De routinematige meting van stralingsdoses kan klinisch een uitdaging zijn vanwege beperkingen met conventionele dosismeters die worden gebruikt om de dosisopname van externe ioniserende straling te meten. In een nieuwe studie, Karthik Pushpavanam en een interdisciplinair team van onderzoekers van de afdelingen Chemical Engineering, Moleculaire Wetenschappen, Banner MD Anderson Cancer Center en Arizona Veterinary Oncology in de VS hebben een nieuwe op gel gebaseerde nanosensor beschreven. De technologie maakt colorimetrische detectie en kwantificering van topografische stralingsdosisprofielen tijdens radiotherapie mogelijk.

Bij blootstelling aan ioniserende straling, de wetenschappers zetten goudionen in de gel om in gouden nanodeeltjes (AuNP's), vergezeld van een visuele verandering in gelkleur als gevolg van plasmonische eigenschappen. Ze gebruikten de intensiteit van de kleur gevormd in de gel als een kwantitatieve reporter voor ioniserende straling en gebruikten eerst de gel-nanosensor om complexe topografische dosispatronen te detecteren na toediening aan antropomorfe fantoommodellen, gevolgd door toepassingen met levende hondenpatiënten die klinische radiotherapie ondergaan. Het gemak van fabricage, operatie, snelle uitlezing, colorimetrische detectie en relatief lage kosten van de technologie impliceerden translationeel potentieel voor topografische dosismapping tijdens klinische radiotherapietoepassingen. Het onderzoekswerk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Vooruitgang in bestralingstherapie heeft geleid tot opmerkelijke verfijning en state-of-the-art planningssoftware om hoge conforme stralingsdoses aan patiënten te leveren voor een betere kwaliteit van leven na de behandeling. Tijdens radiotherapie, een hoge dosis wordt typisch afgeleverd aan een doeltumor, terwijl de stralingsdosis die aan omringend weefsel wordt afgegeven, wordt geminimaliseerd. Tijdens palliatieve zorg krijgen patiënten grotere fractionele doses toegediend om de behandeling binnen een kort tijdsbestek af te ronden. Echter, softwarefouten tijdens dergelijke procedures kunnen leiden tot overdosering en daaropvolgende morbiditeit.

Om onbedoelde overbelichting tot een minimum te beperken, onderzoekers proberen onafhankelijk de stralingsdosis te verifiëren die bij of nabij het doelweefsel wordt afgegeven voor geavanceerde patiëntveiligheid. Technisch gezien, zowel moleculaire als nanosensoren kunnen de limieten van conventionele systemen overwinnen om praktische alternatieven te vormen als gemakkelijke sensoren. Echter, hun bestaande limieten moeten worden aangepakt en verlicht om robuuste en effectieve sensoren te ontwikkelen die kwantitatief en kwalitatief de topografische dosisprofielen bepalen tijdens klinische radiotherapie.

Omdat gouden nanodeeltjes (AuNP's) unieke fysieke en chemische eigenschappen hebben die een uitstekend platform bieden om sensoren te ontwikkelen. Pushpavanam et al. ontwierp een colorimetrische sensor waarbij ioniserende straling AuNP-vorming veroorzaakte uit kleurloze zoutprecursoren. De vorming van een op gel gebaseerde nanosensor kan eenvoudige hantering en toepassingen tijdens klinische radiotherapie mogelijk maken.

In het huidige werk, het team demonstreerde colorimetrische detectie en kwantificering van dosisverdelingsprofielen met behulp van een gel-nanosensor om stralingsdoses langs weefseloppervlakken topografisch in kaart te brengen. Tijdens preklinische evaluaties, het team diende de gel-nanosensortechnologie toe bij levende hondenpatiënten die radiotherapie ondergaan. In totaal, de resultaten gaven de reikwijdte aan van de technologie voor klinische vertaling bij menselijke patiënten en het vermogen om topografische doses te bepalen om behandelingen te plannen en doseringen te verifiëren tijdens kankerradiotherapie.

