置使其凝固（图 4A）。</li>
	<li>凝固后，移除遮蔽模具，以形成肿瘤区域的空腔（图 4B）。 
	注意：在步骤 3.3 之前，IT 和 IV 模型的实验流程相同。步骤 3.3 之后将分别讨论 IT 和 IV 模型的处理过程。</li>
	<li>IT 模型24,25,36
	<ol>
		<li>用Solution 2填充空腔，并静置使其凝固（图 4C）。</li>
		<li>在模型顶部添加Solution 1，并使其完全凝固（图 4D）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>IV 模型24,25
	<ol>
		<li>插入较小的遮蔽模具（ϕ14 × 3 mm），并在其周围空腔中填充Solution 2（图 4E）。</li>
		<li>凝固后，移除较小的模具，并用Solution 3填充剩余的空腔（图 4F）。</li>
		<li>在顶部加入 Solution 1，并使其完全凝固（图 4G）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 在模体中插入热电偶24,25,36
注意：为了监测空间温度分布，将K型热电偶插入模型内不同径向位置r）和轴向（z）位置，如图所示 图2为确保热电偶插入位置的准确性，使用玻璃毛细管作为引导以保证精确度。热电偶的位置标记为（r，z），其中肿瘤顶部表面在该深度处的中点 z 3 mm 作为 IT 和 IV 模体的参考点，标记为 (0, 3)，如图所示 图2A，B在选择用于量化肿瘤区域热损伤的径向和轴向位置时，肿瘤边缘处的位置（包括径向和轴向）至关重要。在近红外照射过程中，确保这些边缘位置达到所需温度，是实现肿瘤完全消融的关键。因此，热电偶应放置于肿瘤的径向最外侧位置 z = 3 和 9 mm，即 (10, 3) 和 (10, 9)，其中一个热电偶置于肿瘤-组织界面处 z = 9 毫米（周边轴向位置），即图中所示的 (0, 9) 图2A，B此外，为了评估轴向温度分布，将一根热电偶插入位置 (0, 3) 与 (0, 9) 之间，即位置 (0, 6)。最后，为了评估周围健康组织区域的温度升高情况，将一根热电偶插入位置 (15, 3).
<ol>
	<li>将玻璃毛细管切割至合适长度，使其能够到达模型内所需的径向和轴向位置。</li>
	<li>将热电偶插入这些玻璃毛细管中，并依次在指定的模型径向和轴向位置进行穿刺。</li>
	<li>当所有热电偶就位后，小心地将模型放入玻璃培养皿中，以进行后续的近红外照射，如图5A所示。</li>
</ol>
5. 近红外辐射照射及光热温度测定36
<ol>
	<li>将装有插入热电偶的仿组织体的玻璃培养皿放置好，使仿组织体顶面的中心区域与近红外光源光纤尖端垂直，如图所示 图5A. 
	注意：通过改变表面与光纤尖端之间的距离，可调节模体表面的光束直径。此处保持9 mm的距离，以获得20 mm的光束直径，覆盖中央肿瘤区域。</li>
	<li>将数据采集（DAQ）系统连接到计算机，并打开 LabVIEW 软件。</li>
	<li>打开近红外光源（图5B）和 播放 软件中的按钮 同时 记录温度 辐照开始时的数据.</li>
	<li>对模型照射20分钟，然后关闭近红外光源并停止记录。</li>
	<li>绘制记录的温度随时间变化的数据。</li>
</ol>
6. 与模拟结果的温度对比24,25
注意：实验通常需要重复进行，并在设定的时间间隔内记录所有热电偶位置的温度。为进行验证，需执行以下步骤：
<ol>
	<li>计算所有热电偶位置 (r, z) 处实验温度的平均值和标准差。</li>
	<li>通过数值方法计算所考虑的热电偶位置处的温度。</li>
	<li>绘制实验获得的平均温度与模拟计算得到的温度随时间的变化曲线，涵盖所有热电偶位置，如图6所示。</li>
	<li>针对所有热电偶位置，计算均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE），以量化温度差异并评估验证结果，如表1所示。 
	注：MAE 和 RMSE 分别根据公式2和公式3进行计算。 
	<img alt="平均绝对误差公式；数据科学中的统计分析方程" src="/files/ftp_upload/67842/67842eq2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式2"> (2) 
	<img alt="均方根误差公式；统计数据分析方程" src="/files/ftp_upload/67842/67842eq3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式3"> (3) 
	其中 TE、TS 和 N 分别表示实验测得的温度、数值计算得到的温度以及数据点数量（此处，温度每秒记录一次，持续20分钟，因此 N = 1,200），i 表示时间点。</li>
</ol>

