Plazmonik Fototermal Kanser Tedavisi: Fototermal Sıcaklık Dağılımını Görselleştirmek için Nanopartikül Gömülü Tümör Dokusu Taklit Eden Fantomlar

Özet

Bu makale, plazmonik fototermal tedavi için optik özellikleri çoğaltan tümör dokusu fantomlarının hazırlanmasına yönelik protokolü sunmaktadır. Fantom hazırlama, fototermal değerlendirmeler ve terapötik parametreleri değerlendirmek için fototermal sıcaklık ölçümlerine dayalı geliştirilen sayısal modelin doğrulanmasını detaylandırır ve ön test için in vivo çalışmalara etik, uygun maliyetli bir alternatif sunar.

Özet

Gelişmekte olan bir kanser tedavisi olan plazmonik fototermal tedavi (PPTT), bir tümöre nanopartiküllerin (NP'ler) verilmesini ve ardından kanser hücrelerini yok eden lokalize ısı üretmek için yakın kızılötesi (NIR) ışınlamayı içerir. PPTT'yi uygulamadan önce, terapötik parametrelerin - NP konsantrasyonu, ışınlama yoğunluğu ve süresi - tahmin edilmesi gerekir. Bunun için sayısal simülasyonlar yapılır. Bununla birlikte, sağlam hesaplamayı sağlamak için, bu simülasyonlar, tümör dokusunun optik özelliklerini kopyalayan tümör dokusunu taklit eden fantomlar üzerinde fototermal deneyler yoluyla doğrulanmalıdır. PPTT için terapötik parametreler, gelen radyasyonun doku ve NP'ler tarafından saçılması ve emilmesi ile yönetilir. Bu nedenle, hedef tümörün/dokunun azaltılmış saçılma katsayısını (μ_s') ve absorpsiyon katsayısını (μ_a) taklit eden fantomlar üzerinde doğrulama deneyleri yapılabilir.

Spesifik olarak, bu protokol, normal meme dokusu ile çevrili, altın nanoçubuklarla enjekte edilen meme tümörünün μ_s' ve μ a'sını taklit eden fantomların hazırlanması için talimatlar sağlar. Protokol ayrıca, uzay-zamansal sıcaklıkları termokupllar kullanılarak ölçülenlerle karşılaştırarak NIR ışınlamasını, sıcaklık izlemeyi ve sayısal sonuçların doğrulanmasını da detaylandırır. Bu çalışmada sunulan protokoller, boyutları (φ40 x 12 mm) ve merkezi tümör bölgesi (φ20 x 6 mm) olan, baz matriks olarak %1 agaroz ve saçılma bileşeni olarak intralipid ve 25 μg/mL konsantrasyonda altın nanoçubuklarla gömülü tümör bölgesi içeren hidrojel bazlı silindirik meme tümör dokusu fantomlarının hazırlanmasını kolaylaştırmıştır. Bir vaka çalışmasından elde edilen temsili sonuçlar, PPTT için sayısal simülasyonları doğrulamak için fabrikasyon fantomların uygulanmasını göstermektedir. Çalışma, gösterilen protokollerin, in vivo deneylerden önce terapötik parametreleri optimize etmeyi ve planlamayı ve PPTT için sayısal simülasyonları doğrulamayı amaçlayan fototermal deneylerin yürütülmesi için değerli olduğu sonucuna varmıştır.

Giriş

Plazmonik fototermal tedavi (PPTT), tümör bölgesine nanopartiküllerin (NP'ler) verilmesini ve ardından yakın kızılötesi (NIR) radyasyonla ışınlanmayı içeren, gelişmekte olan lokalize bir kanser tedavi yöntemidir. NP'ler tipik olarak intratümöral (IT) veya intravenöz (IV) yollar¹ yoluyla uygulanır. NIR ışınlaması üzerine, gelen radyasyonun ve NP'lerin plazmonik etkileşimi, NP'lerin yüzeyinde lokalize ısı oluşumuna yol açar ve bu daha sonra çevredeki tümör dokusuna^{dağılır 2,3}. Bu lokalize ısıtma, tümör bölgesindeki sıcaklığı yükseltir ve termal ablasyon yoluyla kanser hücresi ölümüne^{yol açar 4,5}. Etkili kanser tedavisi, çeşitli biyolojik süreçlerle 1 saat⁶ boyunca 46 ºC, 4-6 dakika⁷ boyunca 50-52 ºC veya anlık hasar için 60 ºC gibi belirli sıcaklıkların korunmasıyla^{sağlanabilir 8}.

