通过一种新颖的方法,即在有或无化疗药物预处理白血病细胞和正常造血细胞的情况下应用低频超声,可实现对人类白血病细胞的选择性损伤。
通过一种新颖的方法,即在有或无化疗药物预处理白血病细胞和正常造血细胞的情况下应用低频超声,可实现对人类白血病细胞的选择性损伤。
20 至 60 kHz 范围内的低频超声是一种新型物理手段,可用于诱导肿瘤细胞的选择性裂解和死亡。此外,该方法还可与称为声敏剂的特殊试剂联合使用,以增强超声对肿瘤细胞的优先损伤作用,这种方法被称为声动力疗法(SDT)。本文介绍了在临床前体外(in vitro)条件下产生和应用低频超声的方法,以证明可实现可重复的细胞破坏,从而研究和比较超声处理对肿瘤细胞和正常细胞的影响。这为在临床前治疗评估所要求的一致性水平上可靠地对肿瘤细胞进行超声处理提供了途径。此外,还讨论了胆固醇耗竭剂和细胞骨架靶向试剂在增强肿瘤细胞超声敏感性方面的作用,以进一步阐明有利于声化学治疗策略的作用机制。
超声是指频率超过人类听觉能力上限(约 20 kHz)的任何振荡声压波1。频率在 20–60 kHz 范围内的低频超声已在实验室中被用于生成乳剂、制备用于核酸提取的细胞样品、组织破碎以及多种其他实验。低频超声的应用也已扩展至工业领域,用于焊接、清洗各种材料以及材料加工。市面上可购得的超声发生器频率范围为 18–60 kHz,全功率范围为 100–1,200 W。
尽管超声技术长期以来已用于临床诊断成像,但其作为治疗手段的应用则是近年来才发展起来的。频率≥1 MHz的超声能够安全地破坏患者的尿路结石(肾结石)和胆道结石(胆囊或肝脏中的结石),从而减轻症状2,3。这种被称为体外冲击波碎石术(ESWL)的方法目前在临床上已广泛应用(仅在美国每年就有超过一百万名患者接受ESWL治疗4),它通过体外施加聚焦的高强度声脉冲,以微创方式粉碎结石,同时最大限度减少对周围组织的损伤2-4。
由于高强度超声产生的独特直接剪切力以及空化气泡,这些方法已在癌症治疗中被用于治疗去势抵抗性前列腺癌和胰腺腺癌,该技术被称为高强度聚焦超声(HIFU)5-8。与体外冲击波碎石术(ESWL)非常相似,HIFU利用多束超声波将其聚焦于选定的焦点区域,通过声能作用使局部温度达到60 °C或更高,从而在靶向组织中诱导凝固性坏死5。尽管目前已有其他热消融方式(如射频消融和微波消融),但HIFU相较于这些方法具有独特优势,即它是唯一一种非侵入性的热疗方式5。HIFU在临床应用中效果参差不齐,目前仅限于临床试验中使用8-11。然而,其所取得的有限成功以及从临床前哺乳动物模型获得的极具前景的体内数据,已充分展示了超声在癌症治疗中的潜力。
为了改进高强度聚焦超声(HIFU),研究人员尝试将超声与适当的抗肿瘤药物结合,以开发一种声化学治疗形式。声动力治疗(SDT)是一种具有前景的新型治疗方式,在体内外均表现出显著的抗肿瘤活性。 体外 和 体内研究1已发现超声波会基于恶性细胞与正常组织细胞之间的尺寸差异,优先损伤恶性细胞。1,5SDT 采用一类称为声敏剂的特异性试剂,以增强超声对肿瘤细胞的选择性损伤作用。尽管此前已对 SDT 的治疗应用进行了研究,但所用超声系统通常采用较高频率的超声(≥1 MHz),而低千赫兹(kHz)频率超声的作用尚未得到充分探索。较低频率的超声通常更易于产生惯性空化效应,这种现象因微泡的快速塌陷而导致细胞破坏,引发物理化学性损伤12-14MHz 和低 kHz 超声在产生惯性空化方面的这种差异,归因于较低的波频率使微泡在膨胀半周期内通过整流扩散有更充足的时间生长,从而在随后的压缩半周期中产生更剧烈的崩溃。12.
我们此前已证实,U937 人单核细胞白血病细胞对低频超声(23.5 kHz)具有敏感性,且通过使用干扰细胞骨架的抗肿瘤药物可显著增强这种敏感性15。此外,我们还证明,细胞的损伤程度与其大小密切相关,较大的细胞表现出更高的超声敏感性。另外,在相同细胞大小条件下,正常人造血干细胞(hHSCs)和白细胞对超声处理的耐受性明显高于其肿瘤对应细胞15,初步提示低频超声可能在保留正常组织的同时优先损伤恶性细胞。
为了进一步研究低频超声在潜在治疗应用中的独特性质,我们开发了清洗和稳定化操作流程,以提高当前所用超声系统之一——Branson SLPe 150 W、40 kHz 细胞破碎仪(配备插入7.62 cm杯中的20 mm声 horn)的功效和可靠性。此外,我们利用空化仪和配备水听器的示波器,在40 kHz范围内精确测定了样品的空化能量以及一致的波形和振幅。通过优化和系统化我们的实验方案,我们实现了超声处理实验的一致性,从而能够对不同组织发生来源的肿瘤细胞与正常细胞的超声敏感性进行定量比较。本文详细介绍了40 kHz系统的操作方案,以便感兴趣的实验室能够开展可比性实验,并评估我们关于低频超声诱导抗肿瘤效应的研究结果。此外,我们还研究了胆固醇耗竭剂甲基-β-环糊精(MeβCD;图1)在提高人单核白血病U937和THP1细胞超声敏感性方面的剂量依赖性效应。
1. 清洁细胞破碎仪系统
2. 重新组装细胞声化仪并设置系统
3. 评估系统强度与功能
4. 细胞与培养基的制备
5. 细胞超声处理
6. 评估细胞在超声处理后的损伤情况
7. XTT 法测定经处理的 U937 和 THP1 细胞的细胞活力和线粒体活性
系统稳定性对于获得可重复且可靠的结果至关重要。通过施加54.23 N.m的正确扭矩,可实现换能器与声波导之间的良好耦合2,并通过示波器和水听器评估波形的一致性(图3A)。图3B展示了样品瓶内部的测量结果,图3C则评估了杯型喇叭内部的稳定性。如预期所示,由于部分能量被玻璃吸收,振幅略有降低。然而,在图B和图C中,波形均未出现扰动或畸变,这是向样品可靠传递声能所必需的条件。若波形未呈现清晰的单一正弦波,则表明换能器存在故障或设置不当。这一点在图3D中有所体现,该图显示了多个异常波形,明显缺乏正弦波特征,且频率读数不符合正常工作系统的预期。用于测量所产生的空化能量的空化计(图4)测得,在33%振幅下声强为100–110 W/cm2,在50%振幅下为125–130 W/cm2。
在40 kHz系统经过适当校准并完全组装后(图5),通过TC20和Z2细胞计数仪均证实可稳定实现细胞破坏(图6)。正如预期,与33%振幅处理相比,在50%振幅下进行超声处理的细胞群体表现出更显著的细胞损伤。然而,33%振幅仍可作为起始条件用于检测所施加试剂是否具有增强超声敏感性的效应,因为该参数可产生可观察到的损伤,同时为后续检测试剂增强超声敏感性时可能出现的进一步损伤留出检测空间。这一点在图7A中得到展示,该图呈现了MeβCD在增强U937细胞超声敏感性方面的剂量依赖性效应。尽管未经超声处理的MeβCD处理组细胞活力与未经超声处理的未处理组细胞相近,但在施加三次每次1秒的40 kHz超声脉冲后,细胞活力显著下降。此外,超声处理后的细胞活力下降呈剂量依赖性,其中5 mM MeβCD导致细胞数量下降最显著,其次是1 mM,然后是0.5 mM MeβCD。
使用XTT试剂盒评估发现,在超声处理前用不同浓度的甲基-β-环糊精(MeβCD)处理的U937和THP1细胞中,细胞活力和线粒体活性均表现出相似的变化(图7B)。尽管THP1细胞似乎比U937细胞对超声稍具抗性,但这两种人白血病细胞系均呈剂量依赖性地受到损伤。对于U937和THP1细胞而言,较高的MeβCD浓度和更多的超声脉冲次数均使其XTT还原为可溶性亮橙色产物的程度降至最低,表明细胞活力和线粒体活性降低。