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<li>Yuan, B., Chen, N., Zhu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emission+and+absorption+properties+of+indocyanine+green+in+Intralipid+solution%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Emission and absorption properties of indocyanine green in Intralipid solution.</a> J Biomed Opt. 9 (3), 497-503 (2004).</li>
<li>Khurana, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoblackbodies-based+multifunctional+nanocomposite+for+multimodal+cancer+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Pharm%22%5BJournal%5D)">Gold nanoblackbodies-based multifunctional nanocomposite for multimodal cancer therapy.</a> Int J Pharm. 642, 123112(2023).</li>
<li>Brough, D., Ramos, J., Delpech, B., Jouhara, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+validation+of+a+TRNSYS+type+to+simulate+heat+pipe+heat+exchangers+in+transient+applications+of+waste+heat+recovery%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Thermofluid%22%5BJournal%5D)">Development and validation of a TRNSYS type to simulate heat pipe heat exchangers in transient applications of waste heat recovery.</a> Int J Thermofluid. 9, 100056(2021).</li>
<li>Vardaki, M. Z., Kourkoumelis, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+phantoms+for+biomedical+applications+in+Raman+spectroscopy%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed+Eng+Computational+Biol%22%5BJournal%5D)">Tissue phantoms for biomedical applications in Raman spectroscopy: A review.</a> Biomed Eng Computational Biol. 11, 1179597220948100(2020).</li>
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作者无任何竞争利益需要披露。

本文介绍了基于琼脂糖的肿瘤组织模拟光学仿体制备方案。这些仿体经过设计，可模拟肿瘤和正常组织的光学特性，用于光热治疗（PPTT）相关研究。本研究重点阐述了这些仿体在PPTT过程中用于验证数值方法的应用。该方案中最关键的步骤是在持续搅拌条件下，将含有琼脂糖和IL的仿体溶液温度维持在60 ºC&#160;。若温度超过60 ºC，可能导致IL变性，从而改变所制备仿体的预期光学特性；反之，若温度低于40 ºC，则可能发生提前凝胶化，导致散射组分（IL）和/或吸收组分（AuNRs）分布不均18。
另一个关键方面是热电偶的精确定位。即使微小的错位（毫米级）也可能显著影响测得的温度升高。为避免这一问题，应使用玻璃毛细管将热电偶精确引导至模型中的目标空间位置。此外，为排查因热电偶放置不当可能导致的误差，光热评估应至少进行三次重复实验25。
本文讨论的基于琼脂糖的光学仿体可用保质期较短，不超过1天。因此，光热实验必须在仿体制备当天进行。然而，在不可避免...

