この記事では、プラズモン光熱療法の光学特性を再現する腫瘍組織ファントムを調製するためのプロトコルを紹介します。ファントムの調製、光熱評価、および治療パラメータを評価するための光熱温度測定に基づく開発された数値モデルの検証について詳しく説明し、予備試験のための in vivo 研究に代わる倫理的で費用対効果の高い代替手段を提供します。
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方法論記事
プラズモニック光熱がん治療:光熱温度分布を可視化するためのナノ粒子包埋腫瘍組織模倣ファントム
* These authors contributed equally
この記事について
サマリー
要約
新しいがん治療薬であるプラズモニック光温熱療法(PPTT)は、ナノ粒子(NP)を腫瘍に送達した後、近赤外線(NIR)を照射して局所的な熱を発生させ、がん細胞を破壊するという治療法です。PPTTを投与する前に、治療パラメータ(NP濃度、照射強度、および持続時間)を推定する必要があります。このために、数値シミュレーションが実行されます。しかし、ロバストな計算を確保するためには、これらのシミュレーションを、腫瘍組織の光学特性を再現する腫瘍組織模倣ファントムを用いた光熱実験を通じて検証する必要があります。PPTTの場合、治療パラメータは、組織とNPによる入射放射線の散乱と吸収によって支配されます。そのため、対象腫瘍・組織の減少した散乱係数(μs')と吸収係数(μa)を模倣したファントムで検証実験を行うことができます。
具体的には、このプロトコルは、正常な乳房組織に囲まれた、金ナノロッドを注入された乳房腫瘍のμおよびμaを模倣したファントムを準備するための指示を提供する。このプロトコルでは、NIR照射、温度モニタリング、および時空間温度と熱電対を使用して測定された温度を比較することによる数値結果の検証についても詳しく説明しています。この研究で提示されたプロトコルは、寸法(φ40 x 12 mm)および中央腫瘍領域(φ20 x 6 mm)を有するヒドロゲルベースの円筒形乳房腫瘍組織ファントムの調製を容易にし、1%アガロースをベースマトリックスとして、脂質内を散乱成分として含み、腫瘍領域を25μg/mLの濃度で金ナノロッドで包埋した。ケーススタディの代表的な結果は、PPTTの数値シミュレーションを検証するための作製ファントムの応用を示しています。この研究では、実証されたプロトコルは、in vivo実験の前に治療パラメータを最適化および計画し、PPTTの数値シミュレーションを検証することを目的とした光熱実験を実施するために価値があると結論付けています。
概要
プラズモン光温熱療法(PPTT)は、ナノ粒子(NP)を腫瘍部位に送達した後、近赤外線(NIR)放射線を照射する新たな限局性がん治療法です。NPは通常、腫瘍内(IT)または静脈内(IV)ルート1を介して投与されます。NIR照射を受けると、入射放射線とNPsのプラズモン相互作用により、NPsの表面に局所的な熱が発生し、それが周囲の腫瘍組織に放散されます2,3。この局所的な加熱は腫瘍領域の温度を上昇させ、熱アブレーション4,5を通じて癌細胞死を引き起こします。効果的ながん治療は、さまざまな生物学的プロセスを通じて、1時間6で46°C、4〜6分7で50〜52°C、瞬間的な損傷8で60°Cなどの特定の温度を維持することによって達成できます。
光熱療法の適用については、さまざまな光熱剤が調査および報告されており、その治療効果はin vitroまたはin vivo研究....
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プロトコル
注:ファントムは、文献で報告された組成に基づいてアガロースとイントラリピッドを使用して調製され、所望の光学特性を達成しました。患者や死体からの実際の生体組織は使用されていません。したがって、これらのファントムの準備には倫理的な制約がなく、インフォームドコンセントは必要ありません。
1. 適切な金型の選定または製作
- .適切な金型の選択
- ファントムの希望の形状と寸法に一致する金型を選択します。腫瘍領域がNPで均一に分布し、正常組織に囲まれた円筒形ファントムの場合、ガラスのペトリ皿と小さなビーカーを型8 として使用します(図1A)。
注:これらの手順は、円筒形の形状で腫瘍組織を模倣するファントムを準備するためのものです。その他の形状やサイズについては、適切な金型を選択してください。適切な金型が利用できない場合は、手順1.2で詳しく説明されているように、3次元(3D)印刷を使用して金型を製作します。
- ファントムの希望の形状と寸法に一致する金型を選択します。腫瘍領域がNPで均一に分布し、正常組織に囲まれた円筒形ファントムの場合、ガラスのペトリ皿と小さなビーカーを型8 として使用します(図1A)。
- 3Dプリントによる金型の作製
- CAD(Computer-aided Design)ソフトウェア(SolidWorks、Autodesk Inventor、CATIAなど)を使用して、目的の形状とサイズに合わせて3Dモデルを設計します。このプロトコルに従....
