이 논문은 플라즈몬 광열 요법을 위해 광학적 특성을 복제하는 종양 조직 팬텀을 준비하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 백서는 팬텀 준비, 광열 평가 및 치료 매개변수를 평가하기 위한 광열 온도 측정을 기반으로 개발된 수치 모델의 검증에 대해 자세히 설명하며, 예비 테스트를 위한 생체 내 연구에 대한 윤리적이고 비용 효율적인 대안을 제공합니다.
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방법 논문
플라즈모닉 광열 암 치료: 광열 온도 분포 시각화를 위한 나노 입자 내장 종양 조직 모방 팬텀
* These authors contributed equally
이 논문에서
요약
초록
새로운 암 치료법인 플라즈몬 광열 요법(PPTT)은 나노 입자(NP)를 종양에 전달한 다음 근적외선(NIR) 조사를 통해 암세포를 파괴하는 국소 열을 생성하는 것입니다. PPTT를 투여하기 전에 NP 농도, 조사 강도 및 지속 시간과 같은 치료 매개변수를 추정해야 합니다. 이를 위해 수치 시뮬레이션이 수행됩니다. 그러나 강력한 계산을 보장하기 위해서는 종양 조직의 광학적 특성을 복제하는 종양 조직 모방 팬텀에 대한 광열 실험을 통해 이러한 시뮬레이션을 검증해야 합니다. PPTT의 경우, 치료 매개변수는 조직과 NP에 의한 입사 방사선의 산란 및 흡수에 의해 제어됩니다. 따라서 표적 종양/조직의 감소된 산란 계수(μs') 및 흡수 계수(μa)를 모방한 팬텀에 대한 검증 실험을 수행할 수 있습니다.
특히, 이 프로토콜은 정상 유방 조직으로 둘러싸인 금 나노막대가 주입된 유방 종양의 μ 및 μ 모방한 팬텀을 준비하기 위한 지침을 제공합니다. 이 프로토콜은 또한 NIR 조사, 온도 모니터링 및 시공간 온도를 열전대를 사용하여 측정한 온도와 비교하여 수치 결과 검증에 대해 자세히 설명합니다. 이 연구에서 제시된 프로토콜은 치수(φ40 x 12mm) 및 중심 종양 영역(φ20 x 6mm)을 가진 하이드로겔 기반 원통형 유방 종양 조직 팬텀의 준비를 촉진했으며, 1% 아가로스를 기본 매트릭스로, 산란 구성 성분으로 지질 내를 포함하며 25μg/mL 농도의 금 나노로드가 내장된 종양 영역을 포함합니다. 사례 연구의 대표적인 결과는 PPTT에 대한 수치 시뮬레이션을 검증하기 위해 제작된 팬텀의 적용을 보여줍니다. 이 연구는 입증된 프로토콜이 생체 내 실험 전에 치료 매개변수를 최적화 및 계획하고 PPTT에 대한 수치 시뮬레이션을 검증하는 것을 목표로 하는 광열 실험을 수행하는 데 유용하다는 결론을 내렸습니다.
서론
플라즈몬 광열 요법(PPTT)은 나노 입자(NP)를 종양 부위에 전달한 다음 근적외선(NIR) 방사선을 조사하는 새로운 국소 암 치료 방식입니다. NP는 일반적으로 종양내(IT) 또는 정맥내(IV) 경로1을 통해 투여됩니다. NIR 조사 시, 입사 방사선과 NP의 플라즈몬 상호 작용은 NP 표면에서 국부적 인 열을 생성 한 다음 주변 종양 조직으로 소멸합니다 2,3. 이러한 국부적인 가열은 종양 부위의 온도를 상승시켜 열 절제를 통해 암세포를 사멸시킵니다 4,5. 효과적인 암 치료는 다양한 생물학적 과정을 통해 46ºC에서 1시간6분, 50-52ºC에서 4-6분7 또는 60ºC에서 즉각적인 손상8과 같은 특정 온도를 유지함으로써 달성할 수 있다.
광열 요법 응용을 위해 다양한 광열제제가 연구되고 보고되었으며....
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프로토콜
참고: 팬텀은 원하는 광학적 특성을 달성하기 위해 문헌에 보고된 조성을 기반으로 아가로스 및 지질내를 사용하여 제조되었습니다. 환자나 시체의 실제 생체 조직은 사용하지 않았다. 따라서 이러한 팬텀의 준비는 윤리적 제약에서 자유롭고 정보에 입각한 동의를 필요로 하지 않습니다.
1. 적합한 금형의 선택 또는 제작
- . 적합한 금형 선택
- 팬텀의 원하는 형상 및 치수와 일치하는 금형을 선택합니다. 종양 영역이 NP로 균일하게 분포되어 있고 정상 조직으로 둘러싸인 원통형 팬텀의 경우, 유리 페트리 접시와 작은 비커를 금형8 로 사용합니다(그림 1A).
참고: 이 단계는 원통형 형상에서 종양 조직 모방 팬텀을 준비하기 위한 것입니다. 다른 모양이나 크기의 경우 적절한 금형을 선택합니다. 적합한 금형을 사용할 수 없는 경우 1.2단계에 설명된 대로 3차원(3D) 프린팅을 사용하여 금형을 제작합니다.
- 팬텀의 원하는 형상 및 치수와 일치하는 금형을 선택합니다. 종양 영역이 NP로 균일하게 분포되어 있고 정상 조직으로 둘러싸인 원통형 팬텀의 경우, 유리 페트리 접시와 작은 비커를 금형8 로 사용합니다(그림 1A).
- 3D 프린팅을 통한 금형 제작
- CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어(예: SolidWorks, Autodesk Inventor ....