等离子体光热疗法（PPTT）是一种新兴的局部癌症治疗方式，其过程包括将纳米颗粒（NPs）递送至肿瘤部位，随后使用近红外（NIR）辐射进行照射。纳米颗粒通常通过瘤内（IT）或静脉（IV）途径给药1。在近红外照射下，入射辐射与纳米颗粒之间的等离子体相互作用导致纳米颗粒表面产生局部热量，并将热量扩散至周围肿瘤组织2,3。这种局部加热使肿瘤区域温度升高，从而通过热消融导致癌细胞死亡4,5。通过维持特定温度，例如46 ºC持续1小时6、50–52 ºC持续4–6分钟7，或60 ºC实现瞬时损伤8，可经由多种生物过程实现有效的癌症治疗。
已探索并报道了多种用于光热治疗的光热剂，并通过体外（in vitro）或体内（in vivo）研究评估了它们的治疗效果。这些光热剂包括有机材料9，如近红外染料（例如吲哚菁绿、IR780、IR820）、基于聚合物的光热剂（例如聚多巴胺），以及无机材料10，包括基于贵金属的纳米颗粒（NPs）或等离激元纳米颗粒（例如金纳米颗粒）11、过渡金属硫化物/氧化物12和MXenes13。在这些材料中，等离激元纳米颗粒（特别是金纳米颗粒）相较于传统光热剂（如染料）具有多项优势，例如更高的光热稳定性、更高的光热转换效率，并可通过调控其形貌和尺寸来调节等离激元响应特性10。这些特性使金纳米颗粒成为光热治疗的理想候选材料，其中一些目前已进入临床试验阶段14。
为了在光热治疗（PPTT）过程中优化治疗效果并确保肿瘤组织获得足够的热损伤，必须在PPTT进入临床前或临床应用之前，估算治疗参数，例如纳米颗粒剂量（以浓度表示）以及近红外辐射参数（包括照射强度和持续时间）。通常采用数值模拟方法来确定这些参数。目前已开发出多种数值方法用于评估肿瘤组织内的热损伤，其中格子玻尔兹曼方法即为一种15,16。然而，为了确保这些模拟结果的可靠性，必须使用称为组织模拟体模的组织类似物进行验证。这些体模可被制备成具有与真实组织相似的光学、热学、生物学或力学特性，可用于初步测试、治疗评估以及验证新开发的用于生物医学应用的设备、材料或方法17,18。这种方法可减少实验动物或人类受试者不必要的痛苦，并缓解此类实验所涉及的伦理问题19,20。
仿体的设计与制备取决于其预期应用21。例如，在光热疗法（如PPTT）中，入射辐射的剂量受到纳米颗粒（NPs）和组织吸收或散射光量的影响22,23。因此，在PPTT评估及后续数值模拟验证中，常使用能够模拟生物组织光学特性（特别是约化散射系数（µs'）和吸收系数（µa））的光学仿体24,25。光学仿体通常由三个主要组分构成：基质材料、散射剂和吸收剂17,26。基质材料用于将散射和吸收组分以适当浓度固定，以复制所需的光学特性。根据基质类型的不同，这些仿体可分为固体、液体和半固体（水凝胶）仿体。在PPTT等热疗研究中，水凝胶仿体（尤其是基于琼脂糖的仿体）因其良好的生物相容性、极低的本征散射和吸收特性、制备工艺简单，以及可灵活浇铸成与肿瘤几何形状相对应的任意形状和尺寸而被优先选用19,22。最重要的是，所制备的琼脂糖基仿体可在高达约70–80 ºC&#160;的体相温度下使用，因为琼脂糖类仿体的熔点约为80 ºC19。对于PPTT而言，约50–80 ºC的温度范围已足够，因此此类琼脂糖基仿体可用于基于PPTT的光热评估。
已开发并报道了多种基于水凝胶的仿组织体模，用于各种应用。Mustari 等人&#160;开发了基于琼脂糖的仿组织体模，并证明了其在验证新设计光学系统中的实用性18。在另一项研究中，制备了用于测量高强度聚焦超声（HIFU）治疗过程中热损伤程度的仿组织热致变色体模27。此外，还制备了基于聚丙烯酰胺的仿组织体模，用于分析基于HIFU的癌症治疗过程中的空化效应28。本研究的目的是展示一种逐步制备模拟肿瘤组织体模的方法，并提供用于PPTT评估的基于体模的光热实验方案。该详细的方案旨在促进体模制备及后续基于体模的光热实验方法的采用与可重复性，以测试新开发纳米结构的光热性能，从而验证数值模拟结果，并有助于PPTT治疗前的规划或治疗参数的优化。本文描述了一种专为皮下乳腺肿瘤设计的体模制备方案；然而，通过调整光学吸收剂和散射剂的组成，相同步骤可适用于制备各种类型（不同形状和尺寸）的肿瘤组织体模。例如，此前报道的研究已采用所展示的基于仿组织体模的光热评估方法，验证了针对皮下前臂肿瘤24、皮下浸润性导管癌（IDC）25以及皮肤肿瘤29的PPTT模拟结果。
本文描述了一种光学仿体的制备步骤，该仿体用于模拟位于皮肤表面下3 mm处、被正常乳腺组织包围的皮下或乳腺肿瘤（特别是浸润性导管癌，IDC）的约化散射系数µs'。该仿体采用圆柱几何结构，以琼脂糖为基质材料，加入不同浓度的脂肪乳剂（Intralipid, IL）作为散射剂，以分别模拟正常乳腺组织和癌变乳腺组织的µs'。琼脂糖是一种透明水凝胶，其散射和吸收可忽略不计，是光学仿体的理想基质材料18,30。此外，脂肪乳剂（IL）是一种20%的脂肪乳液，可模拟细胞膜的双层结构，被广泛用作散射剂31,32，本研究选用IL以复制正常和癌变乳腺组织的µs'。该仿体设计用于模拟在肿瘤区域注射了金纳米棒（AuNRs）作为等离子体纳米颗粒、而周围正常乳腺组织中不含AuNRs的乳腺肿瘤（IDC）情况。在多种用于光热疗法（PPTT）的金纳米颗粒中，本研究选择AuNRs，因其在近红外（NIR）区域具有强烈的等离子体响应，并已在包括犬类和猫类患者在内的临床前PPTT研究中被广泛应用14。本实验方案展示了两种类型仿体的制备方法：一种模拟静脉注射（IV）后肿瘤内AuNRs的分布情况，另一种模拟瘤内注射（IT）后AuNRs在肿瘤中的分布特征。在完成仿体制备后，本文进一步描述了近红外辐照的实验装置以及对仿体进行光热性能评估的操作步骤。最后，提供了对评估所得温度分布结果进行解读的逐步指导，并介绍了如何将实验数据与数值模拟结果进行比较。该比较有助于验证所开发的数值方法，从而实现针对特定肿瘤优化治疗参数的调整。

