凝胶剂量法:金纳米粒子对外部放射治疗剂量增加的影响

文件类型:原始研究文章

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1 Tarbiat Modares大学医学物理系,伊朗德黑兰

2 伊朗杜黑工业大学物理系,伊朗德黑兰

抽象

背景: 建立了常氧型MAGICA凝胶剂量计,用于放射治疗的三个维度的剂量定量。

目标: 通过实验测量方法评估了MAGICA聚合物凝胶的能力,该方法用于研究在外部18MV放射疗法实践下金纳米颗粒(GNP)在剂量增加中的作用。

方法: 研究了不同的GNP浓度:0.02mM,0.05mM和0.1mM。然后,合成了新的MAGICA凝胶制剂。将制成的凝胶倒入位于水体模上的试管(有和没有GNP)中。水幻影被辐照到瓦里安直线加速器的18 MV光束上。 24小时后,使用西门子1.5特斯拉MRI扫描仪读取辐照的凝胶。比较了绝对放射线剂量和参考点,并比较了根据外部放射疗法实践对凝胶进行的实验测量得出的等剂量线。

结果: The signal of non-irradiated gel samples containing 国民生产总值 showed maximum difference of the 1% compared to gel without nanoparticles. 剂量 enhancement factors were 1.014±0.07, 1.074±0.11and 1.161±对于0.02、0.05和0.1 mM浓度,分别为0.15。结果表明,嵌入聚合物凝胶中的GNP的使用会导致辐射增强。

结论: 结果表明,在本研究中开发和使用的聚合物凝胶剂量测定方法可被推荐为研究外部放射治疗实践中GNPs DEF的可靠方法。

关键词


介绍

近年来,已通过实验测量和蒙特卡洛(MC)模拟对金纳米颗粒(GNP)在普通放射治疗中的作用进行了广泛的研究。几十年前提出了使用某些高Z元素增加剂量的想法,但是随着GNP的发明和与生物系统的相容性,科学家被鼓励研究这种元素在放射治疗中的进一步应用。存在于纳米级颗粒中的金原子具有完全改变的金属型材料的基本特性,例如熔点,晶体结构,电导率,磁性和光学特性。与它们在散装材料中的存在不同,它们的性质比化学成分更取决于大小。这种与尺寸有关的行为也称为量子尺寸效应。当金属的电子结构从连续电子带变为离散电子能级时,会发生这种情况。在块状材料中,价带和导带之间没有间隙,而在纳米粒子中则存在该间隙。量子物理学和固态物理学之间这种过渡的影响是导致尺寸依赖的量化效应发生的原因。该领域大多数研究的结果已经证实,存在GNP的情况下,各种肿瘤的辐射吸收剂量增加。然而,关于电离辐射与GNPs的参与和突出的相互作用过程仍存在争议,该过程导致肿瘤中的剂量增强因子(DEF)。在各种研究中,已通过实验剂量法和MC方法研究了最有效的参数,例如纳米粒子的尺寸,高摩尔浓度以及较低的光子或伽马射线能量,以获取更高的剂量[1-14]。

聚合物凝胶剂量计是一种有前途的放射剂量测定方法,用于医学放射治疗[15]。凝胶剂量测定法的优势包括组织样元素组成,高空间分辨率,可进行三维(3D)剂量测量的能力,以及制备各种尺寸和几何形状的剂量计的可能性[16]。聚合物凝胶的组织等效性能还可以用作模拟人体对医学辐射应用的良好模型。聚合物凝胶剂量计能够直接测量剂量计内部的造影剂或金属辐射剂量增强剂(例如碘和GNP)的效果。在凝胶剂量计中,造影剂可能在剂量计内具有均匀的分散性。因此,可以直接量化这种材料的影响。尽管有人尝试使用这些剂量计,但通过高Z材料与其他类型的辐射剂量计(例如薄膜和电离室)对剂量增加进行物理测量非常复杂。进行了物理测量,以测定在高氧聚合物凝胶中高Z材料(例如碘)产生的剂量增加[19-21]。

