Mikro ışın - Microbeam
Bir mikro ışın , mikrometre veya mikrometre altı boyutlarda dar bir radyasyon demetidir . Entegre görüntüleme teknikleriyle birlikte, mikro ışınlar, kesin olarak tanımlanmış yerlerde kesin olarak tanımlanmış miktarlarda hasar verilmesine izin verir. Bu nedenle, mikro ışın, araştırmacıların hasar sinyali iletiminin hücre içi ve hücreler arası mekanizmalarını incelemesi için bir araçtır .
Sağda mikro ışın işleminin bir şeması gösterilmektedir. Esasen, otomatik bir görüntüleme sistemi, kullanıcı tarafından belirlenen hedeflerin yerini belirler ve bu hedefler, yüksek oranda odaklanmış bir radyasyon ışını ile sırayla birer birer ışınlanır. Hedefler, tek hücreler , hücre altı konumları veya 3B dokulardaki kesin konumlar olabilir. Bir mikro ışının temel özellikleri verim, hassasiyet ve doğruluktur . Sistem, hedeflenen bölgeleri ışınlarken, bitişik konumların hiçbir enerji birikimi almamasını garanti etmelidir.
Tarih
İlk mikro ışın tesisleri 90'ların ortalarında geliştirildi. Bu tesisler, geniş ışın maruziyetlerini kullanarak radyobiyolojik süreçlerin incelenmesindeki zorluklara bir yanıttı. Mikro ışınlar başlangıçta iki ana konuyu ele almak için tasarlandı:
- Çekirdeğin radyasyon duyarlılığının tek tip olmadığı inancı ve
- Düşük doz risk değerlendirmesi için belirli sayıda (özellikle bir) parçacıkla tek bir hücreye vurabilme ihtiyacı.
Ek olarak, mikro ışınlar radyasyon tepkisinin mekanizmalarını araştırmak için ideal araçlar olarak görülüyordu.
Hücrenin radyasyon duyarlılığı
O zamanlar hücrelere radyasyon hasarının tamamen DNA'daki hasarın sonucu olduğuna inanılıyordu . Yüklü parçacık mikro-ışınları, çekirdeğin radyasyon duyarlılığını araştırabilir, bu da o zamanlar eşit derecede duyarlı görünmemektedir. Mikro ışın tesislerinde gerçekleştirilen deneyler, o zamandan beri bir seyirci etkisinin varlığını göstermiştir . Seyirci etkisi, radyasyon geçişi yaşamamış hücrelerde veya dokularda radyasyona verilen herhangi bir biyolojik tepkidir. Bu "seyirci" hücreler, geçiş yaşamış hücrelerin komşularıdır. Seyirci etkisinin mekanizmasının hücreden hücreye iletişimden kaynaklandığına inanılmaktadır. Bu iletişimin tam doğası, birçok grup için aktif bir araştırma alanıdır.
Tam sayıda parçacıkla ışınlama
Çevresel radyasyona maruz kalmayla ilgili düşük dozlarda, tek tek hücreler iyonlaştırıcı bir partikül tarafından nadiren geçişler yaşar ve neredeyse hiçbir zaman birden fazla geçiş yaşamaz. Örneğin, ev içi radon maruziyeti durumunda , kanser riski tahmini, uranyum madencilerinin epidemiyolojik çalışmalarını içerir. Bu madenciler, daha sonra radyoaktif bozunmaya uğrayan ve bir alfa parçacığı yayan radon gazını teneffüs eder. Bu alfa parçacığı, bronş epitelinin hücrelerini geçerek potansiyel olarak kansere neden olur. Bu madencilerin ortalama yaşam boyu radon maruziyeti , kanser riski tahminlerinin, hedef bronş hücreleri çoklu alfa partikül geçişlerine maruz kalan bireylere ilişkin veriler tarafından yönlendirilmesine yetecek kadar yüksektir. Diğer taraftan, ortalama bir ev yolcu için, 1 2,500 hedef hakkında bronşiyal hücreler tek bir alfa parçacık yılda maruz kalacağı, ancak daha az 10 1 den 7 bu hücrelerin birden fazla parçacık tarafından traversals karşılaşacaklardır. Bu nedenle, madenciden çevresel maruziyetlere kadar tahminde bulunmak için, çoklu geçişlerin etkilerinden bir parçacığın tek geçişlerinin etkilerine kadar tahminde bulunabilmek gerekir.