Fototermal tedavi uygulaması için çeşitli fototermal ajanlar araştırılmış ve raporlanmıştır ve terapötik etkinlikleri in vitro veya in vivo çalışmalarla değerlendirilmiştir. Bu ajanlar, yakın kızılötesi boyalar (örneğin, İndosiyanin Yeşili, IR780, IR820), polimer bazlı fototermal maddeler (örneğin, polidopamin^{) gibi organik} malzemeleri 9 ve asil metal bazlı NP'ler veya plazmonik NP'ler (örneğin, altın NP'ler) dahil olmak üzere inorganik malzemeleri^{10 içerir.11}, geçiş metali kükürt/oksitler¹² ve MXenes¹³. Bunlar arasında, plazmonik NP'ler, özellikle altın NP'ler, geleneksel fototermal ajanlara (örneğin boyalar) göre daha iyi fototermal stabilite, daha yüksek fototermal dönüşüm verimliliği ve şekil ve boyut varyasyonları yoluyla ayarlanabilir plazmonik tepki gibi çeşitli avantajlar sunar¹⁰. Bu özellikler, altın NP'leri fototermal tedavi için ideal adaylar haline getirir ve bazıları şu anda klinik deneylerden geçmektedir¹⁴.

PPTT sırasında terapötik etkinliği optimize etmek ve yeterli tümör termal hasarını sağlamak için, PPTT'nin klinik öncesi / klinik uygulamasından önce NP dozu (konsantrasyon açısından) ve NIR radyasyon parametreleri (ışınlama yoğunluğu ve süresi dahil) gibi tedavi parametrelerinin tahmin edilmesi önemlidir. Bu parametreleri oluşturmak için tipik olarak sayısal simülasyonlar kullanılır. Tümör dokusu içindeki termal hasarı değerlendirmek için çeşitli sayısal yöntemler geliştirilmiştir ve kafes Boltzmann yöntemi böyle bir yaklaşımdır^15,16. Bununla birlikte, bu simülasyonların güvenilir olması için, doku taklit eden fantomlar olarak bilinen doku analogları kullanılarak doğrulanmaları gerekir. Bu fantomlar, gerçek dokuların optik, termal, biyolojik veya mekanik özelliklerini çoğaltmak için hazırlanabilir ve biyolojik uygulamalara yönelik yeni geliştirilen cihazların, malzemelerin veya yöntemlerin ön testini, tedavi değerlendirmesini ve doğrulanmasını sağlamak için ikame görevi görebilir^17,18. Bu, hayvanların veya insan deneklerin gereksiz yere acı çekmesini azaltabilir ve bu tür deneylerle ilişkili etik kaygıları ele alabilir^19,20.

Bir fantomun tasarımı ve üretimi, amaçlanan uygulamaya^{bağlıdır 21}. Örneğin, PPTT gibi fototerapiler sırasında, gelen radyasyonun dozu, NP'ler ve dokular tarafından emilen veya saçılan ışık miktarından etkilenir^22,23. Bu nedenle, optik özellikleri, özellikle biyolojik dokuların azaltılmış saçılma katsayısını (μ_s^') ve absorpsiyon katsayısını (μ_a) taklit eden optik fantomlar, PPTT değerlendirmeleri ve ardından sayısal simülasyonların doğrulanması için kullanılır^24,25. Optik fantomlar tipik olarak üç ana bileşenden oluşur: bir baz matrisi, saçılma maddeleri ve absorpsiyon maddeleri^17,26. Baz matris, istenen optik özellikleri çoğaltmak için saçılma ve absorpsiyon bileşenlerini uygun konsantrasyonlarda tutar. Bu fantomlar, baz matrisin tipine bağlı olarak katı, sıvı ve yarı katı (hidrojel) fantomlar olarak sınıflandırılabilir. PPTT gibi termal terapötik çalışmalar için, hidrojel fantomlar, özellikle agaroz bazlı fantomlar, biyouyumlulukları, ihmal edilebilir doğal saçılma ve absorpsiyonları, basit üretim süreçleri ve tümör geometrilerine karşılık gelen istenen şekil ve boyutlarda dökülebilme esneklikleri nedeniyle tercih edilir^19,22. En önemlisi, agaroz tipi fantomların erime sıcaklığı ~80 ºC¹⁹ olduğundan, hazırlanan agaroz bazlı fantomlar ~70-80 ºC yığın sıcaklıklarına kadar kullanılabilir. PPTT için ~ 50-80 ºC'lik bir sıcaklık aralığı yeterli olduğundan, bu tür agaroz bazlı fantomlar PPTT tabanlı fototermal değerlendirmeler için kullanılabilir.