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結果
図6は、 図2に示すように、AuNRに埋め込まれた腫瘍組織ファントムをすべての熱電対位置で実験中に得られた時間平均温度と、対応する熱電対位置でのシミュレーション中に得られた温度を比較したものです。ここでは、各分布、つまりAuNRのIT分布とIV分布ごとに4回実験を行いました。実験中の室温は25°Cであったため、シミュレーションでも周囲温度は25°Cに保たれました。 図6A は、AuNRのIT分布の実験平均温度とシミュレーション温度の比較を示しています。 図6B は、AuNRのIV分布の実験平均温度とシミュレーション温度の比較を示しています。 図6A、Bから、IV分布はIT分布よりも温度上昇が低いことがわかります。これは.......
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ディスカッション
この論文では、光学ファントムを模倣したアガロースベースの腫瘍組織を調製するためのプロトコルを示します。ファントムは、PPTTの研究で使用するために、腫瘍と正常組織の光学特性を模倣するように設計されています。この研究では、PPTT中の数値法の検証にこれらのファントムを適用することに焦点を当てています。このプロトコルで最も重要なステップは、アガロースとILを含むファントム溶液の温度を、常に攪拌しながら60°Cに維持することです。温度が60°Cを超えると、ILの変性を引き起こし、調製したファントムの所望の光学特性が変化する可能性があります。逆に、温度が40°Cを下回ると、早期のゲル化が起こり、散乱成分(IL)および/または吸収成分(AuNR)の分布が不均一になる可能性がある18。
もう一つの重要な側面は、熱電対の正確な配置です。わずかな位置ずれ(ミリメートルスケール)でも、測定された温度上昇に大きな影響を与える可能性があります。これを防ぐために、ガラスキャピラリーを使用して.......
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開示事項
著者らには、開示すべき競合する利害関係はありません。
謝辞
この研究は、公的、商業的、または非営利の資金提供機関からの財政的支援なしに実施されました。著者らは、インドのチャンディーガルにあるCSIR-Central Scientific Instruments Organisationのインフラストラクチャとサポートに感謝しています。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アガロース | シグマ-アルドリッチ | 9012-36-6 | ファントム用ベースマトリックス脱 |
| イオン(DI)水(18.2 MΩ) | NA | NA | ファントム溶液の調製用溶媒 |
| 金ナノロッド (AuNR) | ナノパルツ | A12-10-808 | プラズモニックナノ粒子 |
| イントラリピッド (20% エマルジョンストック) | Sigma-Aldrich | 68890-65-3 | ファントムの散乱剤 |
| パラフィルム | パラフィルム M | 380020 | 円筒形モールドの底をシールする |
| ポリ乳酸フィラメント | eSun | NA | 金型用材質(φ1.75mm線) |
| <強力>設備名 < | strong>会社 | strongカタログ番号 | コメント/説明 |
| 3Dプリンター | Creality | Ender-3 | 金型印刷用 |
| データ収集(DAQ)システム | National Instruments | cDAQ-9171 | 温度記録用 |
| DI水ユニット | Merck Millipore | Direct-Q3 | 単調水用 |
| マグネチックスターラー付ホットプレート | IKA | C-MAG HS 4 | ファントム溶液調製用 |
| 近赤外光源 | NA(自社開発) | NA | ファントムのNIR照射用、(800/50 nm;中心波長:800 nm、帯域幅:50 nm) |
| 光ファイバー(1/2インチ× 12インチ) | エドモンドオプティクス | 38-659 | ファントムのNIR照射用 |
| タイプK熱電対 | RSコンポーネント | RS Pro 397-1589 | NIR照射中のさまざまなファントム位置での温度監視用 |
| 計量天秤 | Wensar | PGB 200 | アガロースの |
| ソフトウェアの名前 | 会社 | カタログ番号 | strongコメント/説明 |
| Autodesk Inventor 2021 | Autodesk | NA | 金型の機械設計用 |
| Cura 5.7 | Ultimaker | NA | 機械設計を3Dプリント用のGcodeに変換するため |
| Matlab R2024b | MathWorks | NA | 数値シミュレーションおよび温度データプロット |
| 使用したラボウェアの名前 | Company | カタログ番号 | コメント/Description |
| Beakers (50 mL) | Borosil | 1000D12 | forファントム溶液製剤 |
| ビーカー (10 mL) | ボロシル | 1000006 | ファントム溶液製剤用 |
| ピペット (100-1000 µL) | Eppendorf Research plus、1チャンネル、変数 | 3123 000 063 | ファントム溶液に成分を追加するため |
| ピペット(10-100 µL) | Eppendorf Research plus、1チャンネル、可変 | 3123 000 047 | ファントム溶液に成分を追加するため |
| スパチュラ | ボロシル | LASC8888M06 | アガロースの計量と金型からのファントムの離型用 |
| ヒント(100-1000 µL) | ターソンズ | 521016 | ファントム溶液に成分を追加するための |
| ヒント(10-100&マイクロ;L) | ターソンズ | 521010Y | トム溶液に成分を追加するため |
参考文献
- 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).
- Webb, J. A., Bardhan, R.
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再版と許可