<table><tbody><tr><td>琼脂糖</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>9012-36-6</td><td>仿体的基础基质</td></tr><tr><td>去离子水（DI水，18.2 M&amp;Omega;)&amp;nbsp;</td><td>NA</td><td>NA</td><td>用于制备仿体溶液的溶剂</td></tr><tr><td>金纳米棒（AuNRs）</td><td>Nanopartz</td><td>A12-10-808</td><td>等离子体纳米颗粒</td></tr><tr><td>脂肪乳（20%乳液储备液）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>68890-65-3</td><td>仿体的散射剂</td></tr><tr><td>封口膜（Parafilm）</td><td>Parafilm M</td><td>380020</td><td>用于密封圆柱形模具底部</td></tr><tr><td>聚乳酸丝材</td><td>eSun</td><td>NA</td><td>模具材料（直径1.75 mm）</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;设备名称&amp;nbsp;&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注/说明&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>3D打印机</td><td>Creality</td><td>Ender-3</td><td>用于打印模具</td></tr><tr><td>数据采集系统（DAQ）</td><td>National Instruments</td><td>cDAQ-9171</td><td>用于记录温度</td></tr><tr><td>去离子水装置</td><td>Merck Millipore</td><td>Direct-Q3</td><td>用于制备去离子水</td></tr><tr><td>带磁力搅拌器的加热板</td><td>IKA</td><td>C-MAG HS 4</td><td>用于制备仿体溶液</td></tr><tr><td>近红外光源（NIR）</td><td>NA（自主研发）&amp;nbsp;</td><td>NA</td><td>用于仿体的近红外照射（800/50 nm；中心波长：800 nm，带宽：50 nm）</td></tr><tr><td>光纤（1/2&quot; &amp;times; 12&quot;）</td><td>Edmund Optics</td><td>38-659</td><td>用于仿体的近红外照射</td></tr><tr><td>K型热电偶</td><td>RS Components</td><td>RS Pro 397-1589</td><td>用于在近红外照射期间监测仿体不同位置的温度</td></tr><tr><td>电子天平</td><td>Wensar</td><td>PGB 200</td><td>用于称量琼脂糖</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;软件名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注/说明&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Autodesk Inventor 2021</td><td>Autodesk</td><td>NA</td><td>用于模具的机械设计</td></tr><tr><td>Cura 5.7</td><td>Ultimaker</td><td>NA</td><td>用于将机械设计转换为3D打印用的G代码</td></tr><tr><td>Matlab R2024b</td><td>MathWorks</td><td>NA</td><td>用于数值模拟和温度数据绘图</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;所用实验器具名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注/说明&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>烧杯（50 mL）</td><td>Borosil</td><td>1000D12</td><td>用于制备仿体溶液</td></tr><tr><td>烧杯（10 mL）</td><td>Borosil</td><td>1000006</td><td>用于制备仿体溶液</td></tr><tr><td>移液器（100–1000 &amp;micro;L）</td><td>Eppendorf Research plus，单通道，可调式</td><td>3123 000 063</td><td>用于向仿体溶液中添加组分</td></tr><tr><td>移液器（10–100 &amp;micro;L）</td><td>Eppendorf Research plus，单通道，可调式</td><td>3123 000 047</td><td>用于向仿体溶液中添加组分</td></tr><tr><td>刮勺</td><td>Borosil</td><td>LASC8888M06</td><td>用于称量琼脂糖及从模具中脱模仿体</td></tr><tr><td>吸头（100–1000 &amp;micro;L）</td><td>Tarsons</td><td>521016</td><td>用于向仿体溶液中添加组分</td></tr><tr><td>吸头（10–100 &amp;micro;L）</td><td>Tarsons</td><td>521010Y</td><td>用于向仿体溶液中添加组分</td></tr></tbody></table>

