הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

טיפול בסרטן פוטותרמי פלזמוני: פנטומים המחקים רקמת גידול משובצים בננו-חלקיקים להמחשת התפלגות טמפרטורה פוטותרמית

1.6K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/67842

⸱

9 במאי 2025

 ,  , 
1CSIR-Central Scientific Instruments Organisation, 2Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR)

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מציג את הפרוטוקול להכנת פנטומים של רקמת גידול המשכפלים תכונות אופטיות לטיפול פוטותרמי פלזמוני. הוא מפרט הכנת פנטום, הערכות פוטותרמיות ואימות המודל המספרי שפותח המבוסס על מדידות טמפרטורה פוטותרמיות להערכת פרמטרים טיפוליים, ומציע אלטרנטיבה אתית וחסכונית למחקרי in vivo לבדיקות ראשוניות.

תקציר

טיפול פוטותרמי פלזמוני (PPTT), טיפול מתפתח בסרטן, כולל העברת ננו-חלקיקים (NPs) לגידול, ואחריו הקרנת אינפרא אדום קרוב (NIR) ליצירת חום מקומי שהורס תאים סרטניים. לפני מתן PPTT, יש להעריך את הפרמטרים הטיפוליים - ריכוז NP, עוצמת הקרנה ומשך הזמן. לשם כך מבוצעות סימולציות מספריות. עם זאת, כדי להבטיח חישוב חזק, יש לאמת סימולציות אלה באמצעות ניסויים פוטותרמיים על פנטומים המחקים רקמת גידול המשכפלים את התכונות האופטיות של רקמת הגידול. עבור PPTT, הפרמטרים הטיפוליים נשלטים על ידי פיזור וספיגה של קרינה על ידי הרקמה וה-NPs. לכן, ניתן לבצע ניסויי תיקוף על פנטומים המחקים את מקדם הפיזור המופחת (μs') ומקדם הספיגה (μa) של הגידול/רקמת המטרה.

באופן ספציפי, פרוטוקול זה מספק הוראות להכנת פנטומים המחקים μs ו-μ של גידול שד המוזרק עם ננו-מוטות זהב, מוקף ברקמת שד רגילה. הפרוטוקול מפרט גם קרינת NIR, ניטור טמפרטורה ואימות תוצאות מספריות על ידי השוואת טמפרטורות מרחביות-זמניות לאלו שנמדדו באמצעות צמדים תרמיים. הפרוטוקולים שהוצגו במחקר זה אפשרו הכנת פנטומים גליליים של רקמת גידול שד מבוססי הידרוג'ל עם ממדים (φ40 x 12 מ"מ) ואזור גידול מרכזי (φ20 x 6 מ"מ), המורכב מ-1% אגרוז כמטריצת הבסיס ותוך ליפיד כמרכיב הפיזור ואזור הגידול המשובץ בננו-מוטות זהב בריכוז של 25 מיקרוגרם/מ"ל. תוצאות מייצגות ממחקר מקרה ממחישות את היישום של פנטומים מפוברקים לאימות סימולציות מספריות עבור PPTT. המחקר מסכם כי הפרוטוקולים המודגמים הם בעלי ערך לביצוע ניסויים פוטותרמיים שמטרתם לייעל ולתכנן פרמטרים טיפוליים לפני ניסויים in vivo ולאמת סימולציות מספריות עבור PPTT.

מבוא

טיפול פוטותרמי פלזמוני (PPTT) הוא שיטת טיפול מקומית מתפתחת בסרטן הכוללת העברת ננו-חלקיקים (NPs) לאתר הגידול, ולאחר מכן הקרנה עם קרינה קרובה לאינפרא אדום (NIR). ה-NPs ניתנים בדרך כלל באמצעות נתיבים תוך-גידוליים (IT) או תוך ורידיים (IV)1. עם הקרנת NIR, האינטראקציה הפלזמונית של הקרינה המתרחשת ו-NPs מובילה ליצירת חום מקומי על פני השטח של ה-NPs, אשר לאחר מכן מתפזר לרקמת הגידול שמסביב 2,3. חימום מקומי זה מעלה את הטמפרטורה באזור הגידול, מה שמוביל למוות של תאים סרטניים באמצעות אבלציה תרמית 4,5. ניתן להשיג טיפול יעיל בסרטן על ידי שמירה על טמפרטורות ספציפיות, כגון 46 מעלות צלזיוס למשך שעהו-6, 50-52 מעלות צלזיוס למשך 4-6 דקות7, או 60 מעלות צלזיוס לנזק מיידי8 באמצעות תהליכים ביולוגיים שונים.

חומרים פוטותרמיים שונים נחקרו ודווחו ליישום טיפול פוטותרמי, ויעילותם הטיפולית הוערכה באמצעות מחקרי מבחנה או in vivo . חומרים אלה כוללים חומרים אורגניים9 כגון צבעי אינפרא אדום קרוב (למשל, Indocyanine Green, IR780, IR820), חומרים פוטותרמיים מבוססי פולימרים (למשל, פולידופמין), וחומרים אנאורגניים10, כולל NPs מבוססי מתכת אצילית או NPs פלזמוניים (למשל, NPs זהב)11, גופרית/תחמוצות מתכת מעבר12 ו-MXenes13. בין אלה, NPs פלזמוניים, במיוחד NPs זהב, מציעים מספר יתרונות על פני חומרים פוטותרמיים מסורתיים (למשל, צבעים), כגון יציבות פוטותרמית טובה יותר, יעילות המרה פוטותרמית גבוהה יותר ותגובה פלזמונית ניתנת לכוונון באמצעות וריאציות צורה וגודל10. תכונות אלה הופכות את ה-NPs הזהב למועמדים אידיאליים לטיפול פוטותרמי, כאשר חלקם עוברים כעת ניסויים קליניים14.