使用碘对聚合物凝胶中高原子序数材料引起的剂量增加进行了测量[19]。–21]。这些研究表明,可以在不改变凝胶剂量线性特性的情况下将造影剂添加到nPAG中。添加碘可保持自旋和自旋松弛速率与递送剂量之间的线性关系。 Fricke凝胶先前已用于量化金微球的剂量增加[22]。然而,当Fricke凝胶用于测量碘的剂量增加时,未能检测到预期的剂量增加[23]。MAGIC-f凝胶作为一种合适的三维等效于组织的剂量计,已成功地用于定量确定DEF。这是由于GNP在各种靶器官中作为相容的放射增敏剂而引起的。这种凝胶可潜在地用于评估在放射治疗实践中使用GNP的效果[24]。最近,常氧聚丙烯酰胺凝胶(nPAG)也已用于测量在不同能量范围内存在GNP时吸收剂量率的增加[25]。

 在这项研究中,我们开发了一种通过使用掺有GNP的MAGICA来测量剂量增加的技术。我们的测量目标是确定使用MAGICA + GNP作为剂量计的可行性。我们报告了兆伏光子束辐照的剂量增加。

 

材料与方法

GNP制备

在当代研究中,正在开发各种合成技术来制造GNP。在这项研究中,从PNF公司(伊朗德黑兰的Payamavaran Nano Fardanegar公司)以50 mg的GNP水溶液形式以1mg / ml(1000ppm)的浓度获得了GNP。在PNF公司中,通过施加极高的电压和电流来生产纳米粒子,然后通过脉冲爆炸工艺将直径为0.1mm的初级散装线转换为纳米粒子。

 

凝胶制作

制备了MAGICA聚合物凝胶剂量计。所有化学品(明胶,抗坏血酸,CuSO4.5H2O,对苯二酚和甲基丙烯酸)均由Sigma Aldrich提供,具有实验级。凝胶的制备按照与Fong等人所述相似的方法进行。 (2001年),由于在MAGICA制剂中存在琼脂糖而略有差异[26]。从同一批次中分离出四个样品,其中三个包含GNP。不含GNP的样品作为对照。通过常规的机械混合无需加热即可实现凝胶均质化。考虑了三种不同的GNP浓度:0.02mM,0.05mM和0.1mM(摩尔量)。凝胶样品在制造后的最初24小时不进行辐照。在这段时间之后进行所有照射。

 

兆伏X射线和电子束辐照

使用医用线性加速器(Clinac 2100C,Varian Associates Inc)用18 MV光子束照射凝胶样品。使用25将凝胶置于SSD = 100 cm的水中× 25 cm2 field size for photon beams) as shown in Fig. 1. Irradiations were also done in single fraction with constant dose rate of approximately 100 MU/min (equal to 1Gy/min in a reference phantom). The gel samples were placed in water and exposed to radiation reference doses of 0 to9Gy. 剂量s delivered by photon were verified with ionization chamber.

 

核磁共振扫描

辐射后1天使用1.5T扫描仪(Seimens,Multi slice)获取磁共振图像。该时间段对于确保聚合反应完成并达到凝胶样品与MRI室温之间的热平衡是必不可少的。快速旋转回波序列已与以下参数一起使用:视场= 300× 300 mm2,切片厚度= 4 mm,有效回波时间TE = 22ms,重复时间(TR)= 3000ms,矩阵大小= 256×256个矩阵,像素大小= 1.2×1.2 mm2,回声数= 16。

图像和数据处理

所有图像和数据处理均使用MATLAB软件(7.4版数学作品)完成。从R2图像重建测得的剂量图。每个像素值 R通过将T2弛豫函数拟合到基础图像中的像素强度与逐个像素基础上的对应回波时间的关系图,可以获得2幅图像。在将辐射剂量与放射线的每个像素的弛豫率相关之后,获得剂量图。 R2张图片。

通过计算R 2(1 / T 2)比较具有和不具有GNP的辐照凝胶的聚合水平。这表明聚合水平与剂量有关。图2显示了MRI图像中T2图的示例。

 统计分析

这项研究提出了结果(平均值±3次独立实验)。使用方差分析的一种方法来确定对照组和实验组之间差异的显着性。当p时,差异被认为具有统计学意义<0.05.