Çeşitli uygulamalar için çeşitli hidrojel bazlı doku taklit eden fantomlar geliştirilmiş ve rapor edilmiştir. Mustari ve ark. agaroz bazlı doku taklit eden fantomlar geliştirdi ve yeni tasarlanmış bir optik sistemi doğrulamada faydalarını gösterdi¹⁸. Başka bir çalışmada, yüksek yoğunluklu odaklanmış ultrason (HIFU) tedavisi sırasında termal hasarın derecesini ölçmek için dokuyu taklit eden termokromik fantomlar hazırlandı²⁷. Poliakrilamid bazlı doku taklit eden fantomlar da HIFU bazlı kanser tedavisi sırasında kavitasyon etkisini analiz etmek için hazırlanmıştır²⁸. Bu çalışmanın amacı, PPTT değerlendirmeleri için fantom tabanlı fototermal deneyler için protokol ile birlikte tümör dokusunu taklit eden fantomları üretmek için adım adım bir yöntem göstermektir. Önerilen bu ayrıntılı protokol, yeni geliştirilen nanoyapıların fototermal performansını test etmek için fantom preparatının ve müteakip fantom tabanlı fototermal deney yöntemlerinin benimsenmesini ve tekrarlanabilirliğini teşvik etmeyi, böylece sayısal simülasyonları doğrulamayı ve PPTT'nin terapötik parametrelerinin ön işlem planlamasına veya optimizasyonuna yardımcı olmayı amaçlamaktadır. Bu makale, yüzey altı meme tümörleri için özel olarak tasarlanmış bir fantom hazırlama protokolünü açıklamaktadır; Bununla birlikte, aynı adımlar, optik absorpsiyon ve saçılma ajanlarının bileşimini değiştirerek çeşitli tümör dokusu tiplerinin (çeşitli şekil ve boyutlarda) üretilmesi için uyarlanabilir. Örnek olarak, gösterilen dokuyu taklit eden fantom tabanlı fototermal değerlendirmeler, alt yüzey önkol tümörü²⁴, alt yüzey IDC²⁵ ve cilt tümörleri²⁹ için PPTT simülasyonlarını doğrulamak için daha önce bildirilen çalışmalarda kullanılmıştır.

Bu yazıda, cilt yüzeyinin 3 mm altında yer alan ve normal meme dokusu ile çevrili, özellikle invaziv duktal karsinom (IDC) olmak üzere bir alt yüzey veya deri altı meme tümörünün μ_s'lerini taklit eden bir optik fantomun hazırlık aşamaları anlatılmaktadır. Fantom, normal ve kanserli meme dokusunun μ_s'sini taklit etmek için uygun konsantrasyonlarda eklenen baz matriks olarak agaroz ve saçılma ajanı olarak intralipid (IL) kullanılarak hazırlanan silindirik geometriye sahiptir. İhmal edilebilir saçılma ve absorpsiyona sahip şeffaf bir hidrojel olan agaroz, optik fantomlar^18,30 için ideal bir temel matristir. Ayrıca, hücre zarlarının iki katmanlı yapısını taklit eden %20'lik bir yağ emülsiyonu olan IL, bir saçılma ajanı^31,32 olarak yaygın olarak kullanılmaktadır ve bu çalışma için normal ve kanserli meme dokusunun μ_s'sini çoğaltmak için seçilmiştir. Fantom, plazmonik NP'ler olarak altın nanoçubuklar (AuNR'ler) enjekte edilen meme tümörünü (IDC) taklit etmek için tasarlanmıştır ve AuNR'ler olmadan normal meme dokusu ile çevrilidir. PPTT'de kullanılan çeşitli altın NP'ler arasında, NIR bölgesindeki güçlü plazmonik yanıtları ve köpek ve kedi hastalarını içerenler de dahil olmak üzere klinik öncesi PPTT çalışmalarında yaygın kullanımları nedeniyle AuNR'ler bu çalışma için seçilmiştir¹⁴. Protokol, iki tip fantomun hazırlanmasını göstermektedir: biri IV enjeksiyonunda görüldüğü gibi AuNR dağılımına sahip bir tümör ve diğeri IT enjeksiyonu ile elde edilen AuNR dağılımını yansıtan bir tümör ile. Fantom hazırlama protokolünü takiben, NIR ışınlaması için deney düzeneği ve fantomlar üzerinde fototermal değerlendirmeler yapma adımları açıklanmaktadır. Son olarak, bu değerlendirmelerden elde edilen sıcaklık dağılımı sonuçlarının yorumlanması ve deneysel verilerin sayısal simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılması için adım adım bir kılavuz sağlanmıştır. Bu karşılaştırma, gelişmiş bir sayısal yöntemin doğrulanmasına yardımcı olur ve bir tümöre özel olarak uyarlanmış optimal tedavi parametrelerinin ayarlanmasını sağlar.