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결과
그림 6은 그림 2와 같이 모든 열전대 위치에서 AuNR이 포함된 종양 조직 팬텀을 사용하여 실험하는 동안 얻은 시간적 평균 온도를 해당 열전대 위치에서 시뮬레이션 중에 얻은 온도와 비교하여 보여줍니다. 여기서, 실험은 각 분포, 즉 AuNR의 IT 및 IV 분포에 대해 4x 수행되었습니다. 실험 중 실내 온도는 25ºC였습니다. 따라서 시뮬레이션을 위해 주변 온도를 25ºC로 유지했습니다. 그림 6A는 AuNR의 IT 분포에 대한 실험 평균 온도와 시뮬레이션된 온도를 비교한 것입니다. 그림 6B는 AuNR의 IV 분포에 대한 실험 평균 온도와 시뮬레이션된 온도 간의 비교를 보여줍니다. 그림 6A,B에서 I.......
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토론
이 논문은 광학 팬텀을 모방한 아가로스 기반 종양 조직의 준비를 위한 프로토콜을 제시합니다. 팬텀은 PPTT 연구에 사용하기 위해 종양과 정상 조직의 광학적 특성을 모방하는 방식으로 설계되었습니다. 이 연구에서는 PPTT 동안 수치 방법의 검증을 위한 이러한 팬텀의 적용을 강조합니다. 이 프로토콜에서 가장 중요한 단계는 아가로스와 IL을 함유한 팬텀 용액의 온도를 일정한 교반 하에 60ºC로 유지하는 것입니다. 온도가 60ºC를 초과하면 IL 변성이 발생하여 준비된 팬텀의 원하는 광학 특성이 변경될 수 있습니다. 반대로, 온도가 40ºC 미만으로 떨어지면 조기 겔화가 발생하여 산란 성분 (IL) 및 / 또는 흡수 성분 (AuNR) 18의 불균일 한 분포가 발생할 수 있습니다.
또 다른 중요한 측면은 열전대의 정확한 배치입니다. 밀리미터 단위의 사소한 잘못된 배치조차도 측정된 온.......
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공개 사항
저자는 공개할 경쟁 이해관계가 없습니다.
감사의 글
이 연구는 공공, 상업 또는 비영리 자금 지원 기관의 재정적 지원 없이 수행되었습니다. 저자는 인도 찬디가르에 소재한 CSIR-Central Scientific Instruments Organization의 인프라와 지원에 감사를 표한다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 아가로스 | 시그마-알드리치 | 9012-36-6 | 팬텀용 기본 매트릭스 |
| 탈이온수(DI) (18.2 MΩ) | NA | 팬텀 용액 제조용 용제 | |
| 금 나노 막대 (AuNR) | Nanopartz | A12-10-808 | 플라즈몬 나노 입자 |
| Intralipid (20 % 에멀젼 스톡) | Sigma-Aldrich | 68890-65-3 | 팬텀의 산란제 |
| Parafilm Parafilm | M | 380020 | 원통형 몰드 폴리 락트산 필라멘트의 바닥을 밀봉하기 위해 |
| eSun | 금형용 NA 재질(직경 1.75mm 와이어) | ||
| <강함>장비 이름 | Company | 카탈로그 번호 | 설명/설명 |
| 3D 프린터 | Creality | Ender-3 | 금형 인쇄용 |
| 데이터 수집(DAQ) 시스템 | National Instruments | cDAQ-9171 | 온도 기록용 |
| DI water unit | Merck Millipore | Direct-Q3 | DI 워터 |
| 용 마그네틱 교반기가 있는 핫 플레이트 | IKA | C-MAG HS 4 | 팬텀 용액 준비용 |
| NIR 광원 | NA (자체 개발) | NA | 팬텀의 NIR 조사의 경우, (800/50 nm; 중심 파장: 800 nm, 대역폭: 50 nm) |
| Optical Fiber (1/2" × 12") | Edmund Optics | 38-659 | 팬텀의 NIR 조사용 |
| K형 열전대 | RS 구성 요소 | RS Pro 397-1589 | NIR 조사 중 다양한 팬텀 위치에서의 온도 모니터링용 |
| Weighing Balance | Wensar | PGB 200 | 아가로스 |
| 소프트웨어 이름 | Company | 카탈로그 번호 | Comments/Description |
| Autodesk Inventor 2021 | Autodesk | NA | 금형 기계 설계용 |
| Cura 5.7 | Ultimaker | NA | 3D 프린팅을 위해 기계 설계를 Gcode로 변환하기 위해 |
| Matlab R2024b | MathWorks | NA 수치 시뮬레이션 및 온도 데이터 플롯 | |
| 사용된 실험실 이름 | Company | 카탈로그 번호 | Comments/Description |
| Beakers (50 mL) | Borosil | 1000D12 | 용 팬텀 용액 제제 |
| 비커(10mL) | Borosil | 1000006 | 팬텀 용액 제제용 |
| 피펫(100-1000 &마이크로; L) | Eppendorf Research plus, 1-channel, variable | 3123 000 063 | 팬텀 용액에 성분 추가용 |
| Pipette (10-100 µ L) | Eppendorf Research plus, 1-channel, variable | 3123 000 047 | 팬텀 용액에 성분 추가 |
| Spatula | Borosil | LASC8888M06 | 아가로스 칭량 및 금형에서 팬텀 탈형 |
| Tips (100-1000 µ L) | Tarsons | 521016 | 팬텀 솔루션에 성분을 추가하기 위한 |
| 팁 (10-100 &마이크로; L) | Tarsons | 521010Y | 팬텀 솔루션에 구성 요소를 추가하기 위해 |
참고문헌
- 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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재인쇄 및 허가
