Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Plasmonische fotothermische kankertherapie: in nanodeeltjes ingebedde tumorweefsel-nabootsende fantomen voor het visualiseren van fotothermische temperatuurverdeling

1.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/67842

⸱

9 mei 2025

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

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel presenteert het protocol voor het voorbereiden van tumorweefselfantomen die optische eigenschappen repliceren voor plasmonische fotothermische therapie. Het beschrijft fantoomvoorbereiding, fotothermische evaluaties en validatie van het ontwikkelde numerieke model op basis van fotothermische temperatuurmetingen voor het beoordelen van therapeutische parameters, en biedt een ethisch, kosteneffectief alternatief voor in vivo studies voor voorbereidende tests.

Samenvatting

Plasmonische fotothermische therapie (PPTT), een opkomende kankerbehandeling, omvat het afleveren van nanodeeltjes (NP's) aan een tumor, gevolgd door nabij-infrarood (NIR) bestraling om plaatselijke warmte te genereren die kankercellen vernietigt. Alvorens PPTT toe te dienen, moeten de therapeutische parameters - NP-concentratie, bestralingsintensiteit en duur - worden geschat. Hiervoor worden numerieke simulaties uitgevoerd. Om een robuuste berekening te garanderen, moeten deze simulaties echter worden gevalideerd door middel van fotothermische experimenten met fantomen die tumorweefsel nabootsen en de optische eigenschappen van tumorweefsel repliceren. Voor PPTT worden de therapeutische parameters bepaald door de verstrooiing en absorptie van invallende straling door het weefsel en NP's. Daarom kunnen validatie-experimenten worden uitgevoerd op fantomen die de verminderde verstrooiingscoëfficiënt (μs') en absorptiecoëfficiënt (μa) van de doeltumor/het doelweefsel nabootsen.

In het bijzonder biedt dit protocol instructies voor het voorbereiden van fantomen die μs' en μa van borsttumor nabootsen die is geïnjecteerd met gouden nanostaafjes, omgeven door normaal borstweefsel. Het protocol beschrijft ook NIR-bestraling, temperatuurbewaking en validatie van numerieke resultaten door spatiotemporele temperaturen te vergelijken met die gemeten met behulp van thermokoppels. De protocollen die in deze studie werden gepresenteerd, vergemakkelijkten de bereiding van op hydrogel gebaseerde cilindrische borsttumorweefselfantomen met afmetingen (φ40 x 12 mm) en een centraal tumorgebied (φ20 x 6 mm), bestaande uit 1% agarose als de basismatrix en intralipide als het verstrooiingsbestanddeel en tumorgebied ingebed met gouden nanostaafjes bij een concentratie van 25 μg/ml. Representatieve resultaten van een casestudy illustreren de toepassing van gefabriceerde fantomen voor het valideren van numerieke simulaties voor PPTT. De studie concludeert dat de gedemonstreerde protocollen waardevol zijn voor het uitvoeren van fotothermische experimenten die gericht zijn op het optimaliseren en plannen van therapeutische parameters voorafgaand aan in vivo experimenten en het valideren van numerieke simulaties voor PPTT.

Inleiding

Plasmonische fotothermische therapie (PPTT) is een opkomende gelokaliseerde kankerbehandelingsmodaliteit waarbij nanodeeltjes (NP's) op de tumorplaats worden afgeleverd, gevolgd door bestraling met nabij-infrarood (NIR) straling. De NP's worden doorgaans toegediend via intratumorale (IT) of intraveneuze (IV) routes1. Bij NIR-bestraling leidt de plasmonische interactie van de invallende straling en NP's tot het genereren van plaatselijke warmte aan het oppervlak van de NP's, die vervolgens verdwijnt in het omringende tumorweefsel 2,3. Deze plaatselijke verwarming verhoogt de temperatuur in het tumorgebied, wat leidt tot dood van kankercellen door thermische ablatie 4,5. Effectieve kankerbehandeling kan worden bereikt door specifieke temperaturen te handhaven, zoals 46 ºC gedurende 1 uur6, 50-52 ºC gedurende 4-6 minuten7, of 60 ºC voor onmiddellijke schade8 via verschillende biologische processen.