כדי לייעל את היעילות הטיפולית ולהבטיח נזק תרמי מספיק לגידול במהלך PPTT, חיוני להעריך פרמטרים טיפוליים כגון מינון NP (במונחים של ריכוז) ופרמטרים של קרינת NIR (כולל עוצמת הקרינה ומשך ההקרנה) לפני היישום הפרה-קליני/קליני של PPTT. סימולציות מספריות משמשות בדרך כלל לקביעת פרמטרים אלה. שיטות מספריות שונות פותחו כדי להעריך נזק תרמי בתוך רקמת הגידול, כאשר שיטת בולצמן הסריג היא גישה כזו15,16. עם זאת, כדי שהסימולציות הללו יהיו אמינות, יש לאמת אותן באמצעות אנלוגים של רקמות הידועים כפאנטומים מחקי רקמות. ניתן להכין פנטומים אלה כדי לשכפל את התכונות האופטיות, התרמיות, הביולוגיות או המכניות של רקמות אמיתיות, ולשמש כתחליפים לביצוע בדיקות ראשוניות, הערכת טיפול ואימות של מכשירים, חומרים או שיטות שפותחו לאחרונה המיועדים ליישומים ביולוגיים17,18. זה יכול להפחית סבל מיותר של בעלי חיים או נבדקים אנושיים ולטפל בחששות אתיים הקשורים לניסויים כאלה19,20.

התכנון והייצור של פנטום תלויים ביישום המיועד21. לדוגמה, במהלך פוטותרפיה כמו PPTT, מינון הקרינה המתרחשת מושפע מכמות האור הנספגת או מתפזרת על ידי ה-NPs והרקמות22,23. לכן, פנטומים אופטיים המחקים את התכונות האופטיות, במיוחד מקדם הפיזור המופחת (μs') ומקדם הספיגה (μa) של רקמות ביולוגיות, משמשים להערכות PPTT ואימות לאחר מכן של סימולציות מספריות24,25. פנטומים אופטיים מורכבים בדרך כלל משלושה מרכיבים עיקריים: מטריצת בסיס, חומרי פיזור וחומרי ספיגה17,26. מטריצת הבסיס מחזיקה את רכיבי הפיזור והקליטה בריכוזים מתאימים כדי לשכפל את התכונות האופטיות הרצויות. ניתן לסווג פנטומים אלה לפנטומים מוצקים, נוזליים וחצי מוצקים (הידרוג'ל), בהתאם לסוג מטריצת הבסיס. עבור מחקרים טיפוליים תרמיים כמו PPTT, פנטומי הידרוג'ל, במיוחד פנטומים מבוססי אגרוז, מועדפים בשל התאימות הביולוגית שלהם, הפיזור והספיגה האינהרנטיים הזניחים, תהליך הייצור הפשוט והגמישות ליציקה לצורות וגדלים רצויים המתאימים לגיאומטריות הגידול19,22. והכי חשוב, ניתן להשתמש בפנטומים המוכנים על בסיס אגרוז עד ~70-80 מעלות צלזיוס בטמפרטורות בתפזורת, שכן טמפרטורת ההיתוך של פנטומים מסוג אגרוז היא ~80 מעלות צלזיוס19. עבור PPTT, מכיוון שטווח טמפרטורות של ~50-80 מעלות צלזיוס מספיק, ניתן להשתמש בפאנטומים מבוססי אגרוז כאלה להערכות פוטותרמיות מבוססות PPTT.

פנטומים שונים המחקים רקמות מבוססי הידרוג'ל פותחו ודווחו ליישומים שונים. מוסטרי ועמיתיו פיתחו פנטומים מחקי רקמות מבוססי אגרוז והדגימו את התועלת שלהם באימות מערכת אופטית חדשהשתוכננה 18. במחקר אחר, הוכנו פנטומים תרמוכרומיים המחקים רקמות כדי למדוד את היקף הנזק התרמי במהלך טיפול באולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה (HIFU)27. פנטומים מחקי רקמות מבוססי פוליאקרילאמיד הוכנו גם כדי לנתח את אפקט הקוויטציה במהלך טיפול בסרטן מבוסס HIFU28. מטרת מחקר זה היא להדגים שיטה שלב אחר שלב לייצור פנטומים המחקים רקמת גידול יחד עם הפרוטוקול לניסויים פוטותרמיים מבוססי פנטום להערכות PPTT. פרוטוקול מפורט מוצע זה נועד לקדם את האימוץ והשחזור של הכנת הפנטום ושיטות ניסוי פוטותרמיות מבוססות פנטום לאחר מכן לבדיקת הביצועים הפוטותרמיים של ננו-מבנים שפותחו לאחרונה, ובכך לאמת את הסימולציות המספריות ולסייע בתכנון או אופטימיזציה של פרמטרים טיפוליים של PPTT. מאמר זה מתאר פרוטוקול הכנת פנטום שתוכנן במיוחד עבור גידולי שד תת-קרקעיים; עם זאת, ניתן להתאים את אותם שלבים לייצור סוגים שונים של רקמות גידול (בצורות וגדלים שונים) על ידי שינוי הרכב חומרי הספיגה והפיזור האופטיים. כדוגמה, ההערכות הפוטותרמיות המודגמות המחקות רקמות מבוססות פנטום שימשו במחקרים שדווחו בעבר כדי לאמת סימולציות PPTT עבור גידול זרוע תת-קרקעי24, IDCתת-קרקעי 25 וגידולי עור29.

