Лучевая терапия является основой терапевтических возможностей лечения рака, и разработка новых технологий привела к заметному усложнению методов лучевой терапии. Современное программное обеспечение для планирования позволяют получать пациентам более высокую конформную дозу облучения, что ведет к улучшению результатов и качества жизни после лечения.
В целом, проведение лучевой терапии требует доставки высокой порции облучения в опухоль при минимальной дозе, поступающей в окружающие здоровые ткани. Радиационные дозы, назначаемые пациентам, зависят как от характера, так и от стадии заболевания.
- Лечебная радиотерапия обычно проводится в небольших дозах в течение нескольких сеансов, что приводит к увеличению совокупной части. Фракционированная лучевая терапия снижает риск долгосрочных необратимых побочных эффектов, и обычно дозы облучения ≈2 Гр вводятся за один сеанс.
- При паллиативной лучевой терапии для завершения лечения в течение короткого промежутка времени выдаются более крупные фракционные дозы>3 Гр за сеанс лечения. Различные источники ошибок, включая программные ошибки в линейных ускорителях, могут привести к передозировке излучения и последующей заболеваемости пациентов.
Учитывая риск случайного переоблучения, независимая проверка излучения, полученной в тканях-мишенях и вблизи них, может еще больше повысить безопасность пациентов. Решающее значение для предотвращения возникновения осложнений имеет определение топографических дозировочных профилей вдоль различных тканей, включая:
- полость рта при раке головы и шеи и полости рта;
- верхний желудочно-кишечный тракт при раке пищевода, головы и шеи, легких и желудка;
- нижний ЖКТ при раке толстой кишки и мочевого пузыря, простаты, шейки матки и мочевого пузыря.
Кроме того, кожа является первым органом, подвергающимся воздействию внешнего лучевого излучения. Чрезмерное облучение кожи может привести к осложнениям, включая эритему, шелушение и некроз . Однако большинство клинически используемых датчиков, включая термолюминесцентные дозиметры, ионные камеры и кремниевые диоды, способны измерять точечные дозы, но не могут составить топографические профили доз облучения. Это позволяет избегать идентификации областей переоблучения. Для преодоления этих ограничений были разработаны рентгенографические пленки, которые использовались для определения топографической дозовой информации во время радиотерапии. Однако время ожидания после облучения, обычно >24 часа, необходимое для прогнозирования дозы и невозможность соответствовать анатомическим особенностям человека, ограничивает регулярное клиническое использование этих пленок. Кроме того, на характеристики рентгенографических пленок влияют условия эксплуатации, которые вызывают возникновение артефактов после облучения.
Существует острая необходимость в новых технологиях, которые могут эффективно отражать топографическое распределение доз на тканях или вблизи них с минимальным временем ожидания после облучения для планирования лечения, проверки и дозиметрии.
Ограничения современных датчиков.
- Молекулярные и наноразмерные датчики могут преодолеть ограничения обычных систем и являются практичной альтернативой в качестве факультативных радиационных датчиков.
- Квантовые точки и металлические органические структуры демонстрируют интенсивный сцинтилляционный отклик, но предоставляют только точечную информацию о дозе, ограничивающую их применение в клинике.
- Полимерные гелевые дозиметры используют сложные методы считывания показаний для анализа после облучения, что делает их клиническое применение громоздким и дорогостоящим.
- Радиационно обусловленное преобразование не флуоресцентного мономера в флуоресцентный полимер было исследовано для определения дозы, но реакция была восприимчива к распаду с течением времени, что потенциально создавало трудности при измерении.
В свете этих ограничений существует необходимость в разработке надежных и легких датчиков для качественного и количественного определения топографических (пространственных) профилей доз в клинической радиотерапии.
Нанодатчик на основе геля.
Наночастицы золота обладают уникальными физико-химическими характеристиками, что делает их отличной платформой для разработки датчиков. Недавно ученые разработали колориметрический датчик, в котором ионизирующее излучение вызывает образование наночастиц золота из соответствующих бесцветных предшественников соли. Нанодатчик на основе геля облегчает обращение с ним и его применение в клинической радиотерапии. Была продемонстрирована колориметрическая визуализация и количественная оценка профилей пространственного распределения доз с использованием гелевого нанодатчика.
Добавление химического гасящего агента, сульфида натрия, выявляет топографическое распределение доз, полученных в ходе клинической радиотерапии. Для оптимизации работы нанодатчика исследовано влияние условий рецептуры, включающих концентрации соли золота и поверхностно-активных веществ, размеры пор геля и назначение закалочного агента. Контроль размеров пор и распределения в гелевой подложке еще больше повысит эффективность нанодатчика. С помощью гелевого нанодатчика были визуализированы различные дозы, которые иллюстрируют способность датчика фиксировать профили, полученные в ходе фракционированной клинической радиотерапии. Эффективность сенсора была оценена для прогнозирования сложных топографических профилей доз, поступающих на антропоморфный фантом головы и шеи, а также для визуализации и количественного определения топографического распределения доз у пациентов, проходящих курс лучевой терапии.
Трансляционный потенциал технологии гелевого нанодатчика характеризуется:
- простотой изготовления,
- простыми операционными процедурами, требующие только спектрофотометра,
- быстрым и стабильным считыванием показаний,
- возможностью формирования тканеобразной геометрии,
- относительно низкой стоимостью ≈ $0,50 за наносенсор геля.
Такие технологии приведут к повышению безопасности пациентов и к лучшим результатам. В совокупности эти результаты демонстрируют потенциал клинической трансляции технологии топографического определения дозы облучения с использованием гелевых нанодатчиков для планирования лечения и верификации дозы в лучевой терапии рака для пациентов с онкологическими заболеваниями.