Verschillende fotothermische middelen zijn onderzocht en gerapporteerd voor toepassing van fotothermische therapie, en hun therapeutische werkzaamheid is geëvalueerd door middel van in vitro of in vivo onderzoeken. Deze middelen omvatten organische materialen9 zoals nabij-infrarode kleurstoffen (bijv. Indocyanine Green, IR780, IR820), op polymeren gebaseerde fotothermische middelen (bijv. polydopamine) en anorganische materialen10, waaronder NP's op basis van edele metalen of plasmonische NP's (bijv. gouden NP's)11, overgangsmetaal zwavel/oxiden12 en MXenen13. Hiervan bieden plasmonische NP's, met name gouden NP's, verschillende voordelen ten opzichte van traditionele fotothermische middelen (bijv. kleurstoffen), zoals een betere fotothermische stabiliteit, een hogere fotothermische conversie-efficiëntie en een afstembare plasmonische respons door variaties in vorm en grootte10. Deze eigenschappen maken gouden NP's ideale kandidaten voor fotothermische therapie, waarvan sommige momenteel klinische proeven ondergaan14.

Om de therapeutische werkzaamheid te optimaliseren en te zorgen voor voldoende thermische schade van de tumor tijdens PPTT, is het essentieel om behandelingsparameters zoals NP-dosering (in termen van concentratie) en NIR-stralingsparameters (inclusief bestralingsintensiteit en -duur) te schatten vóór de preklinische/klinische toepassing van PPTT. Numerieke simulaties worden meestal gebruikt om deze parameters vast te stellen. Er zijn verschillende numerieke methoden ontwikkeld om thermische schade in tumorweefsel te beoordelen, waarbij de Boltzmann-methode met het rooster zo'n benadering is15,16. Om deze simulaties betrouwbaar te maken, moeten ze echter worden gevalideerd met behulp van weefselanalogen die bekend staan als weefselnabootsende fantomen. Deze fantomen kunnen worden voorbereid om de optische, thermische, biologische of mechanische eigenschappen van echte weefsels na te bootsen, en dienen als vervanging voor het uitvoeren van voorlopige tests, behandelingsevaluatie en validatie van nieuw ontwikkelde apparaten, materialen of methoden die bedoeld zijn voor biologische toepassingen17,18. Dit kan onnodig lijden van dieren of menselijke proefpersonen verminderen en ethische bezwaren in verband met dergelijke experimenten wegnemen19,20.

Het ontwerp en de fabricage van een fantoom zijn afhankelijk van de beoogde toepassing21. Tijdens fototherapieën zoals PPTT wordt de dosis invallende straling bijvoorbeeld beïnvloed door de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd of verstrooid door de NP's en weefsels22,23. Daarom worden optische fantomen die de optische eigenschappen nabootsen, met name de verminderde verstrooiingscoëfficiënt (μs') en absorptiecoëfficiënt (μa) van biologische weefsels, gebruikt voor PPTT-evaluaties en daaropvolgende validatie van numerieke simulaties24,25. Optische fantomen zijn doorgaans samengesteld uit drie hoofdbestanddelen: een basismatrix, verstrooiingsmiddelen en absorptiemiddelen17,26. De basismatrix houdt de verstrooiings- en absorptiecomponenten in geschikte concentraties om de gewenste optische eigenschappen te repliceren. Deze fantomen kunnen worden ingedeeld in vaste, vloeibare en halfvaste (hydrogel) fantomen, afhankelijk van het type basismatrix. Voor thermische therapeutische studies zoals PPTT hebben hydrogel-fantomen, met name fantomen op basis van agarose, de voorkeur vanwege hun biocompatibiliteit, verwaarloosbare inherente verstrooiing en absorptie, eenvoudig fabricageproces en flexibiliteit om in de gewenste vormen en maten te worden gegoten die overeenkomen met tumorgeometrieën19,22. Het belangrijkste is dat de bereide fantomen op basis van agarose kunnen worden gebruikt tot ~ 70-80 ºC bulktemperaturen, aangezien de smelttemperatuur van fantomen van het agarose-type ~ 80 ºC19 is. Voor PPTT, aangezien een temperatuurbereik van ~50-80 ºC voldoende is, kunnen dergelijke op agarose gebaseerde fantomen worden gebruikt voor op PPTT gebaseerde fotothermische evaluaties.