Protokol

NOT: Fantomlar, istenen optik özellikleri elde etmek için literatürde bildirilen bileşimlere dayalı olarak agaroz ve intralipid kullanılarak hazırlandı. Hastalardan veya kadavralardan alınan gerçek bir biyolojik doku kullanılmadı. Bu nedenle, bu fantomların hazırlanması etik kısıtlamalardan muaftır ve bilgilendirilmiş onam gerektirmez.

1. Uygun bir kalıbın seçimi veya imalatı

1. . Uygun bir kalıp seçimi
   1. Fantomlar için istenen şekil ve boyutlara uygun bir kalıp seçin. NP'lerle eşit olarak dağılmış ve normal doku ile çevrili bir tümör bölgesine sahip silindirik fantomlar için, kalıp⁸ olarak bir cam Petri kabı ve küçük bir beher kullanın (Şekil 1A).
      NOT: Bu adımlar, silindirik geometride tümör dokusunu taklit eden fantomları hazırlamak içindir. Diğer şekiller veya boyutlar için uygun bir kalıp seçin. Uygun bir kalıp mevcut değilse, adım 1.2'de ayrıntılı olarak açıklandığı gibi üç boyutlu (3D) baskı kullanarak bir kalıp üretin.
2. 3D baskı ile kalıp imalatı
   1. İstenilen şekil ve boyuta göre Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımını (ör. SolidWorks, Autodesk Inventor veya CATIA) kullanarak bir 3B model tasarlayın. Bu protokolü takip etmek için, Şekil 1B'de gösterildiği gibi bir içi boş silindir (iç çap 40 mm, kalınlık 2 mm ve yükseklik 12 mm; Ek Dosya 1'e bakın) ve iki katı silindirik maskeleme kalıbı (boyutlar φ20 x 6 mm ve φ14 x 3 mm) tasarlayın.
      1. İçi boş silindir tasarımı/çizimi için, CAD yazılımında 40 mm ve 44 mm çapında iki daire oluşturun. Ardından, geometriyi 12 mm sıkın.
      2. Katı silindirik maskeleme kalıpları için, 20 mm ve 14 mm çapında daireler oluşturun, ardından sırasıyla 6 mm ve 3 mm ekstrüzyon yapın (bkz. Ek Dosya 2 ve Ek Dosya 3). Silindirin bir tarafına bir dikdörtgen (kenarlar 44 mm ve 5 mm) çizin ve 2 mm sıkın.
   2. Yazdırmak için 3B yazıcı uyumlu yazılım (ör. Cura) kullanarak 3B modelleri Gcode formatına dönüştürün.
   3. Bir 3D yazıcı kullanarak kalıpları yazdırmak için bu Gcode'u kullanın (örneğin, burada polilaktik asit [PLA] φ1.75 mm, 1 kg eSun kullanarak).
      NOT: Dikdörtgen, maskeleme kalıplarını askıya almak için çizilir. İstenilen diğer şekillere sahip fantomlar hazırlamak için farklı kalıplar tasarlanabilir ve üretilebilir.

2. Tümör dokusunu taklit eden fantom solüsyonlarının hazırlanması²⁵

NOT: Bu çalışmada, tümör dokusunu taklit eden silindirik geometriye sahip agaroz bazlı optik fantomlar, Şekil 2'de gösterildiği gibi, IT veya IV enjeksiyon yoluyla AuNR'ler enjekte edilen bir alt yüzey meme tümörüne benzeyecek şekilde hazırlanmıştır. IT fantomunun iki bölgesi vardır: AuNR'leri olan merkezi bir tümör bölgesi ve çevreleyen normal doku bölgesi. IV fantomun üç bölgesi vardır: tümör çevresinde AuNR'leri olan bir tümör bölgesi, AuNR'leri olmayan merkezi çıplak bir tümör bölgesi ve çevreleyen normal doku bölgesi. Optik özellikler (μ_a ve μ_s') tümör ve normal doku için farklılık gösterdiğinden, farklı bileşimlere sahip her bölge için ayrı fantom solüsyonları hazırlanır ve ayrı ayrı tartışılacaktır.