מאמר זה מתאר את שלבי ההכנה של פנטום אופטי המחקה את μ של גידול שד תת-קרקעי או תת עורי, במיוחד קרצינומה דוקטלית פולשנית (IDC), הממוקמת 3 מ"מ מתחת לפני העור ומוקפת ברקמת שד רגילה. הפנטום הוא בעל גיאומטריה גלילית שהוכנה באמצעות אגרוז כמטריצת בסיס ותוך ליפיד (IL) כחומר הפיזור שנוסף בריכוזים מתאימים כדי לחקות μשל רקמת שד תקינה וסרטנית. אגרוז, הידרוג'ל שקוף עם פיזור וספיגה זניחים, הוא מטריצת בסיס אידיאלית עבור פנטומים אופטיים18,30. יתר על כן, IL, תחליב של 20% שומן המחקה את המבנה הדו-שכבתי של קרומי התאים, נמצא בשימוש נרחב כחומר פיזור31,32 ונבחר למחקר זה כדי לשכפל את μ של רקמת שד תקינה וסרטנית. הפנטום נועד לחקות גידול שד (IDC) המוזרק עם ננו-מוטות זהב (AuNRs) כ-NPs פלזמוניים, מוקף ברקמת שד רגילה ללא AuNRs. מבין NPs זהב שונים המשמשים ב-PPTT, נבחרו AuNRs למחקר זה בשל התגובה הפלזמונית החזקה שלהם באזור ה-NIR והשימוש הנרחב בהם במחקרי PPTT פרה-קליניים, כולל אלה הכוללים חולי כלבים וחתולים14. הפרוטוקול מדגים הכנה של שני סוגים של פנטומים: האחד עם גידול עם התפלגות AuNR כפי שניתן לראות בהזרקה לווריד והשני עם גידול המשקף את התפלגות ה-AuNR שהושגה באמצעות הזרקת IT. בעקבות פרוטוקול הכנת הפנטום, מתוארים מערך הניסוי להקרנת NIR והשלבים לביצוע הערכות פוטותרמיות על הפאנטומים. לבסוף, ניתן מדריך שלב אחר שלב לפירוש תוצאות התפלגות הטמפרטורה המתקבלות מהערכות אלו ולהשוואת נתוני ניסוי עם תוצאות סימולציה מספרית. השוואה זו מסייעת לאמת שיטה מספרית מפותחת, המאפשרת כוונון לפרמטרי טיפול אופטימליים המותאמים במיוחד לגידול.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: הפאנטומים הוכנו באמצעות אגרוז ותוך ליפידים על סמך קומפוזיציות שדווחו בספרות כדי להשיג את התכונות האופטיות הרצויות. לא נעשה שימוש ברקמה ביולוגית אמיתית של חולים או גופות. לכן, הכנת הרפאים הללו חפה ממגבלות אתיות ואינה דורשת הסכמה מדעת.

1. בחירה או ייצור של תבנית מתאימה

  1. . בחירת תבנית מתאימה
    1. בחרו תבנית התואמת את הצורה והמידות הרצויות לפאנטומים. עבור פנטומים גליליים עם אזור גידול המפוזר באופן אחיד עם NPs ומוקף ברקמה נורמלית, השתמשו בצלחת פטרי מזכוכית ובכוס קטנה כתבנית8 (איור 1A).
      הערה: שלבים אלה מיועדים להכנת פנטומים המחקים רקמת גידול בגיאומטריה גלילית. עבור צורות או גדלים אחרים, בחר תבנית מתאימה. אם תבנית מתאימה אינה זמינה, יש לייצר תבנית באמצעות הדפסה תלת מימדית (תלת מימד), כמפורט בשלב 1.2.
  2. ייצור עובש על ידי הדפסת תלת מימד
    1. עצב מודל תלת מימד באמצעות תוכנת עיצוב בעזרת מחשב (CAD) (למשל, SolidWorks, Autodesk Inventor או CATIA) בהתאם לצורה ולגודל הרצויים. כדי לעקוב אחר פרוטוקול זה, תכנן גליל חלול אחד (קוטר פנימי 40 מ"מ, עובי 2 מ"מ וגובה 12 מ"מ; ראה משלים file 1) ושתי תבניות מיסוך גליליות מוצקות (מידות φ20 x 6 מ"מ ו-φ14 x 3 מ"מ), כפי שמוצג באיור 1B.
      1. לעיצוב/שרטוט צילינדר חלול, בתוכנת CAD, צור שני עיגולים בקוטר של 40 מ"מ ו-44 מ"מ. לאחר מכן, הוצא את הגיאומטריה למשך 12 מ"מ.
      2. עבור תבניות מיסוך גליליות מוצקות, צור עיגולים בקוטר 20 מ"מ ו-14 מ"מ, ולאחר מכן הוצא ל-6 מ"מ ו-3 מ"מ, בהתאמה (ראה קובץ משלים 2 וקובץ משלים 3). צייר מלבן (צדדים 44 מ"מ ו -5 מ"מ) בצד אחד של הגליל והוציא אותו ל -2 מ"מ.
    2. המר את דגמי התלת מימד לפורמט Gcode באמצעות תוכנה תואמת מדפסת תלת מימד (למשל, Cura) להדפסה.
    3. השתמש ב-Gcode זה כדי להדפיס את התבניות (למשל, כאן, באמצעות חומצה פולילקטית [PLA] φ1.75 מ"מ, 1 ק"ג של eSun) באמצעות מדפסת תלת מימד.
      הערה: המלבן נמשך כדי להשעות את תבניות המיסוך. ניתן לעצב ולייצר תבניות שונות להכנת פנטומים עם צורות רצויות אחרות.

