p Ilustração esquemática do mecanismo proposto para a formação de nanopartículas de ouro após irradiação com radiação ionizante. Em baixas concentrações de surfactante, a maioria dos íons de ouro (AuBr2- / Au1 +) provavelmente estão livres em solução (não ligados às micelas). Com o aumento da concentração de surfactante, o equilíbrio muda para a direita com uma diminuição nos íons de ouro livres. Após a irradiação, o número de átomos de Au ^ 0 formados devido à redução em baixa concentração de surfactante é maior devido à presença de um maior número de íons de ouro livres em contraste com o sistema em alta concentração de surfactante. O maior número de átomos de ouro livres leva a um maior rendimento de nanopartículas de ouro devido à redução assistida pela superfície com íons de ouro que não reagiram. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8704.
p A medição de rotina das doses de radiação pode ser clinicamente desafiadora devido às limitações dos dosímetros convencionais usados para medir a absorção da dose de radiação ionizante externa. Em um novo estudo, Karthik Pushpavanam e uma equipe interdisciplinar de pesquisadores dos departamentos de Engenharia Química, Ciências Moleculares, Banner MD Anderson Cancer Center e Arizona Veterinary Oncology nos EUA descreveram um novo nanosensor baseado em gel. A tecnologia permite a detecção colorimétrica e a quantificação de perfis topográficos de dose de radiação durante a radioterapia. p Após a exposição à radiação ionizante, os cientistas converteram os íons de ouro no gel em nanopartículas de ouro (AuNPs) acompanhadas de uma mudança visual na cor do gel devido às propriedades plasmônicas. Eles usaram a intensidade da cor formada no gel como um repórter quantitativo para a radiação ionizante e primeiro usaram o nanosensor de gel para detectar padrões de dose topográficos complexos após a administração a modelos fantasmas antropomórficos seguidos de aplicações em pacientes caninos vivos submetidos à radioterapia clínica. A facilidade de fabricação, Operação, leitura rápida, a detecção colorimétrica e o custo relativamente baixo da tecnologia implicam no potencial translacional para o mapeamento topográfico da dose durante as aplicações de radioterapia clínica. O trabalho de pesquisa agora está publicado em
Avanços da Ciência .
p Os avanços na terapia de radiação levaram a sofisticação notável e software de planejamento de última geração para fornecer altas doses de radiação conformada aos pacientes para melhorar a qualidade de vida após o tratamento. Durante a radioterapia, uma alta dose é tipicamente entregue a um tumor alvo, minimizando a dose de radiação entregue ao tecido circundante. Durante os cuidados paliativos, os pacientes são administrados com doses fracionadas maiores para concluir o tratamento em um curto espaço de tempo. Contudo, erros de software durante esses procedimentos podem causar sobredosagem e morbidade subsequente.
p Para minimizar a superexposição acidental, os pesquisadores procuram verificar de forma independente a dose de radiação fornecida no ou próximo ao tecido-alvo para segurança avançada do paciente. Tecnicamente, Ambos os sensores moleculares e nanosensores podem superar os limites presentes em sistemas convencionais para formar alternativas práticas como sensores fáceis. Contudo, seus limites existentes devem ser tratados e atenuados para desenvolver sensores robustos e eficazes que determinam quantitativa e qualitativamente os perfis de dose topográficos durante a radioterapia clínica.
p Imagens digitais e espectros de UV-visível de diferentes formulações de nanosensores de gel expostas a doses terapêuticas de raios-X (A) Imagens de nanosensores de gel fabricados em placas de cultura de células de 24 poços e contendo diferentes concentrações de C14TAB (24,5 a 73,5 mM) após a exposição a várias doses de radiação ionizante (raios-x de 0 a 10 Gy); O tempo de espera do Na2S foi de 5 minutos após a irradiação, e o tempo de incubação foi de 10 min. As imagens foram adquiridas 1 hora após a irradiação. Um aumento visível na intensidade da cor marrom é observado com o aumento das doses de radiação ionizante para a maioria das concentrações de C14TAB usadas durante o desenvolvimento do sensor de gel. (B a F) Espectros de absorção (300 a 990 nm) dos mesmos nanosensores de gel contendo (B) 24,5 mM, (C) 31 mM, (D) 37 mM, (E) 49 mM, e (F) 73,5 mM irradiado usando diferentes doses de radiação. Picos de absorbância característicos entre comprimentos de onda de 500 e 600 nm são indicativos de nanopartículas de ouro formadas nos géis. As doses de radiação correspondentes são mencionadas na legenda com o aumento da dose de radiação (de cima para baixo). A.U., unidades arbitrárias. Crédito da foto:Sahil Inamdar, Arizona State University. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8704
p Já as nanopartículas de ouro (AuNPs) possuem características físicas e químicas únicas que fornecem uma excelente plataforma para desenvolver sensores. Pushpavanam et al. projetou um sensor colorimétrico onde a radiação ionizante causou a formação de AuNP a partir de precursores de sal incolores. A formação de um nanossensor à base de gel pode permitir fácil manuseio e aplicações durante a radioterapia clínica.
