РАРАФ
| Учредил | 1984 г. (на нынешнем месте) |
|---|---|
| Тип исследования | Радиобиология |
Область исследований | Микролуч |
| Директор | Дэвид Дж. Бреннер |
| Адрес | Почтовый ящик 21 |
| Расположение | Ирвингтон , Нью-Йорк |
| Принадлежности | Колумбийский университет Национальные институты здравоохранения Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии |
| Веб-сайт | www |
Ускорительный комплекс радиологических исследований ( РАРАФ ), [1] Расположенный в Колумбийского университета кампусе Лабораторий Невиса в Ирвингтоне , штат Нью-Йорк, является ресурсным центром биотехнологии Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (P41). [2] специализируется на микролучевых технологиях. В настоящее время установка построена на базе ускорителя частиц Singletron мощностью 5 МВ, аналогичного Ван де Граафу .
Микролуч RARAF может производить с высокой точностью и точностью:
- 70–120 кэВ/мкм Альфа-частицы
- 8-25 кэВ/мкм Протоны
- луча диаметром 0,6 мкм сфокусированного Пятно
- Пропускная способность 10 000 ячеек/час
История [ править ]
RARAF был задуман Виктором П. Бондом и Харальдом Х. Росси в конце 1960-х годов. Их целью было создание источника моноэнергетических нейтронов , спроектированного и эксплуатируемого специально для исследований в области радиационной биологии , дозиметрии и микродозиметрии. Установка была построена на базе Ван де Граафа ускорителя частиц мощностью 4 МВ , который первоначально служил инжектором для Космотрона , ускорителя с энергией 2 ГэВ , работавшего в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) в 1950-х и 1960-х годах.
RARAF работал в BNL с 1967 по 1980 год, когда его демонтировали, чтобы освободить место для проекта ISABELLE , очень большого ускорителя, который так и не был завершен. Новое место для RARAF было найдено в лабораториях Невиса Колумбийского университета, его циклотрон где разбирали . Министерство энергетики США предоставило средства для перемещения RARAF в лаборатории Невиса и его повторной сборки в новом многоуровневом комплексе, построенном внутри здания циклотрона. Новый RARAF регулярно занимается исследованиями с середины 1984 года.
RARAF был одним из первых трех по производству микролучей . предприятий [3] будет построен, и это единственная оригинальная установка по производству микролучей, которая все еще работает.
В 2006 году Van de Graaff был заменен синглтроном мощностью 5 МВ от High Voltage Engineering Europa (HVEE) в Нидерландах .
Разработка микролучей
Являясь ресурсным центром биотехнологии NIBIB, RARAF занимается разработкой и улучшением микролучевых технологий. Разработки направлены на добавление и улучшение методов визуализации к существующему микробучу. Нейтронные и рентгеновские микропучки также находятся в разработке. Некоторые примеры разработок в области микролучей перечислены ниже.
линза Микролучевая
Для фокусировки заряженных частиц в микропучке RARAF используется электростатическая линза, состоящая из шести квадруполей , расположенных в два триплета, каждый последующий квадруполь повернут на 90° вокруг своей оси. Каждый квадрупольный триплет состоит из 4 керамических стержней, на которые нанесены золотые электроды. Такая конструкция обеспечивает выравнивание трех квадруполей в триплете, небольшой межполюсный зазор и лучшие свойства фокусировки.
Субклеточный таргетинг [ править ]
Благодаря природе микролуча RARAF в течение многих лет можно было воздействовать на субклеточные мишени, такие как ядро клетки или цитоплазма клетки. Благодаря обычно доступному лучу диаметром субмикрометра становятся доступными дополнительные цели в сотовых системах. Например, предварительные эксперименты по облучению митохондрий были проведены на небольших эпителиальных клетках дыхательных путей. [1]
Наведи и снимай микробуч [ править ]
Во время микролучевого облучения облучаемые клетки перемещаются в положение луча с помощью высокоскоростного трехосного пьезоэлектрического столика высокого разрешения. [4] Для дальнейшего сокращения времени нацеливания и использования того факта, что сфокусированный микропучок, в отличие от коллимированного, не ограничивается одним местом на выходном окне ускорителя, мы реализовали быстрый дефлектор на основе магнитной катушки, размещенный между двумя квадрупольными тройками, что позволяет отклонять луч в любое положение в поле зрения микроскопа, используемого для наблюдения за клетками во время облучения. Перемещение луча в положение ячейки с помощью магнита может быть выполнено гораздо быстрее, чем перемещение столика. Дефлектор, используемый в этой системе, может перемещать луч в 1000 отдельных мест в секунду, что более чем в 5 раз превышает скорость движения столика, что значительно сокращает время облучения.
Рентгеновский микролуч [ править ]
Микролуч RARAF дополняет рентгеновский микролуч, использующий характеристические рентгеновские лучи Kα от Ti. Рентгеновские лучи будут генерироваться с помощью системы электростатических линз для фокусировки протонов на толстой мишени из титана. Генерируемые рентгеновские лучи уменьшаются с помощью зонной пластины. Используя уже сфокусированный протонный микропучок для генерации характеристических рентгеновских лучей, можно получить почти монохроматический рентгеновский луч (очень низкий выход тормозного излучения) и достаточно небольшой источник рентгеновского излучения (диаметр ~ 20 мкм), что снижает требования к зональная пластина.