2. הכנת תמיסות פנטום המחקות רקמות גידול25

הערה: במחקר זה, פנטומים אופטיים מבוססי אגרוז בגיאומטריה גלילית המחקים רקמת גידול מוכנים להידמות לגידול שד תת-קרקעי המוזרק עם AuNRs, באמצעות הזרקת IT או IV, כפי שמוצג באיור 2. לפנטום ה-IT יש שני אזורים: אזור גידול מרכזי עם AuNRs ואזור רקמה נורמלי מסביב. לפנטום IV יש שלושה אזורים: אזור גידול עם AuNRs בפריפריה של הגידול, אזור גידול חשוף מרכזי ללא AuNRs ואזור רקמה תקינה מסביב. מכיוון שהתכונות האופטיות (μa ו-μs') שונות עבור גידול ורקמה נורמלית, מכינים פתרונות פנטום נפרדים לכל אזור בעל הרכבים שונים ונדון בנפרד.

  1. הכנת תמיסת פנטום המדמה רקמת שד תקינה (פתרון 1)
    הערה: פתרון זה ישמש הן עבור פנטומים של IT והן עבור IV. שלבי ההכנה של פתרון 1 מוצגים באיור 3A.
    1. חשב את הנפח התיאורטי של התמיסה על סמך מידות התבנית.
      הערה: כאן, עבור התבנית הגלילית של φ40 x 12 מ"מ, הנפח המחושב הוא 15 ס"מ3 או 15 מ"ל לפנטום. מכיוון שצריך להכין שני פנטומים כאלה, הנפח הכולל הוא 15 מ"ל x 2, שהם 30 מ"ל. לכן, הכינו 35 מ"ל מהתמיסה כדי להסביר אידוי או שפיכה בשלב הכנת הפנטום.
    2. חשב את הכמות (משקל/ריכוז/נפח) של כל מרכיבי הפנטום - אגרוז (כחומר בסיס) ו- IL (כמרכיב פיזור) - שיש להוסיף לתמיסה של 35 מ"ל.
      1. הוסף 0.35 גרם אגרוז להכנת 35 מ"ל תמיסה המתאימה לריכוז של 1% w/v.
      2. להעריך את ריכוז IL המתאים μ רצוי של רקמת שד תקינה (כלומר, 10.1 ס"מ-1 33) על סמך ריכוז IL לעומת נתוני μs הזמינים בספרות. לאחר מכן, חשב את נפח ה-IL (מלאי תחליב 20%) שיתווסף לתמיסת הפנטום באמצעות משוואה (1):
        figure-protocol-1(1)
        כאשר C1 ו-V1 הם ריכוז מלאי הריאגנטים (כאן 20% מלאי IL) ונפח תמיסת מלאי הריאגנטים שיש להוסיף (כאן יש לחשב), בהתאמה. C2 הוא הריכוז הנדרש של המגיב (שיתקבל מהספרות) בפתרון העבודה הסופי, ו - V2 הוא הנפח הכולל של פתרון העבודה הסופי (כאן, 35 מ"ל).
        הערה: כאן, עבור μשל 10.1 ס"מ-1, ריכוז ה-IL המוערך מהספרות המדווחת הוא 1.04%34,35. באמצעות השלבים לעיל, נפח ה-IL (20% מלאי IL) שיתווסף הוא 1.82 מ"ל.
    3. שוקלים 0.35 גרם אגרוז ומוסיפים אותו ל-33.18 מ"ל מים נטולי יונים (DI) בכוס. מכסים את הכוס בנייר אלומיניום כדי למנוע אובדן מים.
    4. מחממים את הכוס המכילה את התמיסה על פלטה חמה בחום של 120 מעלות תוך כדי ערבוב עד שהתמיסה הופכת לשקופה.
    5. הורד את הטמפרטורה של הפלטה החמה ל 60 מעלות צלזיוס. לאחר 15 דקות מוסיפים 1.82 מ"ל IL תוך כדי ערבוב. שמור את התמיסה המתקבלת, תמיסה 1, תחת ערבוב בחום של 60 מעלות צלזיוס עד לשימוש (מוכן למזיגה).
      הערה: יש לשמור את תמיסת הפנטום בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס בתנאי ערבוב. אחרת, זה מוביל להתמצקות הפתרון.
  2. הכנת תמיסת פנטום גידול משובצת AuNR (פתרון 2)
    הערה: פתרון זה ישמש הן עבור פנטומים של IT והן עבור IV. שלבי ההכנה של פתרון 2 מוצגים באיור 3B.
    1. חשב את נפח אזור הגידול שיש למלא (φ20 x 6 מ"מ).
      הערה: הנפח המשוער לשני פנטומים גידוליים כאלה הוא 3.8 מ"ל. אז, נפח התמיסה שיש להכין יהיה 4.5 מ"ל.
    2. חשב את כמות מרכיבי פנטום הגידול שיש להוסיף - אגרוז, IL ו- AuNRs - באמצעות שלבים דומים כפי שהוזכר בסעיף 2.1.
      1. הוסף 45 מ"ג להכנת 4.5 מ"ל תמיסה המתאימה לריכוז של 1% משקל/נפח.
      2. IL:μs' של גידול השד הוא 4.6 ס"מ-1 33 וכדי לחקות את אותו הדבר, ריכוז ה-IL המקביל הנדרש הוא 0.472%34,35. לכן, הוסף 106.2 מיקרוליטר של IL מ-20% מלאי IL ל-4.5 מ"ל של תמיסת פנטום גידול.
      3. הריכוז הרצוי של AuNRs בפנטום הוא 25 מיקרוגרם/מ"ל. כדי להשיג את אותו הדבר, הוסף 3.21 מ"ל של תמיסת AuNRs (ריכוז מלאי: 35 מיקרוגרם/מ"ל) לתמיסת פנטום הגידול.
    3. מוסיפים 45 מ"ג אגרוז ל-1.18 מ"ל מי DI בכוס ומכסים אותה בנייר אלומיניום.
    4. מניחים את הכוס על צלחת חמה ומערבבים בחום של 120 מעלות צלזיוס עד שהתמיסה הופכת שקופה.
    5. הפחיתו את טמפרטורת הפלטה החמה ל 60 מעלות צלזיוס והשאירו את התמיסה למשך 15 דקות.
    6. הוסף 106.2 מיקרוליטר של IL ו-3.21 מ"ל של תרחיף AuNR (35 מיקרוגרם/מ"ל) בתנאי ערבוב. שמור את התמיסה המתקבלת, תמיסה 2, תחת ערבוב בחום של 60 מעלות צלזיוס עד למזיגה.
  3. הכנת תמיסת פנטום של גידול חשוף (ללא AuNRs) (פתרון 3)
    הערה: פתרון זה ישמש לפנטום IV בלבד. שלבי ההכנה של פתרון 2 מוצגים באיור 3C.
    1. חשב את הנפח התיאורטי של התרחיף שיש להוסיף ליצירת אזור גידול חשוף (~ φ20 x 6 מ"מ).
      הערה: הנפח המשוער של פנטומי גידול הוא 1.9 מ"ל. אז, נפח התמיסה שיש להכין יהיה 2.5 מ"ל.
    2. חשב את כמות מרכיבי פנטום הגידול שיש להוסיף - אגרוז ו- IL באמצעות שלבים דומים כפי שהוזכר בסעיף 2.1.
      1. הוסף 25 מ"ג אגרוז להכנת 2.5 מ"ל תמיסה כדי להשיג ריכוז של 1% משקל/נפח.
      2. IL:μs' של גידול השד הוא 4.6 ס"מ-1 33 וכדי לחקות את אותו הדבר, ריכוז ה-IL המקביל הנדרש הוא 0.472%34,35. הוסף 59 מיקרוליטר של מלאי 20% IL.
    3. מוסיפים 25 מ"ג אגרוז ל-2.44 מ"ל מי DI בכוס ומכסים אותה בנייר אלומיניום.
    4. מניחים את הכוס על פלטה חמה ומערבבים בחום של 120 מעלות צלזיוס עד שהתמיסה הופכת לשקופה.
    5. הפחיתו את טמפרטורת הפלטה החמה ל 60 מעלות צלזיוס והשאירו את התמיסה למשך 15 דקות.
    6. הוסף 59 מיקרוליטר IL לתמיסה בתנאי ערבוב. שמור את התמיסה המתקבלת, תמיסה 3, בתנאי ערבוב בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס עד למזיגה.