Er zijn verschillende op hydrogel gebaseerde weefselnabootsende fantomen ontwikkeld en gerapporteerd voor verschillende toepassingen. Mustari et al. ontwikkelden op agarose gebaseerde weefselnabootsende fantomen en toonden hun nut aan bij het valideren van een nieuw ontworpen optisch systeem18. In een andere studie werden weefsel-nabootsende thermochrome fantomen voorbereid om de mate van thermische schade te meten tijdens high-intensity focused ultrasound (HIFU) -therapie27. Op polyacrylamide gebaseerde weefselnabootsende fantomen zijn ook voorbereid om het cavitatie-effect tijdens op HIFU gebaseerde kankertherapie te analyseren28. Het doel van deze studie is het demonstreren van een stapsgewijze methode om tumorweefsel-nabootsende fantomen te fabriceren, samen met het protocol voor op fantomen gebaseerde fotothermische experimenten voor PPTT-evaluaties. Dit voorgestelde gedetailleerde protocol heeft tot doel de goedkeuring en reproduceerbaarheid van de fantoomvoorbereiding en de daaropvolgende op fantoom gebaseerde fotothermische experimenteermethoden te bevorderen voor het testen van de fotothermische prestaties van nieuw ontwikkelde nanostructuren, waardoor de numerieke simulaties worden gevalideerd en de planning van de voorbehandeling of de optimalisatie van therapeutische parameters van PPTT worden bevorderd. Dit artikel beschrijft een fantoomvoorbereidingsprotocol dat speciaal is ontworpen voor ondergrondse borsttumoren; Dezelfde stappen kunnen echter worden aangepast voor het fabriceren van verschillende soorten tumorweefsel (in verschillende vormen en maten) door de samenstelling van optische absorptie- en verstrooiingsmiddelen te veranderen. De gedemonstreerde weefsel-nabootsende fantoomgebaseerde fotothermische evaluaties zijn bijvoorbeeld gebruikt in eerder gerapporteerde onderzoeken om PPTT-simulaties te valideren voor ondergrondse onderarmtumor24, ondergrondse IDC25 en huidtumoren29.

Dit artikel beschrijft de voorbereidingsstappen van een optisch fantoom dat de μs' nabootst van een ondergrondse of onderhuidse borsttumor, met name invasief ductaal carcinoom (IDC), die zich 3 mm onder het huidoppervlak bevindt en omgeven is door normaal borstweefsel. Het fantoom heeft een cilindrische geometrie, bereid met behulp van agarose als basismatrix en intralipide (IL) als het verstrooiingsmiddel dat in geschikte concentraties wordt toegevoegd om μs' van normaal en kankerachtig borstweefsel na te bootsen. Agarose, een transparante hydrogel met verwaarloosbare verstrooiing en absorptie, is een ideale basismatrix voor optische fantomen18,30. Verder wordt IL, een 20% vetemulsie die de dubbellaagse structuur van celmembranen nabootst, veel gebruikt als verstrooiingsmiddel 31,32 en werd voor deze studie gekozen om de μs' van normaal en kankerachtig borstweefsel te repliceren. Het fantoom is ontworpen om een borsttumor (IDC) na te bootsen die is geïnjecteerd met gouden nanostaafjes (AuNR's) als plasmonische NP's, omgeven door normaal borstweefsel zonder AuNR's. Onder de verschillende gouden NP's die bij PPTT worden gebruikt, werden AuNR's geselecteerd voor deze studie vanwege hun sterke plasmonische respons in de NIR-regio en hun wijdverbreide gebruik in preklinische PPTT-onderzoeken, waaronder die met honden- en kattenpatiënten14. Het protocol demonstreert de bereiding van twee soorten fantomen: een met een tumor met AuNR-distributie zoals gezien bij IV-injectie en de andere met een tumor die de AuNR-distributie weerspiegelt die via IT-injectie wordt bereikt. Aan de hand van het fantoomvoorbereidingsprotocol worden de experimentele opstelling voor NIR-bestraling en de stappen voor het uitvoeren van fotothermische evaluaties op de fantomen beschreven. Ten slotte wordt een stap-voor-stap handleiding verstrekt voor het interpreteren van de temperatuurverdelingsresultaten die uit deze evaluaties zijn verkregen en voor het vergelijken van experimentele gegevens met numerieke simulatieresultaten. Deze vergelijking helpt bij het valideren van een ontwikkelde numerieke methode, waardoor optimale behandelingsparameters kunnen worden afgestemd die specifiek zijn afgestemd op een tumor.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

OPMERKING: De fantomen werden bereid met behulp van agarose en intralipid op basis van door de literatuur gerapporteerde samenstellingen om de gewenste optische eigenschappen te bereiken. Er werd geen echt biologisch weefsel van patiënten of kadavers gebruikt. Daarom is de voorbereiding van deze fantomen vrij van ethische beperkingen en vereist het geen geïnformeerde toestemming.