Использование мягких рентгеновских микролучей дает значительные преимущества как для механистических целей, так и для конечных точек оценки риска. Более высокое пространственное разрешение, достижимое с помощью современных элементов рентгеновской оптики, в сочетании с локализованными повреждениями, вызванными поглощением фотонов низкой энергии (~ 1 кэВ), представляет собой уникальный инструмент для исследования радиочувствительности суб- клеточные и, в конечном итоге, субъядерные мишени. Кроме того, поскольку низкоэнергетические рентгеновские лучи рассеиваются очень мало, используя рентгеновские лучи с энергией ~5 кэВ, можно будет с точностью до микрометра облучать отдельные клетки и/или части клеток на глубину до нескольких сотен микрометров внутри клетки. образец ткани, чтобы исследовать значимость таких эффектов, как эффект свидетеля в трехмерных структурированных клеточных системах.
эксперименты Микролучевые
RARAF также является пользовательским центром для биологов, заинтересованных в проведении микробучевых исследований. Основной темой исследований, проводимых с использованием микролуча RARAF, является передача сигнала повреждения как внутри клеток, так и между клетками, что представляет интерес, отчасти из-за открытия радиационно-индуцированного эффекта свидетеля . Ранние исследования передачи межклеточных сигналов проводились с клетками, высеянными в 2D-монослои. Совсем недавно из-за важности внеклеточной среды и технологических разработок были проведены исследования с использованием трехмерных тканевых систем. [5] [6] включая живые организмы, [7] стали более распространенными.
Приложения микрофлюидики [ править ]
RARAF разрабатывает различные микрофлюидные устройства, которые расширяют возможности установки по облучению. Прецизионный контроль и манипулирование жидкостями и биологическими материалами, обеспечиваемые микрофлюидикой, идеально подходят для взаимодействия с микробучом. Дополнительные микрофлюидные системы, помимо перечисленных здесь, в настоящее время находятся в стадии разработки.
Flow and Shoot [ править ]
Система микролучей Flow and Shoot позволяет контролировать транспортировку клеток через микрофлюидный канал, который пересекается с микропучком типа «точка и выстрел». [8] Высокоскоростная камера позволяет динамически нацеливаться на движущиеся клетки со скоростью потока 1–10 мм/с, обеспечивая общую пропускную способность более 100 000 клеток в час.
манипуляции Оптофлюидные с клетками
Оптоэлектронная платформа пинцета сопряжена с микролучом RARAF. [9] Это позволяет точно манипулировать положением клеток до, во время и после облучения.
Caenorhabditis Иммобилизация elegans
RARAF внедрил микрофлюидную платформу для иммобилизации Caenorhabditis elegans во время микролучевого облучения. [10] Устройство позволяет избежать использования анестетиков, которые могут помешать нормальным физиологическим процессам, путем улавливания червей C. elegans в конусообразных микрофлюидных каналах. Используя эту технологию , можно воздействовать на определенные интересующие области внутри C. elegans .
Другие технологии [ править ]
Также возможно широколучевое облучение. Частицы с линейной передачей энергии (ЛПЭ) от 10 до 200 кэВ/мкм доступны с использованием пучков протонов, дейтронов, ионов гелия-3 и гелия-4. энергичные и тепловые нейтроны и рентгеновские лучи Кроме того, при широколучевом облучении можно использовать .
Обучение ученых
RARAF готовит ученых на всех уровнях: старшеклассников, студентов, аспирантов, постдокторантов и старших ученых. По оценкам лаборатории, за последние 5 лет около 45 ученых прошли обучение в области микролучевой физики и/или биологии.
RARAF является активным участником программы «Исследовательский опыт Колумбийского университета для студентов».
Кроме того, RARAF стал де-факто учебным центром для разработчиков новых микролучей. Виртуальный учебный курс по работе с микробучами , дополненный видеороликами и раздаточными материалами, также доступен в Интернете.
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б "Дом" . raraf.org .
- ^ «НИБИБ - Ресурсы, Биотехнологические ресурсы P41 по штатам» . www.nibib.nih.gov . Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г.
- ^ BD Майкл, М. Фолкард и К.М. Прайс. Отчет о совещании: Микролучевые исследования реакции клеток на радиацию, 4-й семинар Л.Х. Грея, 8–10 июля 1993 г. Межд. Дж. Радиат. Биол. 65 :503-508 (1994). ПМИД 7908938
- ^ Бигелоу А., Гарти Г., Фунаяма Т., Рандерс-Персон Г., Бреннер Д., Гирд С. Расширение потенциала одноклеточных микропучков для ответов на вопросы в RARAF, США. Джей Радиат Рес (Токио). 50 Приложение A :A21-8 (2009). ПМИД 19346682
- ^ Беляков О.В. и др . Биологические эффекты в необлученных тканях человека, вызванные радиационным повреждением на расстоянии до 1 мм. ПНАС 102 :14203-8 (2005). ПМИД 1612670
- ^ Седельникова О.А. и др . Двухцепочечные разрывы ДНК образуются в клетках-свидетелях после облучения микролучами трехмерных моделей тканей человека. ''Cancer Res. 67 :4295-302 (2007).
- ^ Бертуччи А., Покок Р.Д., Рандерс-Персон Дж. и Бреннер DJ. Микролучевое облучение нематоды C. elegans. Дж. Радиат. Рез. 50 Приложение А .: A49-54 (2009). ПМИД 19346684
- ^ Гарти Дж. и др . Разработка нового проточного микропучка. Radiat Prot Dosimetry 143(2-4) :344-348 (2011). ПМК 3108275
- ^ Град М и др . Оптофлюидные манипуляции с клетками для биологического микропучка. Преподобный. Знать Инструмент 84 :014301 (2013). дои : 10.1063/1.4774043
- ^ Буонанно М и др . Микролучевое облучение нематоды C. elegans в микрожидкостных каналах. Радиационная и биофизика окружающей среды 1-7 (2013). два : 10.1007/s00411-013-0485-6