3. הכנת פנטום מחקה רקמת גידול 24,25,36

  1. מכינים את התבניות לשלב המזיגה. לשם כך, אטמו את תחתית התבניות הגליליות בעזרת פרפילם והניחו את תבנית המיסוך (φ20 x 6 מ"מ) במרכז.
  2. יוצקים את תמיסה 1 לתוך התבניות הגליליות עד לסימון העליון של תבנית המסיכה ומניחים לה להתמצק (איור 4A).
  3. לאחר ההתמצקות, הסר את תבנית המיסוך כדי ליצור חלל לאזור הגידול (איור 4B).
    הערה: הפרוטוקול יהיה זהה הן עבור פנטומים של IT והן עבור IV עד לשלב 3.3. התהליך יידון בנפרד עבור פנטומים של IT ו-IV לאחר שלב 3.3.
  4. פנטום IT 24,25,36
    1. מלאו את החלל בתמיסה 2 ואפשרו לו להתמצק (איור 4C).
    2. הוסף את פתרון 1 לחלק העליון של הפנטום ואפשר לו להתמצק לחלוטין (איור 4D).
  5. פנטום IV24,25
    1. הכנס תבנית מיסוך קטנה יותר (φ14 x 3 מ"מ) ומלא את החלל סביבה בתמיסה 2 (איור 4E).
    2. לאחר ההתמצקות, הסר את התבנית הקטנה יותר ומלא את החלל שנותר בתמיסה 3 (איור 4F).
    3. הוסף את פתרון 1 למעלה ואפשר התמצקות מלאה (איור 4G).

4. החדרת הצמדים התרמיים בתוך הפנטום 24,25,36

הערה: כדי לנטר את התפלגות הטמפרטורה המרחבית, צמדים תרמיים מסוג K מוכנסים בתוך הפנטום במיקומים רדיאליים (r) וציריים (z) שונים, כפי שמוצג באיור 2. עבור החדרת צמד תרמי במקומות מדויקים, נימי זכוכית משמשים כמדריכים להבטחת דיוק. מיקומי הצמד התרמי מסומנים כ-(r, z), כאשר נקודת האמצע על פני השטח העליונים של הגידול בעומק z = 3 מ"מ משמשת כנקודת ייחוס הן לפנטומים של IT והן ל-IV ומסומנת כ-(0, 3), כפי שמוצג באיור 2A,B. בעת בחירת מיקומים רדיאליים וציריים לכימות נזק תרמי באזור הגידול, המיקומים בפריפריה של הגידול (הן רדיאליים והן ציריים) הם קריטיים. השגת הטמפרטורות הנדרשות בנקודות היקפיות אלו במהלך הקרנת NIR מבטיחה אבלציה מלאה של הגידול. לפיכך, הצמדים התרמיים ממוקמים בנקודות קיצון רדיאליות (של הגידול) ב-z = 3 ו-9 מ"מ, כלומר (10, 3) ו-(10, 9), וצמד תרמי אחד ממוקם בממשק הגידול-רקמה ב-z = 9 מ"מ (מיקום צירי היקפי), כלומר, (0, 9) כפי שמתואר באיור 2A,B. בנוסף, כדי להעריך את התפלגות הטמפרטורה הצירית, מוכנס צמד תרמי בין מיקומים (0, 3) ו-(0, 9), המסומן כ-(0, 6). לבסוף, כדי להעריך את עליית הטמפרטורה באזור הרקמה הבריאה שמסביב, מוחדר צמד תרמי אחד ב-(15, 3).