基于等离激元光热效应的癌症治疗：用于可视化光热温度分布的嵌有纳米颗粒的仿肿瘤组织体模

Plasmonic Photothermal Cancer Therapy: Nanoparticle-embedded Tumor-tissue-mimicking Phantoms for Visualizing Photothermal Temperature Distribution

等离子体光热疗法（PPTT）是一种新兴的癌症治疗方法，其过程包括将纳米颗粒（NPs）递送至肿瘤部位，随后进行近红外（NIR）照射，产生局部热量以摧毁癌细胞。在实施PPTT之前，需要估算治疗参数——纳米颗粒浓度、照射强度和照射时间。为此，通常需进行数值模拟。然而，为确保计算的可靠性，这些模拟必须通过在模拟肿瘤组织光学特性的仿体上开展光热实验来进行验证。在PPTT中，治疗参数由组织和纳米颗粒对入射辐射的散射和吸收特性决定。因此，可在具有目标肿瘤/组织的约化散射系数（µs'）和吸收系数（µa）的仿体上进行验证实验。
具体而言，本方案提供了制备模拟的幻影的指导步骤 µs' 和 µa 注入金纳米棒的乳腺肿瘤，周围为正常乳腺组织。该方案还详细描述了近红外（NIR）辐照、温度监测过程，并通过将时空温度与热电偶实测数据进行比较，验证数值模拟结果。本研究中提供的方案可指导制备基于水凝胶的圆柱形乳腺肿瘤-组织仿体，其尺寸为（ϕ40 × 12 mm），中心肿瘤区域为（ϕ20 × 6 mm），以1%琼脂糖作为基质材料，脂肪乳剂作为散射成分，肿瘤区域中嵌入浓度为25 µg/mL的金纳米游戏副本。一项案例研究的代表性结果展示了所制备仿体在验证PPTT数值模拟中的应用。研究结论指出，所展示的实验方案对于在开展光热治疗前优化和规划治疗参数的光热实验具有重要价值。 体内 实验及对光热治疗的数值模拟进行验证。