1. Normal meme dokusunu taklit eden fantom solüsyonunun hazırlanması (Solüsyon 1)
   NOT: Bu çözüm hem IT hem de IV fantomları için kullanılacaktır. Çözelti 1'in hazırlık adımları Şekil 3A'da gösterilmiştir.
   1. Kalıbın boyutlarına göre çözümün teorik hacmini hesaplayın.
      NOT: Burada, φ40 x 12 mm'lik silindirik kalıp için hesaplanan hacim, fantom başına 15^cm3 veya 15 mL'dir. Bu tür iki fantomun hazırlanması gerektiğinden, toplam hacim 15 mL x 2'dir, bu da 30 mL'dir. Bu nedenle, fantom hazırlama adımı sırasında buharlaşmayı veya dökülmeyi hesaba katmak için 35 mL çözelti hazırlayın.
   2. 35 mL çözeltiye eklenecek tüm fantom bileşenlerinin - agaroz (temel malzeme olarak) ve IL (saçılma bileşeni olarak) miktarını (ağırlık / konsantrasyon / hacim) hesaplayın.
      1. % 1 w / v konsantrasyonuna karşılık gelen 35 mL çözelti hazırlamak için 0.35 g agaroz ekleyin.
      2. Literatürde bulunan μ s' verilerine karşı IL konsantrasyonuna dayalı olarak istenen μ_s' normal meme dokusuna (ör., 10.1 ^{cm-1 33}) karşılık gelen IL konsantrasyonunu tahmin _edin. Ardından, denklem (1)'i kullanarak fantom çözeltisine eklenecek IL hacmini (%20 emülsiyon stoğu) hesaplayın:
         (1)
         Burada _C1 ve V₁, sırasıyla reaktif stoğunun konsantrasyonu (burada %20 IL stoğu) ve eklenecek reaktif stok çözeltisinin hacmidir (burada hesaplanacaktır). C₂, nihai çalışma çözeltisinde reaktifin (literatürden elde edilecek) gerekli konsantrasyonudur ve V₂, son çalışma çözeltisinin toplam hacmidir (burada, 35 mL).
         NOT: Burada, 10.1 cm-1'lik μ_için, bildirilen literatürden tahmin edilen IL konsantrasyonu %1.04'tür34,35. Yukarıdaki adımları kullanarak, eklenecek IL hacmi (%20 IL stoğu) 1.82 mL'dir.
   3. 0.35 g agarozu tartın ve bir beherde 33.18 mL deiyonize (DI) suya ekleyin. Su kaybını önlemek için kabı alüminyum folyo ile örtün.
   4. Çözeltiyi içeren kabı sıcak bir plaka üzerinde 120 °C'de ısıtın ve çözelti şeffaf hale gelene kadar karıştırın.
   5. Sıcak plakanın sıcaklığını 60 ºC'ye düşürün. 15 dakika sonra, karıştırırken 1.82 mL IL ekleyin. Elde edilen çözeltiyi, Çözelti 1'i, kullanıma kadar (dökülmeye hazır) 60 ºC'de karıştırarak tutun.
      NOT: 60 ºC'deki fantom çözeltisinin karıştırma koşulları altında tutulması gerekir. Aksi takdirde, çözeltinin katılaşmasına yol açar.
2. AuNR gömülü tümör fantom çözeltisinin hazırlanması (Çözelti 2)
   NOT: Bu çözüm hem IT hem de IV fantomları için kullanılacaktır. Çözelti 2'nin hazırlık adımları Şekil 3B'de gösterilmiştir.
   1. Doldurulacak tümör bölgesinin hacmini hesaplayın (φ20 x 6 mm).
      NOT: Bu tür iki tümör fantomu için yaklaşık hacim 3.8 mL'dir. Bu nedenle, hazırlanacak çözelti hacmi 4.5 mL olacaktır.
   2. Bölüm 2.1'de belirtildiği gibi benzer adımları kullanarak eklenecek tümör fantom bileşenlerinin miktarını (agaroz, IL ve AuNR'ler) hesaplayın.
      1. % 1 w / v konsantrasyonuna karşılık gelen 4.5 mL çözelti hazırlamak için 45 mg ekleyin.
      2. Meme tümörünün IL:μ_s' değeri 4.6 ^{cm-1 33'tür} ve aynı şeyi taklit etmek için gereken karşılık gelen IL konsantrasyonu %0.472'dir34,35. Bu nedenle,% 20 IL stoğundan 4.5 mL tümör fantom çözeltisine 106.2 μL IL ekleyin.
      3. Fantomda istenen AuNR konsantrasyonu 25 μg/mL'dir. Aynısını elde etmek için, tümör fantom çözeltisine 3.21 mL AuNRs çözeltisi (stok konsantrasyonu: 35 μg / mL) ekleyin.
   3. Bir beherdeki 1.18 mL DI suya 45 mg agaroz ekleyin ve bir alüminyum folyo ile kaplayın.
   4. Beheri sıcak bir tabağa koyun ve çözelti şeffaf hale gelene kadar 120 ºC'de karıştırın.
   5. Sıcak plakanın sıcaklığını 60 ºC'ye düşürün ve çözeltiyi 15 dakika bekletin.
   6. Karıştırma koşulları altında 106.2 μL IL ve 3.21 mL AuNR süspansiyonu (35 μg/mL) ekleyin. Elde edilen çözeltiyi, Çözelti 2'yi, dökülene kadar 60 ºC'de karıştırarak tutun.
3. Çıplak tümörün hazırlanması (AuNR'ler olmadan) fantom çözeltisi (Çözüm 3)
   NOT: Bu çözüm yalnızca IV fantom için kullanılacaktır. Çözelti 2'nin hazırlık adımları Şekil 3C'de gösterilmiştir.
   1. Çıplak bir tümör bölgesi (~ φ20 x 6 mm) oluşturmak için eklenecek süspansiyonun teorik hacmini hesaplayın.
      NOT: Tümör fantomları için yaklaşık hacim 1.9 mL'dir. Bu nedenle, hazırlanacak çözelti hacmi 2.5 mL olacaktır.
   2. Bölüm 2.1'de belirtildiği gibi benzer adımları kullanarak eklenecek tümör fantom bileşenlerinin miktarını hesaplayın-agaroz ve IL.
      1. % 1 w / v konsantrasyon elde etmek için 2.5 mL çözelti hazırlamak için 25 mg agaroz ekleyin.
      2. Meme tümörünün IL:μ_s' değeri 4.6 ^{cm-1 33'tür} ve aynı şeyi taklit etmek için gereken karşılık gelen IL konsantrasyonu %0.472'dir34,35. 59 μL %20 IL stoğu ekleyin.
   3. Bir beherde 2.44 mL DI suya 25 mg agaroz ekleyin ve bir alüminyum folyo ile kaplayın.
   4. Beheri sıcak bir tabağa koyun ve çözelti şeffaf hale gelene kadar 120 ºC'de karıştırın.
   5. Sıcak plakanın sıcaklığını 60 ºC'ye düşürün ve çözeltiyi 15 dakika bekletin.
   6. Karıştırma koşulları altında çözeltiye 59 μL IL ekleyin. Elde edilen çözeltiyi, Çözelti 3'ü, dökülene kadar 60 ºC'de karıştırma koşulları altında tutun.