Parçacık izlerinin rastgele dağılımı nedeniyle , kesin sayıda (özellikle bir) parçacığın biyolojik etkileri, geleneksel geniş ışın maruziyetleri kullanılarak laboratuvarda pratik olarak simüle edilemez. Mikroışın teknikleri, hücre çekirdeği başına tam sayıda (bir veya daha fazla) parçacık vererek bu sınırlamanın üstesinden gelebilir. Gerçek tek parçacıklı ışınlamalar, çoklu geçişlere göre tam olarak bir alfa parçacık geçişinin etkilerinin ölçülmesine izin vermelidir. Bu tür sistemlerin onkojenik dönüşüm gibi düşük frekanslı işlemlere uygulanması , ilgili teknolojiye çok bağlıdır. Saatte en az 5.000 hücrelik bir ışınlama hızıyla, 10 -4 mertebesindeki verimlerle deneyler pratik olarak gerçekleştirilebilir. Bu nedenle, yüksek verim, mikro ışın sistemleri için istenen bir kalitedir.
Yüklü parçacık mikro ışın
İlk mikro ışın tesisleri yüklü parçacıklar sağladı. Yüklü bir parçacık mikro ışın tesisi aşağıdaki temel gereksinimleri karşılamalıdır:
- Işın nokta boyutu, hücresel veya hücre altı boyutlara karşılık gelen birkaç mikrometre veya daha küçük mertebesinde olmalıdır.
- Canlı hücrelerin ışınlanması atmosferik basınçta gerçekleşmelidir.
- Işın akımı, hedeflerin yüksek tekrarlanabilirliğe sahip tam sayıda parçacıkla ışınlanabileceği seviyelere düşürülmelidir .
- Hücresel hedefleri görselleştirmek ve kaydetmek için bir görüntüleme sistemi gereklidir.
- İyon ışınının hedefe yüksek derecede doğruluk ve hassasiyetle çarpması için hücre konumlandırmasının yüksek uzaysal çözünürlüğe ve tekrarlanabilirliğe sahip olması gerekir .
- Yüksek verimliliğe sahip bir partikül dedektörü , hedef başına partikül sayısını saymalı ve istenen sayıda partikül iletildikten sonra ışını kapatmalıdır.
- Hücreler için çevresel koşullar (örneğin nem), hücreler çok az stres altında olacak veya hiç stres altında olmayacak şekilde korunmalıdır .
Işın nokta boyutu
Çapı yaklaşık iki mikrometreye kadar olan ışın noktaları , ışının iğne deliği açıklıkları veya çekilmiş bir kapiler ile kolimasyonu ile elde edilebilir . Mikrometre altı ışın nokta boyutları, ışının çeşitli elektrostatik veya manyetik lens kombinasyonları kullanılarak odaklanmasıyla elde edilmiştir. Şu anda her iki yöntem de kullanılmaktadır.
Vakum penceresi
Canlı hücreler üzerinde mikro ışın deneyleri yapabilmek için bir vakum penceresi gereklidir. Genellikle bu, birkaç mikrometre kalınlığında veya 100-500 nm kalınlığında Silikon nitrür olan bir polimerin vakum geçirmez bir penceresinin kullanılmasıyla gerçekleştirilir .