图6 显示了在包含金纳米棒（AuNR）的肿瘤组织仿体中，所有热电偶位置处实验测得的平均温度随时间的变化，与相应热电偶位置模拟所得温度的对比，热电偶位置如图2所示。实验中，每种金纳米棒分布方式（即IT分布和IV分布）均重复进行了4次。实验过程中室温为25 ºC，因此模拟中也将周围环境温度设定为25 ºC。图6A展示了IT分布下实验测得的平均温度与模拟温度的比较结果，图6B展示了IV分布下实验测得的平均温度与模拟温度的比较结果。由图6A、图6B可见，IV分布下的温度升高幅度低于IT分布。其原因是，在IV分布中，入射辐射在被含AuNR的肿瘤吸收之前，需穿过更厚、更大的散射介质层（正常组织 + 未修饰肿瘤），导致入射辐射的散射...

本文介绍了制备用于等离子体光热治疗的肿瘤组织仿体的实验方案，该仿体可复制光学特性。文章详细描述了仿体的制备、光热性能评估，以及基于光热温度测量对所建立的数值模型进行验证，以评估治疗参数，提供了一种伦理且成本效益高的替代方法 体内 用于初步测试的研究。

等离子体光热疗法（Plasmonic photothermal therapy, PPTT）是一种新兴的癌症治疗方法，其过程包括将纳米颗粒（NPs）递送至肿瘤部位，随后利用近红外光（near-infrared, NIR）照射……