3. Tümör dokusunu taklit eden fantomun hazırlanması 24,25,36

1. Dökme aşaması için kalıpları hazırlayın. Bunun için silindirik kalıpların altını parafilm ile kapatın ve maskeleme kalıbını (φ20 x 6 mm) merkeze yerleştirin.
2. Çözelti 1'i maskeleme kalıbının üst işaretine kadar silindirik kalıplara dökün ve katılaşmasına izin verin (Şekil 4A).
3. Katılaşmadan sonra, tümör bölgesi için bir boşluk oluşturmak için maskeleme kalıbını çıkarın (Şekil 4B).
   NOT: Protokol, adım 3.3'e kadar hem IT hem de IV fantomları için aynı olacaktır. İşlem, adım 3.3'ten sonra BT ve IV fantomları için ayrı ayrı ele alınacaktır.
4. BT hayaleti 24,25,36
   1. Boşluğu Çözelti 2 ile doldurun ve katılaşmasına izin verin (Şekil 4C).
   2. Fantomun üstüne Çözelti 1'i ekleyin ve tamamen katılaşmasına izin verin (Şekil 4D).
5. IV hayalet^24,25
   1. Daha küçük bir maskeleme kalıbı (φ14 x 3 mm) yerleştirin ve etrafındaki boşluğu Çözelti 2 ile doldurun (Şekil 4E).
   2. Katılaştıktan sonra, daha küçük kalıbı çıkarın ve kalan boşluğu Çözelti 3 ile doldurun (Şekil 4F).
   3. Çözelti 1'i en üste ekleyin ve tam katılaşmaya izin verin (Şekil 4G).

