作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 电离辐射照射下金纳米粒子形成的拟议机制示意图
在低表面活性剂浓度下，大多数金离子(AuB 2-/Au1+)可能在溶液中是游离的(与胶束无关)
随着表面活性剂浓度的增加，平衡向右移动，游离金离子减少
与高表面活性剂浓度下的体系相比，在辐照时，由于低表面活性剂浓度下还原形成的Au^0原子的数量更高，这是因为存在更多的游离金离子
由于未反应的金离子的表面辅助还原，较高数量的游离金原子导致金纳米粒子的产量增加
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
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由于用于测量外部电离辐射剂量吸收的传统剂量计的局限性，辐射剂量的常规测量在临床上具有挑战性
在一项新的研究中，卡希克·普什巴万和美国化学工程、分子科学、班纳医学博士安德森癌症中心和亚利桑那州兽医肿瘤学部门的跨学科研究团队
S
描述了一种基于凝胶的新型纳米传感器
该技术允许在放射治疗期间比色检测和量化地形辐射剂量分布
当暴露在电离辐射下时，科学家们将凝胶中的金离子转化成金纳米粒子，伴随着由于等离子体性质引起的凝胶颜色的视觉变化
他们使用凝胶中形成的颜色强度作为电离辐射的定量报告，并首先使用凝胶纳米传感器检测人体模型给药后的复杂地形剂量模式，然后应用于接受临床放射治疗的活体犬患者
该技术易于制造、操作、快速读出、比色检测和相对较低的成本意味着在临床放射治疗应用中地形剂量绘图的平移潜力
这项研究工作现在发表在《科学进展》杂志上
放射治疗的进步导致了显著的复杂性和最先进的计划软件，以向患者提供高适形放射剂量，从而提高治疗后的生活质量
在放射治疗期间，通常将高剂量输送到目标肿瘤，同时将输送到周围组织的辐射剂量最小化
在姑息治疗期间，为了在短时间内结束治疗，对患者给予较大的分剂量
然而，在这种过程中的软件错误可能导致过量和随后的发病率
为了最大限度地减少意外的过度暴露，研究人员寻求独立验证目标组织处或附近的放射剂量，以提高患者的安全性
从技术上来说，分子和纳米传感器都可以克服传统系统中存在的限制，形成简易传感器的实用替代品
然而，它们现有的局限性应该得到解决和缓解，以开发出在临床放射治疗期间定量和定性地确定手术剂量分布的鲁棒和有效的传感器
暴露于治疗剂量的x射线的不同凝胶纳米传感器配方的数字图像和紫外-可见光谱(一)在24孔细胞培养板中制造的凝胶纳米传感器的图像，其包含不同浓度的C14TAB (24
5至73
暴露于各种剂量的电离辐射(0至10戈瑞x射线)时；辐照后Na2S等待时间为5分钟，孵育时间为10分钟
照射后1小时获取图像
对于凝胶传感器开发过程中使用的大多数C14TAB浓度，随着电离辐射剂量的增加，可以观察到褐红色强度的明显增加
含有(b24)的相同凝胶纳米传感器的吸收光谱(300至990纳米)
5毫米，(C) 31毫米，(D) 37毫米，(E) 49毫米，(F) 73毫米
使用不同的辐射剂量照射5毫米
500-600纳米波长之间的特征吸收峰表明凝胶中形成了金纳米颗粒
相应的辐射剂量在图例中随着辐射剂量的增加而增加(从上到下)
A
U
，任意单位
图片来源:亚利桑那州立大学萨希尔·伊纳姆达尔分校
学分:科学进步，doi: 10
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aaw8704 因为金纳米粒子具有独特的物理和化学特性，为开发传感器提供了一个极好的平台
Pushpavanam等人
设计了一种比色传感器，其中电离辐射导致无色盐前体形成AuNP
基于凝胶的纳米传感器的形成使得在临床放射治疗期间易于操作和应用
在目前的工作中，该团队演示了使用凝胶纳米传感器沿组织表面绘制辐射剂量的地形图的比色检测和剂量分布图的量化
在临床前评估期间，该团队将凝胶纳米传感器技术应用于接受放射治疗的活体犬患者
总的来说，这些结果表明了在人类患者中进行临床转化的技术范围，以及在癌症放射治疗期间确定地形剂量以计划治疗和验证剂量的能力
在实验过程中，金离子向纳米粒子的转化伴随着凝胶纳米传感器的辐照区域中褐红色的发展