1. Selectie of fabricage van een geschikte mal

  1. . Selectie van een geschikte mal
    1. Kies een mal die past bij de gewenste vorm en afmetingen voor de fantomen. Voor cilindrische fantomen met een tumorgebied dat gelijkmatig is verdeeld met NP's en omgeven door normaal weefsel, gebruikt u een glazen petrischaaltje en een klein bekerglas als vorm8 (Figuur 1A).
      OPMERKING: Deze stappen zijn voor het voorbereiden van tumorweefsel-nabootsende fantomen in cilindrische meetkunde. Kies voor andere vormen of maten een geschikte mal. Als er geen geschikte mal beschikbaar is, fabriceer er dan een met behulp van driedimensionaal (3D) printen, zoals beschreven in stap 1.2.
  2. Fabricage van mal door 3D-printen
    1. Ontwerp een 3D-model met behulp van CAD-software (Computer-aided Design) (bijv. SolidWorks, Autodesk Inventor of CATIA) op basis van de gewenste vorm en grootte. Om dit protocol te volgen, ontwerpt u één holle cilinder (binnendiameter 40 mm, dikte 2 mm en hoogte 12 mm; zie aanvullend bestand 1) en twee massieve cilindrische maskeermallen (afmetingen φ20 x 6 mm en φ14 x 3 mm), zoals weergegeven in figuur 1B.
      1. Voor het ontwerpen/tekenen van holle cilinders maakt u in CAD-software twee cirkels met een diameter van 40 mm en 44 mm. Extrudeer vervolgens de geometrie voor 12 mm.
      2. Maak voor massieve cilindrische maskeermallen cirkels met een diameter van 20 mm en 14 mm en extrudeer vervolgens voor respectievelijk 6 mm en 3 mm (zie aanvullend bestand 2 en aanvullend bestand 3). Teken een rechthoek (zijden 44 mm en 5 mm) aan één kant van de cilinder en extrudeer deze gedurende 2 mm.
    2. Converteer de 3D-modellen naar Gcode-formaat met behulp van 3D-printercompatibele software (bijv. Cura) om te printen.
    3. Gebruik deze Gcode om de mallen te printen (bijv. hierin met polymelkzuur [PLA] φ1,75 mm, 1 kg eSun) met behulp van een 3D-printer.
      OPMERKING: De rechthoek wordt getekend om de maskeervormen op te hangen. Verschillende mallen kunnen worden ontworpen en vervaardigd om fantomen met andere gewenste vormen te bereiden.

2. Bereiding van tumorweefsel-nabootsende fantoomoplossingen25

OPMERKING: In deze studie worden op agarose gebaseerde optische fantomen met cilindrische geometrie die tumorweefsel nabootsen, voorbereid om te lijken op een ondergrondse borsttumor die is geïnjecteerd met AuNR's, via IT- of IV-injectie, zoals weergegeven in figuur 2. Het IT-fantoom heeft twee regio's: een centraal tumorgebied met AuNR's en een omringend normaal weefselgebied. Het IV fantoom heeft drie regio's: een tumorgebied met AuNR's aan de periferie van de tumor, een centraal kaal tumorgebied zonder AuNR's en een omringend normaal weefselgebied. Aangezien de optische eigenschappen (μa en μs') verschillen voor tumor en normaal weefsel, worden voor elk gebied met verschillende samenstellingen afzonderlijke fantoomoplossingen bereid en zullen deze afzonderlijk worden besproken.