p No presente trabalho, a equipe demonstrou detecção colorimétrica e quantificação de perfis de distribuição de dose usando um nanosensor de gel para mapear topograficamente as doses de radiação ao longo das superfícies do tecido. Durante as avaliações pré-clínicas, a equipe administrou a tecnologia de nanosensor de gel em pacientes caninos vivos submetidos à radioterapia. No total, os resultados indicaram o alcance da tecnologia para tradução clínica em pacientes humanos e a capacidade de determinar doses topográficas para planejar tratamentos e verificar dosagens durante a radioterapia oncológica.
p Durante os experimentos, a conversão de íons de ouro em nanopartículas foi acompanhada por um desenvolvimento de cor marrom na região irradiada do nanosensor de gel. Enquanto o ouro existe em um estado trivalente em geral (AuCl
4
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) pode ser reduzido a um estado de valência +1 metaestável (AuBr
2
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) à temperatura ambiente usando ácido ascórbico (vitamina C). A irradiação de géis contendo níveis terapêuticos de radiólise estimulada por radiação ou a divisão de moléculas de água em radicais livres altamente reativos. Os elétrons hidratados gerados por radiólise, por sua vez, reduziram o ouro monovalente para formar átomos de ouro em seu estado zerovalente (Au
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) que nucleado e amadurecido em AuNPs de cor marrom. A intensidade variou com a dose de radiação e a equipe usou a faixa de respostas lineares para calibrar o nanossensor de gel. Com base neste princípio, Pushpavanam et al. determinou a resposta dos géis totalmente irradiados para calibrar a absorbância com a dose de radiação.
p Visualização topográfica e quantificação de doses de radiação usando nanossensores de gel. (A) Nanossensor de gel (esquerda) antes da irradiação, (meio) a metade superior irradiada com 4 Gy e a imagem adquirida 2 min após a irradiação, e (direita) imagem adquirida 1 hora após a irradiação. Um aumento visível na intensidade da cor na metade inferior não irradiada indica sangramento de cor e perda de informações topográficas. (B) I:gel de agarose a 1,5% (p / v) (esquerda) 2 min após a irradiação e (direita) 1 hora após a irradiação; II:2% (w/v) agarose gel (left) 2 min after irradiation and (right) 1 hour after irradiation indicates that the increase in agarose weight percentage does not preserve topographical dose information. (C) Gel nanosensor incubated with 5 mM sodium sulfide (Na2S) and various sodium halides with a wait time of 10 min and incubation time of 10 min; images were acquired after 1 hour. No loss of topographical information is observed upon incubation with sodium sulfide. All gels were fabricated in 24-well plates. (D) Colorimetric response of the gel nanosenor irradiated on one-half with a 2-Gy x-ray dose. A visible appearance of maroon color in the irradiated region illustrates the ability of the gel nanosensor to visualize topographical dose profiles. Each black square box (labeled 1 to 11) on the gel nanosensor corresponds to a grid of size ≈2 × 2 mm, whose absorbance at 540 nm is determined. Grids starting from 1 to 5 are regions exposed to ionizing radiation, 6 is the grid at the edge of the irradiation field, and grids from 7 to 11 are regions outside the field of irradiation. (E) Dose fall-off profile for the gel nanosensor irradiated by 2 Gy on one-half. The delivered and predicted radiation doses are comparable, which indicates the efficacy of the gel nanosensor in visualizing and retaining topographical information. Em todos os casos, Na2S was added for 10-min incubation time after a wait time of 30 min. Radiation doses predicted by the gel nanosensor as compared with the delivered radiation dose as obtained from the treatment planning system. Asterisks indicate statistically significant differences (P <0.05) between the delivered dose and the dose predicted by the gel nanosensor (n =3 independent experiments). (F) Representative image of a petri dish containing the gel nanosensor formulation (≈3 mm thick and ≈10 cm diameter) irradiated with a 1 cm × 1 cm square field of x-ray radiation. Da esquerda, each square indicates increasing radiation dose from (I) 0.5 Gy (red box), 1 Gy, and 1.5 Gy; (II) 2, 2,5, 3, and 3.5 Gy; and (III) 4, 4.5, and 5 Gy; the black box in image (II) shows 0 Gy. (G) Visualization of a complex topographical dose pattern (ASU letters) generated using a 2-Gy x-ray dose. The petri dish has a diameter of ≈10 cm. In (F) and (G), the gel nanosensors contain 24.5 mM C14TAB, and Na2S was added after a wait time of 30 min and incubation time of 10 min; a representative image from three independent experiments is shown. Photo credit:Sahil Inamdar, Arizona State University. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw8704.