Hücre kaydı ve konumlandırma
Hücreler, yüksek bir doğruluk derecesi ile tanımlanmalı ve hedeflenmelidir. Bu, hücre boyama ve floresan mikroskopisi kullanılarak veya kantitatif faz mikroskopisi veya faz kontrast mikroskobu gibi tekniklerin kullanılmasıyla boyama yapılmadan gerçekleştirilebilir. Nihai olarak amaç, hücreleri tanımak, onları hedeflemek ve mümkün olduğunca hızlı bir şekilde ışınlama için pozisyona getirmektir. Saatte 15.000 hücreye kadar çıktılar elde edilmiştir.
parçacık sayaçları
Belirli sayıda iyonun tek bir hücreye iletilmesini garanti etmek için partiküller yüksek derecede tespit verimliliği ile sayılmalıdır . Genellikle dedektörler, ışınlanacak hedefin önüne veya arkasına yerleştirilebilir. Dedektör hedeften sonra yerleştirilirse, ışın hedefi geçmek ve dedektöre ulaşmak için yeterli enerjiye sahip olmalıdır. Dedektör hedefin önüne yerleştirilirse, dedektörün ışın üzerinde minimum etkisi olmalıdır. İstenilen sayıda parçacık tespit edildiğinde, ışın ya saptırılır ya da kapatılır.
Diğer hususlar
Canlı hücreler , hücreyi strese sokmayan, istenmeyen bir biyolojik tepkiye neden olmayan koşullar altında tutulmalıdır . Normal olarak, hücreler , konumlarının görüntüleme sistemi tarafından belirlenebilmesi için bir alt tabakaya bağlanmalıdır . Işın konumu kontrolü ve yüksek hızlı görüntülemedeki son gelişmeler, sistemler arasında akışı mümkün kılmıştır ( Flow ve Shoot ).
X-ışını mikro ışını
Bazı tesisler yumuşak x-ışını mikro-ışınları geliştirmiştir veya geliştirmektedir. Bu sistemlerde, yüklü parçacık demeti tarafından vurulan bir hedeften üretilen karakteristik x ışınlarına odaklanmak için bölge plakaları kullanılır . Senkrotron x-ışınları kaynak olarak kullanıldığında, senkrotron radyasyonunun yüksek yönlülüğü nedeniyle huzme hassas bir yarık sistemi ile kesilerek x-ışını mikro-ışınları elde edilebilir .
biyolojik uç nokta
Onkojenik transformasyon, apoptoz , mutasyonlar ve kromozomal anormallikler dahil olmak üzere birçok biyolojik son nokta incelenmiştir .
Dünya çapında mikro ışın sistemleri
| Dünya Çapında Mikro Işın Tesisleri | Radyasyon Tipi/LET | Hücredeki Işın Nokta Boyutu | Çalışan Biyoloji? | |
|---|---|---|---|---|
| Radyolojik Araştırma Hızlandırıcı Tesisi (RARAF) , Columbia Üniversitesi | herhangi bir katyon, x ışınları düşükten çok yükseğe |
0,6 um | Evet | |
| JAERI , Takasaki, Japonya |
yüksek |
Evet | ||
| Özel Mikro Işın Kullanım Araştırma Tesisi (SMURF) , Texas A&M |
düşük |
Hayır | ||
| Uygulamalı Nükleer (Kern-)fizik Deneyleri (SNAKE) için Süper İletken Nanoskop , Münih Üniversitesi | P kaynaktan HI 2-10.000 keV / um |
0,5 um | Evet | |
| INFN-LABEC , Sesto Fiorentino, Floransa, İtalya | p, He, C diğer iyonlar | 3 MeV p için 10 μm | Hayır | |
| INFN-LNL Legnaro, İtalya | p, 3 He +,++ , 4 He +,++ 7-150 keV/μm |
10 mikron | Evet | |
| CENBG , Bordeaux, Fransa | p, α 3.5 MeV'e kadar |
10 mikron | ||