4. Termokuplların fantom ^24,25,36 içine yerleştirilmesi

NOT: Uzamsal sıcaklık dağılımını izlemek için, Şekil 2'de gösterildiği gibi, fantom içine çeşitli radyal (r) ve eksenel (z) konumlarda K tipi termokupllar yerleştirilir. Termokuplların doğru yerlere yerleştirilmesi için, hassasiyeti sağlamak için cam kılcal damarlar kılavuz olarak kullanılır. Termokupl konumları (r, z) olarak gösterilir, burada z = 3 mm derinlikteki tümörün üst yüzeyindeki orta nokta hem IT hem de IV fantomlar için referans noktası görevi görür ve Şekil 2A, B'de gösterildiği gibi (0, 3) olarak adlandırılır. Tümör bölgesindeki termal hasarı ölçmek için radyal ve eksenel konumlar seçilirken, tümör çevresindeki konumlar (hem radyal hem de eksenel) kritiktir. NIR ışınlaması sırasında bu periferik noktalarda gerekli sıcaklıklara ulaşılması, tam tümör ablasyonunu sağlar. Böylece, termokupllar z = 3 ve 9 mm'de, yani (10, 3) ve (10, 9) 'da radyal uç noktalara (tümörün) yerleştirilir ve bir termokupl, tümör-doku arayüzüne z = 9 mm'de (periferik eksenel konum), yani (0, 9) Şekil 2A, B'de gösterildiği gibi yerleştirilir. Ek olarak, eksenel sıcaklık dağılımını değerlendirmek için, (0, 3) ve (0, 9) konumları arasına (0, 6) olarak gösterilen bir termokupl yerleştirilir. Son olarak, çevredeki sağlıklı doku bölgesindeki sıcaklık artışını değerlendirmek için (15, 3) noktasına bir termokupl yerleştirilir.

1. Cam kılcal damarları, fantom içinde istenen radyal ve eksenel konumlara ulaşacak şekilde uygun uzunluklarda kesin.
2. Bu cam kılcal damarların içine termokupllar yerleştirin ve belirtilen radyal ve eksenel fantom konumlarında tek tek delin.
3. Tüm termokupllar yerleştirildikten sonra, Şekil 5A'da gösterildiği gibi, sonraki NIR ışınlaması için fantomu dikkatlice bir cam Petri kabına yerleştirin.

5. NIR ışınlamasına maruz kalma ve elde edilen fototermal sıcaklıkların ölçümü³⁶

1. Fantomu içeren cam Petri kabını (termokupllarla yerleştirilmiş), fantomun üst yüzeyinin merkezi bölgesi, Şekil 5A'da gösterildiği gibi NIR ışık kaynağının optik fiberinin ucuna dik olacak şekilde yerleştirin.
   NOT: Fantom yüzeyindeki ışın çapı, yüzey ile fiber optik uç arasındaki mesafe değiştirilerek ayarlanabilir. Burada, merkezi tümör bölgesini kaplayan 20 mm'lik bir ışın çapı elde etmek için 9 mm'lik bir mesafe tutulur.
2. Veri Toplama (DAQ) sistemini bilgisayara bağlayın ve LabVIEW yazılımını açın.
3. Işınlamanın başlangıcında sıcaklık verilerini kaydetmek için NIR ışık kaynağını (Şekil 5B) ve yazılımdaki oynat düğmesini aynı anda açın.
4. Fantomu 20 dakika boyunca ışınlayın, ardından NIR ışık kaynağını kapatın ve kaydı durdurun.
5. Kaydedilen sıcaklık ve zaman verilerini çizin.