  1. Bereiding van fantoomoplossing die normaal borstweefsel nabootst (oplossing 1)
    OPMERKING: Deze oplossing wordt gebruikt voor zowel IT- als IV-fantomen. De bereidingsstappen van oplossing 1 worden weergegeven in figuur 3A.
    1. Bereken het theoretische volume van de oplossing op basis van de afmetingen van de matrijs.
      OPMERKING: Hier is voor de cilindrische mal van φ40 x 12 mm het berekende volume 15 cm3 of 15 ml per fantoom. Omdat twee van dergelijke fantomen moeten worden voorbereid, is het totale volume 15 ml x 2, wat 30 ml is. Bereid daarom 35 ml van de oplossing voor om rekening te houden met verdamping of morsen tijdens de fantoombereidingsstap.
    2. Bereken de hoeveelheid (gewicht/concentratie/volume) van alle fantoombestanddelen - agarose (als basismateriaal) en IL (als verstrooiingsbestanddeel) - die aan de 35 ml oplossing moeten worden toegevoegd.
      1. Voeg 0,35 g agarose toe om 35 ml oplossing te bereiden, overeenkomend met een concentratie van 1% m/v.
      2. Schat de IL-concentratie die overeenkomt met de gewenste μs' van normaal borstweefsel (d.w.z. 10,1 cm-1 33) op basis van de IL-concentratie versus μs' -gegevens die beschikbaar zijn in de literatuur. Bereken vervolgens het volume IL (20% emulsiemateriaal) dat aan de fantoomoplossing moet worden toegevoegd met behulp van vergelijking (1):
        figure-protocol-1(1)
        Waarbij C1 en V1 respectievelijk de concentratie van de reagensvoorraad (hier 20% IL-voorraad) en het volume van de toe te voegen reagensoplossing zijn (hier moet het worden berekend). C2 is de vereiste concentratie van het reagens (te verkrijgen uit de literatuur) in de uiteindelijke werkoplossing en V2 is het totale volume van de uiteindelijke werkoplossing (hier 35 ml).
        OPMERKING: Hier, voor μs' van 10.1 cm-1, is de IL-concentratie geschat op basis van de gerapporteerde literatuur 1.04%34,35. Met behulp van de bovenstaande stappen is het volume IL (20% IL-voorraad) dat moet worden toegevoegd 1,82 ml.
    3. Weeg 0,35 g agarose af en voeg dit toe aan 33,18 ml gedeïoniseerd (DI) water in een bekerglas. Dek het bekerglas af met aluminiumfolie om waterverlies te voorkomen.
    4. Verwarm het bekerglas met de oplossing al roerend op een hete plaat bij 120 °C tot de oplossing transparant wordt.
    5. Verlaag de temperatuur van de kookplaat naar 60 ºC. Voeg na 15 minuten al roerend 1,82 ml IL toe. Bewaar de resulterende oplossing, oplossing 1, onder roeren bij 60 ºC tot gebruik (klaar om te gieten).
      OPMERKING: De fantoomoplossing bij 60 ºC moet onder roeromstandigheden worden bewaard. Anders leidt het tot het stollen van de oplossing.
  2. Bereiding van in AuNR ingebedde tumorfantoomoplossing (oplossing 2)
    OPMERKING: Deze oplossing wordt gebruikt voor zowel IT- als IV-fantomen. De bereidingsstappen van oplossing 2 worden weergegeven in figuur 3B.
    1. Bereken het volume van het te vullen tumorgebied (φ20 x 6 mm).
      OPMERKING: Het geschatte volume voor twee van dergelijke tumorfantomen is 3,8 ml. Het te bereiden oplossingsvolume zou dus 4,5 ml zijn.
    2. Bereken de hoeveelheid tumorfantoombestanddelen die moeten worden toegevoegd - agarose, IL en AuNR's - met behulp van vergelijkbare stappen als vermeld in paragraaf 2.1.
      1. Voeg 45 mg toe om 4,5 ml oplossing te bereiden, overeenkomend met een concentratie van 1% g/v.
      2. IL:μs' van de borsttumor is 4,6 cm-1 33 en om hetzelfde na te bootsen, is de overeenkomstige IL-concentratie die nodig is 0,472%34,35. Voeg daarom 106,2 μL IL van 20% IL-voorraad toe aan 4,5 ml tumorfantoomoplossing.
      3. De gewenste concentratie van AuNR's in het fantoom is 25 μg/ml. Om hetzelfde te bereiken, voegt u 3,21 ml AuNRs-oplossing (voorraadconcentratie: 35 μg/ml) toe aan de tumorfantoomoplossing.
    3. Voeg 45 mg agarose toe aan 1,18 ml gedemineraliseerd water in een bekerglas en dek af met aluminiumfolie.
    4. Plaats het bekerglas op een hete plaat en roer bij 120 ºC tot de oplossing transparant wordt.
    5. Verlaag de temperatuur van de kookplaat tot 60 ºC en laat de oplossing 15 minuten staan.
    6. Voeg 106,2 μl IL en 3,21 ml AuNR-suspensie (35 μg/ml) onder roeromstandigheden toe. Bewaar de resulterende oplossing, oplossing 2, onder roeren bij 60 ºC tot het gieten.
  3. Preparaat van blote tumor (zonder AuNRs) fantoomoplossing (Oplossing 3)
    OPMERKING: Deze oplossing wordt alleen gebruikt voor IV-fantoom. De bereidingsstappen van oplossing 2 worden weergegeven in figuur 3C.
    1. Bereken het theoretische volume van de suspensie die moet worden toegevoegd om een kaal tumorgebied te creëren (~ φ20 x 6 mm).
      OPMERKING: Het geschatte volume voor tumorfantomen is 1,9 ml. Het te bereiden oplossingsvolume zou dus 2,5 ml zijn.
    2. Bereken de hoeveelheid tumorfantoombestanddelen die moeten worden toegevoegd - agarose en IL - met behulp van vergelijkbare stappen als vermeld in paragraaf 2.1.
      1. Voeg 25 mg agarose toe om 2,5 ml oplossing te bereiden om een concentratie van 1% g/v te bereiken.
      2. IL:μs' van de borsttumor is 4,6 cm-1 33 en om hetzelfde na te bootsen, is de overeenkomstige IL-concentratie die nodig is 0,472%34,35. Voeg 59 μL 20% IL bouillon toe.
    3. Voeg 25 mg agarose toe aan 2,44 ml gedemineraliseerd water in een bekerglas en dek af met aluminiumfolie.
    4. Plaats het bekerglas op een hete plaat en roer bij 120 ºC tot de oplossing transparant wordt.
    5. Verlaag de temperatuur van de kookplaat tot 60 ºC en laat de oplossing 15 minuten staan.
    6. Voeg onder roeromstandigheden 59 μl IL toe aan de oplossing. Bewaar de resulterende oplossing, oplossing 3, onder roerende omstandigheden bij 60 ºC tot het gieten.