  1. חותכים את נימי הזכוכית לאורכים מתאימים כך שאלו יגיעו למיקומים הרדיאליים והציריים הרצויים בתוך הפנטום.
  2. הכנס צמדים תרמיים בתוך נימי הזכוכית הללו ונקב במיקומי פנטום רדיאליים וציריים מוגדרים בזה אחר זה.
  3. לאחר שכל הצמדים התרמיים נמצאים במקומם, הנח בזהירות את הפנטום בצלחת פטרי מזכוכית להקרנת NIR לאחר מכן, כפי שמוצג באיור 5A.

5. חשיפה לקרינת קרינה בלתי מייננת ומדידת טמפרטורות פוטותרמיות כתוצאה מכך36

  1. הנח את צלחת הפטרי מזכוכית המכילה את הפנטום (מוכנס עם צמדים תרמיים) כך שהאזור המרכזי של המשטח העליון של הפאנטום יהיה מאונך לקצה הסיב האופטי של מקור האור NIR, כפי שמתואר באיור 5A.
    הערה: ניתן לכוונן את קוטר האלומה על משטח הפנטום על ידי שינוי המרחק בין המשטח לקצה הסיב האופטי. כאן, נשמר מרחק של 9 מ"מ כדי להשיג קוטר קרן של 20 מ"מ, המכסה את אזור הגידול המרכזי.
  2. חבר את מערכת רכישת הנתונים (DAQ) למחשב ופתח את תוכנת LabVIEW.
  3. הפעל את מקור האור NIR (איור 5B) והפעל את כפתור התוכנה בו-זמנית כדי להקליט נתוני טמפרטורה בתחילת ההקרנה.
  4. הקרינו את הפנטום למשך 20 דקות, ולאחר מכן כבו את מקור האור NIR והפסקו את ההקלטה.
  5. התוויית נתוני הטמפרטורה המוקלטת לעומת נתוני הזמן.

6. השוואת טמפרטורה עם תוצאות סימולציה 24,25

הערה: ניסויים חוזרים על עצמם בדרך כלל, והטמפרטורות נרשמות במרווחי זמן מוגדרים בכל מיקומי הצמד התרמי. לצורך אימות, השלבים הבאים מתבצעים:

  1. חשב את הממוצע וסטיית התקן של טמפרטורות הניסוי בכל מיקומי הצמד התרמי (r, z).
  2. חשב טמפרטורות במיקומי צמד תרמי נחשבים מבחינה מספרית.
  3. תרשים הטמפרטורה הממוצעת שהתקבלה מהניסויים והטמפרטורה שהושגה על ידי סימולציה בכל מיקומי הצמד התרמי ביחס לזמן, מוצג באיור 6.
  4. חשב את השגיאה הריבועית הממוצעת (RMSE) והשגיאה המוחלטת הממוצעת (MAE) עבור כל מיקומי הצמד התרמי כדי לכמת את ההבדל בטמפרטורה כדי להעריך את האימות, כפי שמוצג בטבלה 1.
    הערה: MAE ו-RMSE מחושבים באמצעות משוואות 2 ו-3, בהתאמה.
    figure-protocol-2(2)
    figure-protocol-3(3)
    כאשר TE, TS ו-N הם הטמפרטורה המתקבלת בניסוי, הטמפרטורה מחושבת מספרית ומספר נקודות הנתונים (כאן, הטמפרטורות נרשמות בכל שנייה למשך 20 דקות; מכאן, = 1,200), בהתאמה. אני מייצג רגעי זמן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 6 מציג את הטמפרטורות הממוצעות הטמפורליות שהתקבלו במהלך ניסויים עם פנטום רקמת גידול משובץ AuNR בכל מיקומי הצמד התרמי, כפי שמוצג באיור 2, בהשוואה לטמפרטורות שהתקבלו במהלך סימולציות במיקומי צמד תרמי מתאימים. כאן, הניסויים בוצעו פי 4 עבור כל התפלגות, כלומר, התפלגות IT ו-IV של AuNRs. במהלך הניסויים, טמפרטורת החדר הייתה 25 מעלות צלזיוס. לכן, גם עבור סימולציה, הטמפרטורה שמסביב נשמרה על 25 מעלות צלזיוס. איור 6A<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מאמר זה מציג את הפרוטוקול להכנת פנטומים אופטיים המחקים רקמת גידול מבוססת אגרוז. הפאנטומים מתוכננים באופן שמחקה את התכונות האופטיות של גידול ורקמות נורמליות לשימוש בהם במחקרים ל-PPTT. במחקר זה, מודגש היישום של פנטומים אלה לאימות שיטות מספריות במהלך PPTT. השלב הקריטי ביותר בפרוטוקול זה הוא שמירה על הטמפרטורה של תמיסות הפנטום המכילות אגרוז ו-IL בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס תחת ערבוב מתמיד. אם הטמפרטורה עולה על 60 מעלות צלזיוס, הדבר עלול להוביל לדנטורציה של IL, ולשנות את התכונות האופטיות הרצ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין אינטרסים מתחרים לחשוף.

