由于用于測量外部電離輻射劑量吸收的常規(guī)劑量計的局限性，常規(guī)的輻射劑量測量可能在臨床上具有挑戰(zhàn)性。在一項新的研究中，Karthik Pushpavanam和化學工程，分子科學，Banner MD安德森癌癥中心和美國亞利桑那獸醫(yī)腫瘤學系的跨學科研究人員描述了一種新型的基于凝膠的納米傳感器。該技術允許在放射治療期間進行比色檢測和地形輻射劑量分布的量化。

暴露于電離輻射后，科學家將凝膠中的金離子轉化為金納米顆粒(AuNPs)，并伴隨著由于等離子體性質而引起的凝膠顏色的視覺變化。他們使用在凝膠中形成的顏色強度作為電離輻射的定量報告物，并首先使用凝膠納米傳感器檢測對擬人模型模型的復雜地形劑量模式，然后將其應用于接受臨床放射治療的活犬科動物。易于制造，操作，快速讀取，比色檢測以及相對較低的技術成本隱含了翻譯潛力用于臨床放射治療應用中的地形劑量圖繪制。該研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《科學進展》上。

放射治療的進步導致了顯著的成熟度和最先進的計劃軟件，可向患者提供高保形放射劑量，以改善治療后的生活質量。在放射治療期間，通常將高劑量遞送至靶腫瘤，同時最小化遞送至周圍組織的放射劑量。在姑息治療期間，患者應接受較大劑量的分次劑量，以便在短時間內結束治療。但是，此類過程中的軟件錯誤可能會導致用藥過量和隨后的發(fā)病率。

為了最大程度地減少意外過度暴露，研究人員尋求獨立驗證在目標組織處或目標組織附近傳送的輻射劑量，以提高患者的安全性。從技術上講，分子傳感器和納米傳感器都可以克服常規(guī)系統(tǒng)中存在的限制，以形成實用的替代方案，如簡便的傳感器。但是，應解決和減輕它們的現(xiàn)有限制，以開發(fā)出強大而有效的傳感器，以在臨床放療期間定量和定性確定地形劑量分布。

由于金納米顆粒(AuNPs)具有獨特的物理和化學特性，為開發(fā)傳感器提供了極好的平臺。Pushpavanam等。設計了一種比色傳感器，其中電離輻射導致無色鹽前體形成AuNP ?；谀z的納米傳感器的形成可以在臨床放療期間輕松處理和應用。

在目前的工作中，該團隊演示了使用凝膠納米傳感器對組織表面輻射劑量進行地形圖繪制的比色檢測和劑量分布曲線的量化方法。在臨床前評估期間，該團隊對正在接受放射治療的活犬患者實施了凝膠納米傳感器技術?？傮w而言，結果表明了在人類患者中進行臨床翻譯的技術范圍，以及確定癌癥放射療法中規(guī)劃治療方案和驗證劑量的地形劑量的能力。

在實驗過程中，金離子向納米顆粒的轉化伴隨著凝膠納米傳感器輻照區(qū)域的栗色顯色。雖然金在一般的三價狀態(tài)存在(AUCL 4 - )，它可以被減小到亞1價態(tài)(AuBr 2 -在室溫下)使用抗壞血酸(維生素C) 。凝膠的輻射含有治療水平的輻射刺激的放射分解或水分子分裂成高反應性自由基。輻射分解產生的水合電子依次還原一價金，形成零價態(tài)的金原子(Au 0)成核并成熟為栗色的AuNP。強度隨輻射劑量而變化，研究小組使用線性響應范圍來校準凝膠納米傳感器。基于此原理，Pushpavanam等人。確定了完全輻照的凝膠對輻射劑量校準吸光度的響應。

為了確定照射后凝膠內傳遞的顏色和劑量的強度，研究人員使用吸收光譜法并觀察到光譜輪廓寬度的減小，隨著輻射劑量的增加，多分散性降低(標準偏差與平均值的百分比之比)的納米粒子。峰值吸收強度隨輻射劑量的增加而增加，以證實觀察到的顏色強度的增加。

為了了解凝膠納米傳感器檢測輻射劑量的地形分布的能力，科學家用4灰(Gy)劑量照射了一半的凝膠納米傳感器。褐紅色僅出現(xiàn)在確認AuNP形成的受輻照區(qū)域中，但是在暴露一小時后，該顏色滲入受輻照區(qū)域，表明凝膠中的形貌信息隨時間流逝。研究小組觀察到這種現(xiàn)象是由反應控制的條件引起的，而不是基于凝膠的組成。通過將凝膠與硫化鈉(Na 2 S)孵育10分鐘，他們抑制了顏色滲出，并認為其具有淬滅未反應的金離子的能力。在非照射區(qū)域中，并準確保存劑量信息以進行劑量可視化和劑量測定?？茖W家通過調節(jié)Na 2 S的添加時間，在寬劑量范圍內采用了該傳感器。以達到迄今為止在臨床劑量檢測系統(tǒng)中尚不具備的靈活性水平。

然后，研究團隊使用凝膠納米傳感器可視化各種地形輻射圖，其中顏色的強度隨劑量的增加而增加，同時保持地形的完整性。作為概念的證明，他們證明了凝膠納米傳感器具有以模式劑量形成“ ASU”的模式劑量(根據(jù)亞利桑那州立大學)檢測復雜輻射模式的能力。然后，科學家使用透射電子顯微鏡(TEM)，將生成的金納米顆粒表征為劑量的函數(shù)，以觀察在更高劑量的輻射下平均納米顆粒直徑的減小和多分散性。隨后，他們采用了能量色散X射線光譜(EDS)技術來檢測凝膠納米傳感器輻照區(qū)域中的高產量AuNPs。

為了研究凝膠納米傳感器的翻譯潛力并預測輻射的形貌，Pushpavanam等人。首先使用了頭頸幻影模型。他們在眼睛附近傳送了不規(guī)則的新月形輻射劑量，以模仿皮膚癌治療期間靠近眼睛等關鍵結構的放射療法的臨床挑戰(zhàn)性給藥方式。使用治療計劃系統(tǒng)提供的劑量分布與凝膠納米傳感器的預測非常吻合。指示其檢測和預測類似于臨床人體放射治療中使用的復雜輻射模式的能力。

在臨床前研究期間，研究團隊首次使用兩種犬模型進行放射治療，以首次研究凝膠納米傳感器作為獨立的納米級放射劑量計的效率，并將其與常規(guī)臨床放射變色膜進行了比較。處理完成后，Pushpavanam等人。在凝膠的一半中觀察到褐紅色的形成，而未照射的區(qū)域仍然是無色的。他們對凝膠納米傳感器在輻照區(qū)域的預測顯示出與治療計劃系統(tǒng)和放射致變色膜極佳的一致性。凝膠納米傳感器還預測了輻射外部的區(qū)域，以接收最小的輻射以及它們的拓撲劑量分布。該性能可與臨床放射致變色膠片相媲美，但比傳統(tǒng)的等待時間(通常> 24小時)更快?？茖W家展示了這種節(jié)儉發(fā)明的制造，操作，讀出時間和成本效益(每種凝膠材料僅0.50美元)的簡單性。他們將凝膠納米傳感器的響應至少維持了7天，以指示長期對劑量數(shù)據(jù)進行檢索，這與基于熒光的劑量計不同，其讀數(shù)僅持續(xù)數(shù)分鐘。