研究范围主要包括开发肿瘤组织并制备用于等离子体光热癌症治疗的仿体，以验证数值模拟结果，同时确定体内实验的治疗参数，从而评估治疗效果。本方案填补了等离子体光热治疗中数值建模与实验验证之间的空白，并可在临床转化前估算用于体内评价的治疗参数。该方案利用琼脂糖仿体结合热电偶监测，对实体瘤中的等离子体光热相互作用进行低成本评估，从而减少体内测试对实验动物的需求。基于模体的评估可用于验证模拟，以提高治疗的准确性，并优化纳米颗粒浓度和迭代设置等参数，从而支持安全有效的等离子体光热癌症治疗。未来，我们希望开发更接近真实肿瘤组织的模体，其中包含黑色素、血红蛋白以及血流因素。此外，我们还希望探索针对较大肿瘤的多点注射方案。首先，使用 CAD 软件设计一个三维模型。点击“新建”，然后点击“创建”以设计一个中空的圆柱形模具。按下“文档设置”，选择“单位”以将单位更改为毫米。设计一个内径为40毫米、高度为12毫米的圆柱形模具，以及两个实心圆柱形遮蔽模具。使用生成的G代码，采用聚乳酸（PLA）耗材通过3D打印机打印这些模具。配制溶液一时，将0.35克琼脂糖加入33.18毫升去离子水中，置于烧杯中。用铝箔覆盖烧杯以防止水分流失。将烧杯置于加热板上，在120摄氏度下搅拌加热，直至溶液变为透明。随后将加热板温度降至60摄氏度，使溶液冷却15分钟。搅拌的同时，加入1.82毫升的脂肪乳溶液，并继续混合。对于溶液二，将45毫克琼脂糖加入盛有1.18毫升去离子水的烧杯中，用铝箔覆盖。按先前演示的方法加热并冷却溶液后，在搅拌条件下加入106.2微升脂肪乳溶液和3.21毫升金纳米棒悬浮液。将溶液二在60摄氏度下持续搅拌，直至使用。配制溶液三时，将25毫克琼脂糖加入盛有2.44毫升去离子水的烧杯中，并用铝箔覆盖。加热并冷却该溶液。然后在60摄氏度下搅拌的同时加入59微升的脂肪乳剂溶液。制备模拟肿瘤组织的仿体时，首先用帕拉膜密封圆柱形模具的底部，并将遮蔽模具置于中心位置。制备IT模体时，将溶液一倒入圆柱形模具中，直至达到遮蔽模具的顶部标记处。凝固后，移除遮蔽模具，以形成肿瘤区域的空腔。接着，用溶液二填充该空腔，并使其凝固。然后将溶液一加入模体顶部，并使其完全凝固。制备IV型模体时，插入较小的遮蔽模具，并用溶液二填充其周围的空腔。凝固后，移除较小的模具，并用溶液三填充剩余的空腔。将溶液一加入顶部，并使其完全凝固。接着，将热电偶插入已截取适当长度的玻璃毛细管中。在指定的径向和轴向位置穿刺模型。所有热电偶就位后，小心将模体放入玻璃培养皿中，以进行后续的近红外辐射照射。调整玻璃培养皿的位置，使模体顶面的中心区域与近红外光源的光纤末端垂直并对准其中心轴线。然后将数据采集系统连接至计算机，并启动LabVIEW软件。打开近红外光源，并通过软件中按下播放按钮开始记录温度数据。在暗室中对模型照射20分钟，然后关闭近红外光源并停止记录。现在绘制记录的平均温度随时间变化的数据，然后在所有热电偶位置处绘制实验平均温度与模拟温度的对比曲线。由于静脉注射（IV）分布中散射增强，导致金纳米棒嵌入式肿瘤组织模拟体中，瘤内注射（IT）分布的温度上升高于静脉注射（IV）分布。在热电偶零三位置，IT分布的最大温升约为11摄氏度，IV分布的最大温升约为6摄氏度。瘤内和静脉分布的最大均方根误差分别为2.10摄氏度和1.94摄氏度。

plasmonic-photothermal-cancer-therapy-nanoparticle-embedded-tumor

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科研

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Cancer Research

癌症研究

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携带结肠-26（C26）癌细胞的小鼠是癌症恶病质的经典模型。随着肿瘤生长，出现进行性肌肉萎缩，肌肉特异性泛素连接酶过度表达，肌肉横截面积减小。同时也可观察到脂肪减少。恶病质的研究依据肌肉萎缩严重程度随时间推移而加重的情况进行。...

结肠-26 癌移植小鼠模型在癌症恶病质研究中的应用

本文介绍了一种利用三维（3D）胸腺培养系统生成肿瘤抗原特异性诱导多能干细胞来源的胸腺移行细胞（iTE）的新方法。iTE...

一种用于产生小鼠诱导性多能干细胞来源的肿瘤抗原特异性胸腺移行细胞的三维胸腺培养系统

本文介绍了一种利用OP9/DLL1共培养系统生成功能性肿瘤抗原特异性诱导多能干细胞来源的CD8αβ+单阳性T细胞的方法。...

利用人诱导性多能干细胞生成肿瘤抗原特异性T细胞

了解等离子体光热癌症疗法的数值模拟验证方法，使用琼脂糖肿瘤组织模拟模型和热电偶温度监测技术。该方案通过体外模型评估治疗参数，减少动物实验需求，提高治疗准确性。

基于等离激元光热效应的癌症治疗：用于可视化光热温度分布的嵌有纳米颗粒的仿肿瘤组织体模

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