תודות

מחקר זה נערך ללא כל תמיכה כספית מגופים ציבוריים, מסחריים או ללא מטרות רווח. המחברים מודים לארגון המכשירים המדעיים המרכזי של CSIR, צ'אנדיגאר, הודו, על התשתית והתמיכה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
AgaroseSigma-Aldrich9012-36-6מטריצת בסיס למים נטולי יונים
(DI) של פנטומים (18.2 MΩ) NANA ממס להכנת תמיסות פנטום
ננו-מוטות זהב (AuNRs)NanopartzA12-10-808ננו-חלקיקים פלזמוניים
אינטרליפידים (מלאי תחליב 20%)Sigma-Aldrich68890-65-3חומר פיזור של פנטומים
ParafilmParafilm M380020לאיטום החלק התחתון של תבנית גלילית
נימה של חומצה פולילקטיתeSunחומר NAלתבניות (חוט קוטר 1.75 מ"מ)<
חזק>שם הציוד  CompanyCatalog NumberComments/Description
מדפסת תלת מימדCrealityEnder-3להדפסת תבניות
מערכת רכישת נתונים (DAQ) NationalInstrumentscDAQ-9171לרישום טמפרטורות
יחידת מים DIMerck MilliporeDirect-Q3למים DI
פלטה חמה עם מערבל מגנטיIKAC-MAG HS 4להכנת פתרונות פנטום
מקור אור NIRNA (פותח בבית) NAלהקרנת NIR של פנטומים, (800/50 ננומטר; אורך גל מרכזי: 800 ננומטר, רוחב פס: 50 ננומטר)
סיבים אופטיים (1/2 אינץ' וזמנים 12 אינץ')אופטיקה אדמונד38-659להקרנת NIR של פנטומים צמדים
תרמיים מסוג Kרכיבי RSPro 397-1589לניטור טמפרטורה במיקומי פנטום שונים במהלך הקרנת NIR
איזון שקילהWensarPGB 200לשקילת אגרוז
שם התוכנהCompanyCatalog NumberComments/Description
Autodesk Inventor 2021AutodeskNAלתכנון מכני של תבניות
Cura 5.7UltimakerNAלהמרת עיצוב מכני ל-Gcode להדפסת תלת מימד
Matlab R2024bMathWorksNAלסימולציות מספריות ותרשימי
שם כלי מעבדה בשימושCompanyCatalog Number>Comments/Description
Beocers (50 מ"ל)Borosil1000D12עבור תכשירי תמיסת פנטום
כוסות (10 מ"ל)בורוזיל1000006לתכשירי תמיסת פנטום
פיפטה (100-1000 ומיקרו; L)Eppendorf Research plus, ערוץ אחד, משתנה3123 000 063להוספת מרכיבים לתמיסת הפנטום
פיפטה (10-100 ומיקרו; L)Eppendorf Research plus, ערוץ אחד, משתנה3123 000 047להוספת מרכיבים לתמיסת הפנטום
SpatulaBorosilLASC8888M06לשקילת אגרוז ופירוק הפאנטומים מהתבניות טיפים
(100-1000 ומיקרו; L)Tarsons521016להוספת מרכיבים לתמיסת הפנטום טיפים
(10-100 ומיקרו; L)Tarsons521010Yלהוספת מרכיבים לתמיסת הפנטום
נתוני טמפרטורה