3. Preparaat van tumorweefsel-nabootsend fantoom 24,25,36

  1. Bereid de mallen voor op de gietstap. Sluit hiervoor de bodem van de cilindrische mallen af met parafilm en plaats de maskeermal (φ20 x 6 mm) in het midden.
  2. Giet Oplossing 1 in de cilindrische vormen tot aan de bovenste markering van de maskeervorm en laat het stollen (Figuur 4A).
  3. Verwijder na het stollen de maskeervorm om een holte voor het tumorgebied te creëren (Figuur 4B).
    OPMERKING: Het protocol is hetzelfde voor zowel IT- als IV-fantomen tot stap 3.3. Het proces wordt na stap 3.3 apart besproken voor IT- en IV-fantomen.
  4. IT-fantoom 24,25,36
    1. Vul de holte met Oplossing 2 en laat deze stollen (Figuur 4C).
    2. Voeg Oplossing 1 toe aan de bovenkant van het fantoom en laat het volledig stollen (Figuur 4D).
  5. IV fantoom24,25
    1. Plaats een kleinere maskeervorm (φ14 x 3 mm) en vul de holte eromheen met Oplossing 2 (Figuur 4E).
    2. Verwijder na het stollen de kleinere vorm en vul de resterende holte met Oplossing 3 (Figuur 4F).
    3. Voeg Oplossing 1 toe aan de bovenkant en laat volledige stolling toe (Figuur 4G).