虽然金一般以三价态存在，但在室温下，使用抗坏血酸(维生素C)可以将其还原为亚稳态+1价态
含有治疗水平辐射的凝胶的辐射刺激辐射分解或水分子分裂成高活性自由基
辐解产生的水合电子反过来还原一价金，形成零价金原子(Au0)，形成核并成熟为褐红色的金纳米粒子
强度随着辐射剂量的变化而变化，研究小组使用线性响应的范围来校准凝胶纳米传感器
基于这一原则，普什巴瓦南等人
确定完全辐照的凝胶对用辐射剂量校准吸光度的响应
使用凝胶纳米传感器进行辐射剂量的地形可视化和量化
(一)辐照前凝胶纳米传感器(左)，(中)上半部分用4 Gy辐照，辐照后2分钟采集图像，(右)辐照后1小时采集图像
在未照射的下半部分，颜色强度的明显增加表明颜色溢出和地形信息的丢失
(二)一:1
5% (w/v)琼脂糖凝胶(左)照射后2分钟和(右)照射后1小时；II: 2% (w/v)琼脂糖凝胶(左)照射后2分钟和(右)照射后1小时表明琼脂糖重量百分比的增加没有保留地形剂量信息
(三)凝胶纳米传感器，用5 mM硫化钠(Na2S)和各种卤化钠孵育，等待时间为10分钟，孵育时间为10分钟；1小时后获取图像
与硫化钠一起孵育时，没有观察到地形信息的丢失
所有凝胶都是在24孔板中制备的
用2戈瑞的x光照射一半的凝胶纳米棒的比色反应
辐照区域中可见的褐红色显示了凝胶纳米传感器可视化地形剂量分布的能力
凝胶纳米传感器上的每个黑色方框(标记为1至11)对应于尺寸≈2 × 2 mm的网格，其在540 nm处的吸光度被测定
从1到5的网格是暴露于电离辐射的区域，6是辐照场边缘的网格，7到11的网格是辐照场之外的区域
(五)二分之一戈瑞辐照凝胶纳米传感器的剂量衰减曲线
输送的辐射剂量和预测的辐射剂量具有可比性，这表明凝胶纳米传感器在可视化和保留地形信息方面的功效
在所有情况下，在等待30分钟后，加入Na2S孵育10分钟
凝胶纳米传感器预测的辐射剂量与从治疗计划系统获得的输送辐射剂量相比较
星号表示统计上显著的差异(P & lt0
05)之间(n = 3个独立实验)
用1厘米× 1厘米见方的x光辐射照射含有凝胶纳米传感器制剂的皮氏培养皿的典型图像(厚度约3毫米，直径约10厘米)
从左边看，每个方块表示从(ⅰ)0开始增加的辐射剂量
5戈瑞(红色方框)、1戈瑞和1
5gy；(二)2、2
5、3和3
5gy；和(三)4，4
5、5gy；图(二)中的黑盒显示0戈瑞
使用2戈瑞的x光剂量生成的复杂地形剂量图形的可视化
培养皿的直径约为10厘米
在(F)和(G)中，凝胶纳米传感器包含24
等待30分钟和孵育10分钟后加入Na2S显示了来自三个独立实验的代表性图像
图片来源:亚利桑那州立大学萨希尔·伊纳姆达尔分校
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为了确定辐射后凝胶内颜色和剂量的强度，研究人员使用吸收光谱并观察到光谱分布宽度的减少，随着辐射剂量的增加，纳米粒子的多分散性(标准偏差的百分比与平均值的比率)降低
峰值吸收强度随着辐射剂量的增加而增加，以证实观察到的颜色强度的增加
为了了解凝胶纳米传感器检测辐射剂量地形分布的能力，科学家们用4戈瑞的剂量照射了一半的凝胶纳米传感器
褐红色仅出现在证实形成AuNP的照射区域，但是在曝光一小时后，颜色渗入照射区域，显示凝胶中的形貌信息随着时间的推移而丢失
研究小组观察到这种现象是由反应控制条件引起的，而不是基于凝胶成分
通过将凝胶与硫化钠(Na2S)温育10分钟，他们抑制了颜色溢出，并推断出能够淬灭未照射区域中未反应的金离子，并为剂量可视化和剂量测定准确保存剂量信息
科学家们通过调节Na2S的添加时间，将传感器用于宽剂量范围；为了达到迄今为止在临床剂量检测系统中所没有的灵活性水平
研究小组随后使用凝胶纳米传感器来观察不同的地形辐射模式，其中颜色的强度随着剂量的增加而增加，同时保持地形的完整性
作为概念的证明，他们展示了凝胶纳米传感器检测复杂辐射模式的能力，模型剂量模式形成“空分”(以亚利桑那州立大学命名)
然后使用透射电子显微镜(TEM)，科学家将生成的金纳米粒子表征为剂量的函数，以观察在更高剂量的辐射下平均纳米粒子直径和多分散性的降低
他们随后用能量色散x光光谱技术检测了凝胶纳米传感器辐射区域中的高产量纳米粒子
凝胶纳米传感器能够在拟人化的头部和颈部模型中实现临床辐射剂量的地形检测和量化