| GSI , Darmstadt, Almanya | α'dan U-iyonlarına 11,4 MeV/n'ye kadar |
0,5 um | Evet | |
| IFJ, Krakov, Polonya | p - 2,5 MeV'ye kadar x ışını - 4,5 keV |
12 μm 5 μm |
Evet | |
| LIPSION, Leipzig, Almanya | p, 4 He +,++ 3 MeV'ye kadar |
0,5 um | Evet | |
| Lund NMP, Lund, İsveç | p 3 MeV'ye kadar |
5 mikron | ||
| CEA-LPS , Saclay, Fransa | p 4 He +,++ 3,75 MeV'ye kadar |
10 mikron | Evet | |
| Queen's University, Belfast, Kuzey İrlanda Birleşik Krallık | x ışını 0.3-4.5 keV |
< 1 um | Evet | |
| Surrey Üniversitesi , Guilford, Birleşik Krallık | p, α, YÜKSEK | 0,01 μm (vakumda) | Evet | |
| PTB, Braunschweig, Almanya | p, α 3-200 keV/μm |
< 1 um | Evet | |
| Hücreye Tek Parçacık Işınlama Sistemi (SPICE), Ulusal Radyolojik Bilimler Enstitüsü (NIRS), QST, Japonya | p 3.4 MeV |
2 mikron | Evet | |
| W-MAST, Tsuruga, Japonya | p, O | 10 mikron | Hayır | |
| McMaster Üniversitesi , Ontario, Kanada | Hayır | |||
| Nagasaki Üniversitesi, Nagasaki, Japonya | x-ışınları 0.3-4.5 keV |
< 1 um | Evet | |
| Foton Fabrikası, KEK, Japonya | x-ışınları 4-20 keV |
5 mikron | Evet | |
| CAS-LIBB, Plazma Fiziği Enstitüsü, CAS, Hefei, Çin | p 2-3 MeV |
5 mikron | Evet | |
| Centro Atómico Constituyentes , CNEA, Buenos Aires, Arjantin | U 15 MeV'den H'ye |
5 mikron | Evet | |
| FUDAN Üniversitesi, Şanghay, Çin | p, O 3 MeV |
2 mikron | Evet | |
| Modern Fizik Enstitüsü CAS, Lanzhou, Çin | ||||
| Gray Laboratuvarı, Londra | düşük, yüksek | Evet | ||
| Gray Laboratuvarı, Londra | yumuşak X | Evet | ||
| PNL , Richland, Washington | düşük | Evet | ||
| Padova, İtalya | yumuşak X | Evet | ||
| MIT Boston | düşük, yüksek | Evet | ||
| L'Aquila, İtalya | yüksek | Hayır | ||
| LBL, Berkley | çok yüksek | Hayır | ||
| Maryland Üniversitesi | düşük | Evet | ||
| Tsukuba, Japonya | yumuşak X | Evet | ||
| Nagatani, Japonya | düşük, yüksek | Evet | ||
| Seul, Güney Kore | düşük | Evet | ||
| Helsinki, Finlandiya | yüksek | Hayır | ||
| Chapel Hill , Kuzey Karolina | düşük | Hayır | ||
| Gradignan, Fransa | yüksek | Evet |
Mikro Işın Atölyeleri
Hücresel Radyasyon Tepkisi Mikro Işın Sondaları üzerine yaklaşık iki yılda bir düzenlenen dokuz uluslararası çalıştay gerçekleştirildi. Bu çalıştaylar, microbeam personelinin bir araya gelmesi ve fikirlerini paylaşması için bir fırsat sunuyor. Çalıştayların tutanakları, mikro ışınla ilgili bilimin durumu hakkında mükemmel bir referans görevi görür.
| Hücresel Radyasyon Tepkisi Mikro Işın Sondaları Üzerine Uluslararası Çalıştaylar | Yıl | Mikro Işın Sayısı |
|---|---|---|
| Gray Laboratuvarı, Londra | 1993 | 3 |
| Pasifik Kuzeybatı Laboratuvarları, Washington | 1995 | 3 |
| Columbia Üniversitesi, New York | 1997 | 4 |
| Dublin, İrlanda | 1999 | 7 |
| Stresa, İtalya | 2001 | 12 |
| Oxford, İngiltere | 2003 | 17 |
| Columbia Üniversitesi, New York | 2006 | 28 |
| NIRS, Chiba, Japonya | 2008 | 31 |
| GSI , Darmstadt, Almanya | 2010 | |
| Columbia Üniversitesi , New York | 2012 |