4. Inbrengen van de thermokoppels in het fantoom 24,25,36

OPMERKING: Om de ruimtelijke temperatuurverdeling te bewaken, worden thermokoppels van het type K op verschillende radiale (r) en axiale (z) locaties in het fantoom geplaatst, zoals geïllustreerd in afbeelding 2. Voor het inbrengen van thermokoppels op nauwkeurige locaties worden glazen capillairen gebruikt als geleiders om precisie te garanderen. De thermokoppellocaties worden aangeduid als (r, z), waarbij het middelpunt op het bovenoppervlak van de tumor op diepte z = 3 mm dient als referentiepunt voor zowel IT- als IV-fantomen en wordt aangeduid als (0, 3), zoals weergegeven in figuur 2A,B. Bij het selecteren van radiale en axiale locaties om thermische schade in het tumorgebied te kwantificeren, zijn de locaties aan de periferie van de tumor (zowel radiaal als axiaal) van cruciaal belang. Het bereiken van de vereiste temperaturen op deze perifere punten tijdens NIR-bestraling zorgt voor volledige tumorablatie. De thermokoppels worden dus geplaatst op radiale uiterste punten (van de tumor) op z = 3 en 9 mm, d.w.z. (10, 3) en (10, 9), en één thermokoppel wordt geplaatst op het grensvlak tussen tumor en weefsel op z = 9 mm (perifere axiale locatie), d.w.z. (0, 9) zoals weergegeven in figuur 2A,B. Om de axiale temperatuurverdeling te beoordelen, wordt bovendien een thermokoppel ingevoegd tussen de locaties (0, 3) en (0, 9), aangeduid als (0, 6). Om de temperatuurstijging in het omliggende gezonde weefselgebied te beoordelen, wordt ten slotte één thermokoppel ingebracht bij (15, 3).

  1. Snijd de glazen capillairen op de juiste lengte, zodat deze de gewenste radiale en axiale locaties in het fantoom bereiken.
  2. Plaats thermokoppels in deze glazen capillairen en prik één voor één op gespecificeerde radiale en axiale fantoomlocaties.
  3. Zodra alle thermokoppels op hun plaats zitten, plaatst u het fantoom voorzichtig in een glazen petrischaaltje voor daaropvolgende NIR-bestraling, zoals weergegeven in afbeelding 5A.

5. Blootstelling aan NIR-bestraling en meting van de resulterende fotothermische temperaturen36

  1. Plaats de glazen petrischaal met het fantoom (ingebracht met thermokoppels) zo dat het centrale gebied van het bovenoppervlak van het fantoom loodrecht staat op de punt van de optische vezel van de NIR-lichtbron, zoals weergegeven in afbeelding 5A.
    OPMERKING: De straaldiameter op het fantoomoppervlak kan worden aangepast door de afstand tussen het oppervlak en de optische vezelpunt te wijzigen. Hier wordt een afstand van 9 mm aangehouden om een bundeldiameter van 20 mm te bereiken, die het centrale tumorgebied bedekt.
  2. Sluit het Data Acquisition (DAQ) systeem aan op de computer en open de LabVIEW-software.
  3. Schakel de NIR-lichtbron (Figuur 5B) en de afspeelknop in de software tegelijkertijd in om temperatuurgegevens op te nemen aan het begin van de bestraling.
  4. Bestraal het fantoom gedurende 20 minuten, schakel vervolgens de NIR-lichtbron uit en stop de opname.
  5. Zet de geregistreerde temperatuur- versus tijdgegevens uit.

6. Temperatuurvergelijking met simulatieresultaten24,25

OPMERKING: Experimenten worden over het algemeen herhaald en de temperaturen worden op gezette tijden op alle thermokoppellocaties geregistreerd. Voor validatie worden de volgende stappen uitgevoerd:

  1. Bereken het gemiddelde en de standaarddeviatie van de experimentele temperaturen op alle thermokoppellocaties (r, z).
  2. Bereken de temperaturen op de beschouwde thermokoppellocaties numeriek.
  3. Grafiek van de gemiddelde temperatuur verkregen uit de experimenten en temperatuur verkregen door simulatie op alle thermokoppellocaties met betrekking tot de tijd, weergegeven in figuur 6.
  4. Bereken de gemiddelde vierkante fout (RMSE) en de gemiddelde absolute fout (MAE) voor alle thermokoppellocaties om het temperatuurverschil te kwantificeren om de validatie te beoordelen, zoals weergegeven in tabel 1.
    OPMERKING: MAE en RMSE worden berekend met behulp van respectievelijk vergelijking 2 en 3.
    figure-protocol-2(2)
    figure-protocol-3(3)
    Waarbij TE, TS en N respectievelijk de temperatuur zijn die experimenteel is verkregen, de temperatuur numeriek is berekend en het aantal gegevenspunten (hier worden de temperaturen elke seconde gedurende 20 minuten geregistreerd; dus = 1.200). I vertegenwoordigt tijdogenblikken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 6 toont de tijdsgemiddelde temperaturen verkregen tijdens experimenten met een AuNR-ingebed tumorweefselfantoom op alle thermokoppellocaties, zoals weergegeven in figuur 2, vergeleken met de temperaturen verkregen tijdens simulaties op overeenkomstige thermokoppellocaties. Hier werden de experimenten 4x uitgevoerd voor elke verdeling, d.w.z. IT- en IV-verdelingen van AuNR's. Tijdens de exp...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel presenteert het protocol voor de bereiding van op agarose gebaseerd tumorweefsel dat optische fantomen nabootst. De fantomen zijn zo ontworpen dat ze de optische eigenschappen van tumoren en normale weefsels nabootsen voor gebruik in onderzoeken naar PPTT. In deze studie wordt de toepassing van deze fantomen voor de validatie van numerieke methoden tijdens PPTT belicht. De meest kritische stap in dit protocol is het handhaven van de temperatuur van de fantoomoplossingen die a...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen concurrerende belangen om bekend te maken.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd uitgevoerd zonder enige financiële steun van publieke, commerciële of non-profit financieringsinstanties. De auteurs erkennen CSIR-Central Scientific Instruments Organisation, Chandigarh, India, voor infrastructuur en ondersteuning.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AgaroseSigma-Aldrich9012-36-6Basismatrix voor phantoms
Deionized (DI) water (18.2 MΩ) NANAOplosmiddel voor de bereiding van phantomoplossingen
Gold nanorods (AuNRs)NanopartzA12-10-808Plasmonische nanodeeltjes
Intralipid (20% emulsie stock)Sigma-Aldrich68890-65-3Verstrooiingsmiddel van phantoms
ParafilmParafilm M380020Om de bodem van de cilindrische mal te verzegelen
Polylactic acid filamenteSunNAMateriaal voor malsen (1,75 mm dia draad)
Naam van apparatuur BedrijfCatalogusnummerOpmerkingen/Beschrijving
3D-printerCrealityEnder-3Voor het afdrukken van malsen
Data-acquisitie (DAQ) systeemNational InstrumentscDAQ-9171Voor het vastleggen van temperaturen
DI-watereenheidMerck MilliporeDirect-Q3Voor DI-water
Hotplate met magnetische roerderIKAC-MAG HS 4Voor de bereiding van phantomoplossingen
NIR-lichtbronNA (zelf ontwikkeld) NAVoor NIR-bestraling van phantoms, (800/50 nm; Middengolflengte: 800 nm, Bandbreedte: 50 nm)
Optische vezel (1/2" × 12")Edmund Optics38-659Voor NIR-bestraling van phantoms
Type K thermokoppelsRS ComponentsRS Pro 397-1589Voor temperatuurbewaking op verschillende phantomlocaties tijdens NIR-bestraling
WeegschaalWensarPGB 200Voor het wegen van agarose
Naam van softwareBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen/Beschrijving
Autodesk Inventor 2021AutodeskNAVoor mechanisch ontwerp van malsen
Cura 5.7UltimakerNAVoor het converteren van mechanisch ontwerp naar Gcode voor 3D-printen
Matlab R2024bMathWorksNAVoor numerieke simulaties en temperatuurgegevensplots
Naam van gebruikte laboratoriumartikelenBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen/Beschrijving
Bekers (50 mL)Borosil1000D12Voor het bereiden van phantomoplossingen
Bekers (10 mL)Borosil1000006Voor het bereiden van phantomoplossingen
Pipet (100-1000 µL)Eppendorf Research plus, 1-kanaals, variabel3123 000 063Voor het toevoegen van bestanddelen aan de phantomoplossing
Pipet (10-100 µL)Eppendorf Research plus, 1-kanaals, variabel3123 000 047Voor het toevoegen van bestanddelen aan de phantomoplossing
SpatelBorosilLASC8888M06Voor het wegen van agarose en het ontvormen van de phantoms uit de malsen
Tips (100-1000 µL)Tarsons521016Voor het toevoegen van bestanddelen aan de phantomoplossing
Tips (10-100 µL)Tarsons521010YVoor het toevoegen van bestanddelen aan de phantomoplossing

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Plasmonische fotothermische therapiegoudnanostaafjestumorweefselfantoomnabij-infraroodbestralingnumerieke simulatievalidatienanodeeltjesconcentratiethermokoppelmonitoringhydrogelfantoomoptische eigenschappen
Plasmonische fotothermische kankertherapie: in nanodeeltjes ingebedde tumorweefsel-nabootsende fantomen voor het visualiseren van fotothermische temperatuurverdeling
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.