6. Simülasyon sonuçları ile sıcaklık karşılaştırması^24,25

NOT: Deneyler genellikle tekrarlanır ve tüm termokupl konumlarında sıcaklıklar belirlenen zaman aralıklarında kaydedilir. Doğrulama için aşağıdaki adımlar gerçekleştirilir:

1. Tüm termokupl konumlarında (r, z) deneysel sıcaklıkların ortalama ve standart sapmasını hesaplayın.
2. Dikkate alınan termokupl konumlarındaki sıcaklıkları sayısal olarak hesaplayın.
3. Şekil 6'da gösterilen, deneylerden elde edilen ortalama sıcaklık ve zamana göre tüm termokupl konumlarında simülasyon yoluyla elde edilen sıcaklık grafiği.
4. Tablo 1'de gösterildiği gibi, doğrulamayı değerlendirmek için sıcaklık farkını ölçmek için tüm termokupl konumları için kök ortalama kare hatası (RMSE) ve ortalama mutlak hatayı (MAE) hesaplayın.
   NOT: MAE ve RMSE, sırasıyla Denklem 2 ve 3 kullanılarak hesaplanır.
   (2)
   (3)
   Burada TE, TS ve N deneysel olarak elde edilen sıcaklık, sayısal olarak hesaplanan sıcaklık ve veri noktalarının sayısıdır (burada, sıcaklıklar sırasıyla 20 dakika boyunca her saniye kaydedilir; dolayısıyla = 1.200). I, zaman anlarını temsil eder.

Sonuçlar

Şekil 6, Şekil 2'de gösterildiği gibi, tüm termokupl konumlarında AuNR'ye gömülü bir tümör dokusu fantomu ile yapılan deneyler sırasında elde edilen zamansal ortalama sıcaklıkları, ilgili termokupl konumlarında simülasyonlar sırasında elde edilen sıcaklıklarla karşılaştırıldığında göstermektedir. Burada, deneyler her bir dağılım için, yani AuNR'lerin IT ve IV d...

Tartışmalar

Bu makale, optik fantomları taklit eden agaroz bazlı tümör dokusunun hazırlanması için protokolü sunmaktadır. Fantomlar, PPTT çalışmalarında kullanılmak üzere tümör ve normal dokuların optik özelliklerini taklit edecek şekilde tasarlanmıştır. Bu çalışmada, PPTT sırasında sayısal yöntemlerin doğrulanması için bu fantomların uygulaması vurgulanmaktadır. Bu protokoldeki en kritik adım, agaroz ve IL içeren fantom çözeltilerinin sıcaklığının sürek...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Agarose	Sigma-Aldrich	9012-36-6	Base matrix for phantoms
Deionized (DI) water (18.2 MΩ)	NA	NA	Solvent for the preparation of phantom solutions
Gold nanorods (AuNRs)	Nanopartz	A12-10-808	Plasmonic nanoparticles
Intralipid (20% emulsion stock)	Sigma-Aldrich	68890-65-3	Scattering agent of phantoms
Parafilm	Parafilm M	380020	To seal the bottom of cylindrical mold
Polylactic acid filament	eSun	NA	Material for molds (1.75 mm dia wire)
Name of Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
3D Printer	Creality	Ender-3	For printing molds
Data acquisition (DAQ) system	National Instruments	cDAQ-9171	For recording temperatures
DI water unit	Merck Millipore	Direct-Q3	For DI water
Hot plate with magnetic stirrer	IKA	C-MAG HS 4	For phantom solutions preparation
NIR light source	NA (In-house developed)	NA	For NIR irradiation of phantoms, (800/50 nm; Center wavelength: 800 nm, Bandwidth: 50 nm)
Optical Fiber (1/2" × 12")	Edmund Optics	38-659	For NIR irradiation of phantoms
Type K thermocouples	RS Components	RS Pro 397-1589	For temperature monitoring at various phantom locations during NIR irradiation
Weighing Balance	Wensar	PGB 200	For weighing agarose
Name of Software	Company	Catalog Number	Comments/Description
Autodesk Inventor 2021	Autodesk	NA	For mechanical designing of molds
Cura 5.7	Ultimaker	NA	For converting mechanical design to Gcode for 3D printing
Matlab R2024b	MathWorks	NA	For numerical simulations and temperature data plots
Name of Labwares used	Company	Catalog Number	Comments/Description
Beakers (50 mL)	Borosil	1000D12	For phantom solution preparations
Beakers (10 mL)	Borosil	1000006	For phantom solution preparations
Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf Research plus, 1-channel, variable	3123 000 063	For adding constituents into the phantom solution
Pipette (10-100 µL)	Eppendorf Research plus, 1-channel, variable	3123 000 047	For adding constituents into the phantom solution
Spatula	Borosil	LASC8888M06	For weighing agarose and demolding the phantoms from the molds
Tips (100-1000 µL)	Tarsons	521016	For adding constituents into the phantom solution
Tips (10-100 µL)	Tarsons	521010Y	For adding constituents into the phantom solution