 

结果与讨论

由于实验是在水环境中进行的,因此研究了使用MRI技术在MAGICA凝胶剂量计中对比增强的效果,以取得良好的效果。获得水和空气中的MR图像,而其他所有成像条件都相同,例如在这两种情况下,容器都固定在头部线圈中并放置几分钟,以避免由于容器中水的干扰而产生运动伪影。

MAGICA对18 MV X射线束的响应通过R2信号与剂量的关系来表征(图2)。对于具有18 MV能量的MAGICA和MAGICA + GNP,发现递送剂量与R2之间存在线性关系,如表1所示。图3显示了校准曲线。为了验证MAGICA聚合物凝胶的剂量计行为,已使用了电离室剂量计。通过线性拟合可以很好地拟合实验数据,并且对于所有实验结果都可以获得良好的相关性。评估了GNP对有和没有GNP的未辐照样品聚合的影响,如图4所示。MAGICA和MAGICA + GNs之间的差异小于1%,表明GNP和凝胶之间的化学相互作用可忽略不计。

剂量–计算了R2的响应斜率与MAGICA + GNP和纯MAGICA的X射线剂量的关系。这些斜率的比率被用作具有和不具有GNP(浓度:0.02、0.05和0.1mM)的凝胶样品的剂量增强因子(DEF)。浓度0.1mM表示R2的DEF为1.161,与不含GNP的凝胶有关;浓度为0.05 mM和0.02 mM的DEF分别为1.074和1.014(见图5-7)。

无花果图5-7显示了在具有和不具有GNP的凝胶中,由能量的兆伏范围的X射线引起的剂量增强作用。据信,高Z材料引起的剂量增加主要是由于增加了配对生产相互作用的可能性而引起的。当在辐射之前将GNP添加到凝胶中并用兆伏X射线轰击时,成对产生的相互作用截面将增加。从这些X射线光子与金原子的相互作用概率与它们与组织等价介质(例如水)的相互作用相比,可以清楚地推断出这一点。

这项工作的结果证明了将GNP引入聚合物凝胶剂量计的可行性,以及使用MRI扫描仪以与不含金属颗粒的标准聚合物凝胶样品相同的方式扫描GNP的能力。已经证明用金属原子(例如碘,recently和最近的GNPs)掺杂聚合物凝胶,可以将存在这种金属原子引起的剂量增加与凝胶中沉积的剂量分开[20,24]。通常,剂量比较是通过比较含有和不含有金属原子的凝胶所测得的剂量而得出的。测得的剂量与剂量指示因子有关‘‘T2’’两种凝胶的MRI参数但是,将造影剂或纳米颗粒包含在聚合物凝胶中必须考虑到其化学性质,这最终会影响所测量的剂量。已观察到碘化化合物会干扰离子与单体之间的相互作用过程[27]。

 

结论

我们在这里报告了使用聚合物凝胶剂量计作为模型的GNP产生的辐射剂量增强的测量结果。这项研究发现,在临床LINAC的兆伏X射线束照射下的聚合物凝胶中加入GNP后,剂量明显增加。

聚合物凝胶的优点之一是能够直接测量剂量计内部的造影剂或金属辐射剂量增强剂(例如碘和GNP)的效果。在凝胶剂量计中,造影剂可能在剂量计内具有均匀的分散性,因此可以直接量化这种材料的作用。高Z材料与其他类型的辐射剂量计(例如薄膜和电离室)产生的剂量增加的物理测量非常复杂。根据实验和模拟结果,通过向MAGICA聚合物凝胶中添加GNP,可以增加吸收剂量。这项研究证明了聚合物凝胶剂量测定法是进行放射治疗中纳米粒子应用剂量测定研究的合适工具。

最近,已经表明,这种高剂量会伤害正常组织,并导致一半的动物样品死亡,这表明需要以低得多的剂量来递送这种技术,这可以通过在靶标之前将GNP包括在靶标中来完成。照射[28]。我们希望通过专注于GNP作为外部放射治疗的剂量增强剂的应用来扩展这项工作。除体外和体内研究外,聚合物凝胶将是测量GNP增强剂量的有用工具之一。

 

致谢

这项研究是由第一作者在第二作者的监督下,由塔比亚特·莫达雷斯大学的其他合著者,与伊朗德黑兰的帕尔斯医院合作,在其他作者的帮助,建议和合作下完成的一个博士项目。因此,我们要特别感谢他们为我们提供开展这项研究所需的资金,技术和临床支持。

 

利益冲突

作者声明,有关此手稿的出版没有利益冲突。

 

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