Tijdens de experimenten, de omzetting van goudionen in nanodeeltjes ging gepaard met een kastanjebruine kleurontwikkeling in het bestraalde gebied van de gel-nanosensor. Hoewel goud in het algemeen in een driewaardige staat bestaat (AuCl ₄ ^- ) het kan worden teruggebracht tot een metastabiele +1 valentietoestand (AuBr ₂ ^- ) bij kamertemperatuur met behulp van ascorbinezuur (vitamine C). De bestraling van gels met therapeutische stralingsniveaus stimuleerde radiolyse of de splitsing van watermoleculen in zeer reactieve vrije radicalen. De door radiolyse gegenereerde gehydrateerde elektronen reduceerden op hun beurt eenwaardig goud om goudatomen te vormen in zijn nulwaardige toestand (Au ⁰ ) die kiemden en rijpten tot kastanjebruin gekleurde AuNP's. De intensiteit varieerde met de stralingsdosis en het team gebruikte het bereik van lineaire reacties om de gel-nanosensor te kalibreren. Op basis van dit principe, Pushpavanam et al. bepaalde de respons van de volledig bestraalde gels om de absorptie met stralingsdosis te kalibreren.

To determine intensity of the color and dose delivered within gels after irradiation, the researchers used absorbance spectroscopy and observed a decrease in the spectral profile width, with increasing radiation dose for decreased polydispersity (ratio of the percentage of the standard deviation to the average value) of the nanoparticles. The peak absorbance intensity increased with increasing radiation dose to corroborate the observed increase in color intensity.

To understand the gel nanosensor's ability to detect topographical distribution of the radiation dose, the scientists irradiated half of the gel nanosensor with a 4 gray (Gy) dose. The maroon-color only appeared in the irradiated area confirming AuNP formation, but after one hour of exposure, the color bled into the irradiated region showing loss of topographic information in the gel with time. The team observed the phenomenon to arise from reaction-controlled conditions and not based on the gel composition. By incubating the gel with sodium sulfide (Na ₂ S) for 10 minutes, they suppressed the color bleed-over and reasoned that to the ability to quench unreacted gold ions in the nonirradiated region and preserve dose information accurately for dose visualization and dosimetry. The scientists adopted the sensor for wide dose ranges by modulating the time of Na ₂ S addition; to achieve a level of flexibility hitherto unavailable in clinical dose detection systems.

The research team then used the gel nanosensor to visualize diverse topographical radiation patterns, where the intensity of the color increased with increasing dose while preserving topographical integrity. As proof of concept, they showed the gel nanosensor's ability to detect complex radiation patterns with a model dose patterned to form "ASU" (after Arizona State University). Then using transmission electron microscopy (TEM), the scientists characterized the generated gold nanoparticles as a function of dose to observe reduced average nanoparticle diameter and polydispersity at higher doses of radiation. They followed this with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) to detect higher yields of AuNPs in the irradiated regions of the gel nanosensor as expected.

To investigate translational potential of the gel nanosensor and predict topographical profiles of radiation, Pushpavanam et al. first used a head and neck phantom model. They delivered an irregular crescent-shaped radiation dose near the eye to mimic clinically challenging administration modes of radiotherapy close to critical structures such as the eye during skin cancer treatment. The dose profile delivered using the treatment planning system was in excellent agreement with the predictions of the gel nanosensor. Indicating its capability to detect and predict complex radiation patterns similar to those used in clinical human radiotherapy.

During preclinical studies, the research team used two canine models undergoing radiotherapy to investigate the efficiency of gel nanosensors as independent, nanoscale radiation dosimeters for the first time and compared the efficiency with conventional clinical radiochromic films. On completion of the treatment, Pushpavanam et al. observed maroon color formation in one-half of the gel, whereas the non-irradiated region remained colorless. They showed predictions of the gel nanosensor in the irradiated region to agree excellently with the treatment planning system and the radiochromic film. The gel nanosensor also predicted for the region external to the irradiation to receive minimal radiation and their topographical dose profiles as well. The performance was comparable to clinical radiochromic films but with faster than conventional wait times (typically> 24 hours) to obtain the results. The scientists demonstrated the simplicity of fabrication, operation, readout time and cost effectiveness ($ 0.50 per gel material only) of the frugal invention. They maintained the response of the gel nanosensor for at least seven days to indicate long-term retrieval of dosing data unlike with fluorescence-based dosimeters with readouts that lasts mere minutes.

Op deze manier, Karthik Pushpavanam and colleagues developed the first colorimetric gel nanosensor as a nanoscale dosimeter to detect and distinguish regions exposed to irradiation. They optimized the platform with a chemical quenching agent (Na ₂ S) to accurately reveal topographical dose distribution during clinical radiotherapy. The scientists can control the pore size distribution of the gel substrate to enhance efficacy of the nanosensor. They tested the efficiency of the gel nanosensor to predict complex topographical dose profiles in anthromorphic head and neck phantoms and in live canine patients undergoing radiotherapy. The highly disruptive and translational potential of the gel nanosensor technology will lead to improved patient safety and outcomes in clinical radiotherapy.

© 2019 Wetenschap X Netwerk