p 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.
p 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.
p 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. Como prova de conceito, 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.
p Gel nanosensor enabled topographical detection and quantification of clinical radiation doses in anthropomorphic head and neck phantoms. (A) Anthropomorphic head and neck phantom treated with an irregularly shaped x-ray radiation field below the left eye. (B) Image of the gel nanosensor positioned on the anthropomorphic phantom in the radiation field mimicking a conventional radiotherapy session. (C) Axial view of the treatment planning image along the central axis of the radiation beam representing an irregularly shaped radiation field used to deliver a complex radiation pattern under the eye of the phantom. The core of the crescent-shaped treatment region receives a radiation dose of 2.3 Gy (highlighted in red), and regions receiving lower doses are highlighted with different colors going outward (from green to light pink). (D) Visual image of the dose pattern on the gel nanosensor formed after delivery of 2.3 Gy. Only the irradiated region develops a maroon color, while the nonirradiated region remains colorless. (E) Expected topographical dose “heat map” profile of the radiation dose delivered to the gel placed in the phantom. The expected profile is generated from the treatment plan in the dose delivery system. In these figures, red and blue colors indicate higher and lower radiation doses, respectivamente. (F) Topographical doses predicted by the irradiated gel nanosensor. Absorbance values of ≈2 mm × 2 mm grids were quantified using a calibration curve to generate the topographical dose profile. The anticipated dose received by the core of the crescent-shaped profile (2.3 Gy) is comparable to the dose profile predicted by the gel nanosensor (2.3 Gy), which demonstrates the capability of the gel nanosensor to qualitatively and quantitatively detect complex topographical dose profiles. Photo credit:Sahil Inamdar, Arizona State University. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw8704.
p 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.
p 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.
p Gel nanosensor enabled topographical detection and quantification of radiation delivered to canine patient A undergoing clinical radiotherapy. Representative image of (A) half of the gel nanosensor and (B) half of the radiographic film positioned in the radiation field delivered to canine patient A. (C) Treatment planning software depicting the delivery of a 2-Gy dose delivered to the surface of patient A (neon green edge along the rectangular gray box indicates the region receiving the 2-Gy dose). (D) The irradiated region received a dose of 2 Gy (highlighted in red squares), with irradiation dose dropping to a minimal radiation 0.1 Gy (highlighted in blue squares) outside the field of irradiation. A color change is visible in both the (E) gel nanosensor whose color changes to maroon and (F) radiographic film whose color changes to dark green after irradiation. The predicted dose map in the gel nanosensor (Na2S addition wait time of 30 min and incubation time of 10 min) and radiographic film are shown below each corresponding sensor. Similarity in the dose profiles indicates the efficacy of the gel nanosensor for clinical dosimetry. The time for readout of the gel nanosensor was 1 hour after irradiation, while the radiochromic film required>24 hours of developing time before readout. All experiments were carried out three independent times. Photo credit:Sahil Inamdar, Arizona State University. Crédito:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw8704.
p Desta maneira, 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. p © 2019 Science X Network