(一)在左眼下方用不规则形状的x光辐射场治疗的拟人化头颈部模型
(二)凝胶纳米传感器的图像，位于模拟常规放射治疗的放射场中的拟人体模上
(3)沿着放射束中心轴的治疗计划图像的轴向视图，其代表用于在模型眼睛下产生复杂放射图案的不规则形状的辐射场
新月形治疗区域的核心接受2
3戈瑞(以红色突出显示)，接受较低剂量的区域以不同的颜色向外突出显示(从绿色到浅粉色)
(四)在输送2
3戈瑞
只有被照射的区域呈现出栗色，而未被照射的区域保持无色
(五)传送到放置在模型中的凝胶的辐射剂量的预期地形剂量“热图”分布图
从剂量输送系统中的治疗计划中产生预期的分布
在这些图中，红色和蓝色分别表示较高和较低的辐射剂量
辐照凝胶纳米传感器预测的地形剂量
使用校准曲线量化≈2 mm × 2 mm网格的吸光度值，以生成地形剂量分布图
月牙形轮廓的核心接收的预期剂量(2
3戈瑞)与凝胶纳米传感器(2
这证明了凝胶纳米传感器定性和定量检测复杂地形剂量分布的能力
图片来源:亚利桑那州立大学萨希尔·伊纳姆达尔分校
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为了研究凝胶纳米传感器的平移潜力和预测辐射的形貌轮廓
首先使用头部和颈部模型
他们在眼睛附近提供不规则的新月形放射剂量，以模拟在皮肤癌治疗过程中在眼睛等关键结构附近进行放射治疗的具有临床挑战性的给药模式
使用治疗计划系统提供的剂量分布与凝胶纳米传感器的预测非常一致
表明其能够检测和预测类似于临床人体放射治疗中使用的复杂辐射模式
在临床前研究中，研究小组首次使用两个接受放射治疗的犬模型来研究凝胶纳米传感器作为独立的纳米级放射剂量计的效率，并将该效率与常规临床放射变色胶片进行比较
治疗结束后，普什巴万等人
在一半凝胶中观察到褐红色形成，而未照射区域保持无色
他们展示了凝胶纳米传感器在受照射区域的预测，与治疗计划系统和辐射变色膜非常一致
凝胶纳米传感器还预测辐射外部区域接收最小辐射以及它们的形貌剂量分布
其性能与临床放射变色胶片相当，但获得结果的等待时间比常规等待时间(通常> 24小时)要快
科学家们展示了制作、操作、读出时间和成本效益的简单性
50个/凝胶材料)
他们将凝胶纳米传感器的响应保持了至少七天，以指示剂量数据的长期检索，这不同于基于荧光的d剂量计，后者的读数仅持续几分钟
凝胶纳米传感器能够对输送给正在接受临床放射治疗的犬患者A的辐射进行形貌检测和量化
将(1)一半凝胶纳米传感器和(2)一半射线照相胶片置于辐射场中的代表性图像传送给犬患者
(3)治疗计划软件，描述向患者表面输送2戈瑞剂量(沿矩形灰色方框的霓虹绿色边缘表示接受2戈瑞剂量的区域)
(四)受照射区域接受剂量为2戈瑞(以红色方块突出显示)，照射剂量降至最低辐射0
1戈瑞(以蓝色方块突出显示)在照射范围之外
在(E)凝胶纳米传感器和(F)射线照相胶片中都可以看到颜色变化，前者的颜色变为栗色，后者的颜色在照射后变为深绿色
凝胶纳米传感器中的预测剂量图(Na2S添加等待时间为30分钟，孵育时间为10分钟)和射线照相胶片显示在每个相应传感器的下方
剂量分布的相似性表明了凝胶纳米传感器用于临床剂量测定的有效性
凝胶纳米传感器的读出时间是照射后1小时，而辐射变色膜需要> 1小时。读出前24小时的显影时间
所有实验独立进行三次
图片来源:亚利桑那州立大学萨希尔·伊纳姆达尔分校
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
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通过这种方式，卡希克·普什帕瓦南和他的同事开发了第一个比色凝胶纳米传感器，作为一种纳米级剂量计来检测和区分暴露在辐射下的区域
他们用化学猝灭剂(Na2S)优化了平台，以准确显示临床放射治疗期间的地形剂量分布
科学家可以控制凝胶基质的孔径分布，以增强纳米传感器的功效
他们测试了凝胶纳米传感器预测人类头颈模型和接受放射治疗的活犬患者复杂地形剂量分布的效率
凝胶纳米传感器技术的高度破坏性和转化潜力将提高临床放射治疗的患者安全性和疗效
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