מקורות

  1. Riley, R. S., Day, E. S. Gold nanoparticle-mediated photothermal therapy: applications and opportunities for multimodal cancer treatment. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 9 (4), e1449(2017).
  2. Webb, J. A., Bardhan, R. Emerging advances in nanomedicine with engineered gold nanostructures. Nanoscale. 6 (5), 2502-2530 (2014).
  3. Abadeer, N. S., Murphy, C. J. Recent progress in cancer thermal therapy using gold nanoparticles. J Phys Chem C. 120 (9), 4691-4716 (2016).
  4. Murphy, C. J., et al. Virus-sized gold nanorods: Plasmonic particles for biology. Acc Chem Res. 52 (8), 2124-2135 (2019).
  5. Overchuk, M., Weersink, R. A., Wilson, B. C., Zheng, G. Photodynamic and photothermal therapies: Synergy opportunities for nanomedicine. ACS Nano. 17 (9), 7979-8003 (2023).
  6. Goldberg, S. N., Gazelle, G. S., Mueller, P. R. Thermal ablation therapy for focal malignancy. Am J Roentgenol. 174 (2), 323-331 (2000).
  7. Soni, S., Tyagi, H., Taylor, R. A., Kumar, A. Role of optical coefficients and healthy tissue-sparing characteristics in gold nanorod-assisted thermal therapy. Int J Hyperth. 29 (1), 87-97 (2013).
  8. Khurana, D., Vikas,, Shaw, A. K., Soni, S. Polydopamine coated gold nano blackbodies for tumor-selective spatial thermal damage during plasmonic photothermal cancer therapy. IEEE Trans Nanobiosci. 21 (4), 482-489 (2021).
  9. Jung, H. S., Verwilst, P., Sharma, A., Shin, J., Sessler, J. L., Kim, J. S. Organic molecule-based photothermal agents: an expanding photothermal therapy universe. Chem Soc Rev. 47 (7), 2280-2297 (2018).
  10. Ge, R. L., Yan, P. N., Liu, Y., Li, Z. S., Shen, S. Q., Yu, Y. Recent advances and clinical potential of near infrared photothermal conversion materials for photothermal hepatocellular carcinoma therapy. Adv Func Mater. 33 (29), 2301138(2023).
  11. Shabani, L., et al. An investigation into green synthesis of Ru template gold nanoparticles and the in vitro photothermal effect on the MCF-7 human breast cancer cell line. Appl Phys A. 129 (8), 564(2023).
  12. Mosleh-Shirazi, S., et al. Investigation through the anticancer properties of green synthesized spinel ferrite nanoparticles in present and absent of laser photothermal effect. Ceram Int. 49 (7), 11293-11301 (2023).
  13. Amani, A. M., et al. Innovation applications of MXenes in biomedicine. Mater Today Commun. 40, 109929(2024).
  14. Ali, M. R. K., Wu, Y., El-Sayed, M. A. Gold-nanoparticle-assisted plasmonic photothermal therapy advances toward clinical application. J Phys Chem C. 123 (25), 15375-15393 (2019).
  15. Lahonian, M., Golneshan, A. A. Numerical study of temperature distribution in a spherical tissue in magnetic fluid hyperthermia using Lattice Boltzmann method. IEEE Trans NanoBiosci. 10 (4), 262-268 (2011).
  16. Shaw, A. K., Soni, S. Role of periodic irradiation and incident beam radius for plasmonic photothermal therapy of subsurface tumors. J Therm Biol. 121, 103859(2024).
  17. Pogue, B. W., Patterson, M. S. Review of tissue simulating phantoms for optical spectroscopy, imaging and dosimetry. J Biomed Opt. 11 (4), 041102(2006).
  18. Mustari, A., et al. Agarose-based tissue mimicking optical phantoms for diffuse reflectance spectroscopy. J Vis Exp. (138), e57578(2018).
  19. Dabbagh, A., Abdullah, B. J. J., Ramasindarum, C., Abu Kasim, N. H. Tissue-mimicking gel phantoms for thermal therapy studies. Ultrason imaging. 36 (4), 291-316 (2014).
  20. Khurana, D., et al. Experimental investigation of photothermal conversion and thermal conductivity of broadband absorbing gold nanoblackbodies and graphene oxide nanoparticles for plasmonic photothermal cancer therapy. Int Commun Heat Mass Transf. 156, 107597(2024).
  21. Measurement of breast-tumor phantom dielectric properties for microwave breast cancer treatment evaluation. Ortega-Palacios, R., Leija, L., Vera, A., Cepeda, M. F. J. 2010 7th Int Conf Electr Eng Comput Sci Automatic Control, Tuxtla, Guterrez, Mexico, , 216-219 (2010).
  22. Wagnières, G., et al. An optical phantom with tissue-like properties in the visible for use in PDT and fluorescence spectroscopy. Phys Med Biol. 42 (7), 1415(1997).
  23. Didychuk, C. L., Ephrat, P., Chamson-Reig, A., Jacques, S. L., Carson, J. J. L. Depth of photothermal conversion of gold nanorods embedded in a tissue-like phantom. Nanotechnology. 20 (19), 195102(2009).
  24. Shaw, A. K., Khurana, D., Soni, S. Thermal damage analysis of sub-surface soft tissue sarcoma for Indocyanine Green mediated photothermal cancer therapy. Therm Sci Eng Prog. 46, 102168(2023).
  25. Shaw, A. K., Khurana, D., Soni, S. Assessment of thermal damage for plasmonic photothermal therapy of subsurface tumors. Phys Eng Sci Med. 47 (3), 1107-1121 (2024).
  26. Khurana, D., Soni, S. Tissue-mimicking phantoms for photothermal performance evaluations. Recent Trends in Cancer Therapeutics: Plasmonic Photothermal-Based Multimodal Cancer Therapy. , 109-136 (2024).
  27. Eranki, A., et al. Tissue-mimicking thermochromic phantom for characterization of HIFU devices and applications. Int J Hyperth. 36 (1), 517-528 (2019).
  28. McLaughlan, J. R. Controllable nucleation of cavitation from plasmonic gold nanoparticles for enhancing high intensity focused ultrasound applications. J Vis Exp. (140), e58045(2018).
  29. Soni, S., Tyagi, H., Taylor, R. A., Kumar, A. Experimental and numerical investigation of heat confinement during nanoparticle-assisted thermal therapy. Int Commun Heat Mass Transf. 69, 11-17 (2015).
  30. Ntombela, L., Adeleye, B., Chetty, N. Low-cost fabrication of optical tissue phantoms for use in biomedical imaging. Heliyon. 6 (3), e03602(2020).
  31. Lai, P., Xu, X., Wang, L. V. Dependence of optical scattering from Intralipid in gelatin-gel based tissue-mimicking phantoms on mixing temperature and time. J Biomed Opt. 19 (3), 035002(2014).
  32. Aernouts, B., Van Beers, R., Watté, R., Lammertyn, J., Saeys, W. Dependent scattering in Intralipid®phantoms in the 600-1850 nm range. Opt Express. 22 (5), 6086-6098 (2014).
  33. Tromberg, B. J., et al. Non-invasive in vivo characterization of breast tumors using photon migration spectroscopy. Neoplasia. 2 (1-2), 26-40 (2000).
  34. Kanick, S. C., et al. Scattering phase function spectrum makes reflectance spectrum measured from Intralipid phantoms and tissue sensitive to the device detection geometry. Biomed Opt Express. 3 (5), 1086-1100 (2012).
  35. Yuan, B., Chen, N., Zhu, Q. Emission and absorption properties of indocyanine green in Intralipid solution. J Biomed Opt. 9 (3), 497-503 (2004).
  36. Khurana, D., et al. Gold nanoblackbodies-based multifunctional nanocomposite for multimodal cancer therapy. Int J Pharm. 642, 123112(2023).
  37. Brough, D., Ramos, J., Delpech, B., Jouhara, H. Development and validation of a TRNSYS type to simulate heat pipe heat exchangers in transient applications of waste heat recovery. Int J Thermofluid. 9, 100056(2021).
  38. Vardaki, M. Z., Kourkoumelis, N. Tissue phantoms for biomedical applications in Raman spectroscopy: A review. Biomed Eng Computational Biol. 11, 1179597220948100(2020).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

טיפול פוטו-תרמי פלסמוניננו-מוטות זהבפנטום של רקמת גידולהקרנה באינפרא-אדום קרובתיקוף סימולציה נומריתריכוז ננו-חלקיקיםניטור באמצעות תרמוקוپلפנטום הידרוג'לתכונות אופטיות
טיפול בסרטן פוטותרמי פלזמוני: פנטומים המחקים רקמת גידול משובצים בננו-חלקיקים להמחשת התפלגות טמפרטורה פוטותרמית
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.