图1. 甲基-β-环糊精的分子结构。(A)甲基-β-环糊精(MeβCD)的完整结构。(B)MeβCD是由七个重复单元组成的聚合物,其R基团为H或CH3。分子式:C56H98O35。分子量 = 1331.36。

图 2. 正确对 40 kHz 超声波系统施加扭矩。(A)在施加扭矩前,将变幅杆和换能器从杯体上拆下。(B)将槽口扳手和扭矩扳手分别放置在相应位置。(C)顺时针方向施加 54.23 N.m 的扭矩,然后重新将变幅杆和换能器安装到杯体上。

图3. 使用示波器表征超声系统的波形。(A)可使用带有水听器的示波器评估振幅和波形的一致性。(B)在喇叭正上方1.5 cm处、振幅设置为33%时采集的记录。(C)此处所示波形来自将水听器置于20 ml玻璃闪烁小瓶内时获得的读数。小瓶位于喇叭上方1.5 cm处,振幅同样设置为33%。(D)存在异常频率的系统示波器截图,此类情况可能由系统故障或喇叭与换能器连接处耦合不当引起。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4. 使用空化计量仪表征超声系统的声强。 此处所示的空化计量仪用于表示以 W/cm2 为单位的空化能量。该仪器对于评估样品所受能量的一致性至关重要。

图 5. 40 kHz 超声系统的关键组件。 超声系统包括杯形变幅杆(A)、加热装置(B)、换能器(C)和样品定位机构(D)。该设计可方便地将样品(E)置于变幅杆(F)上方进行定位。

图6. 使用TC20和Z2细胞计数仪检测不同振幅水平对U937细胞超声裂解的影响。采用40 kHz细胞破碎仪对细胞进行超声处理,分别使用33%振幅(100–110 W/cm2)和50%振幅(125–130 W/cm2),每次超声脉冲持续1秒,脉冲之间间隔1秒,共进行三次脉冲处理。(A) Z2细胞计数仪软件的截图展示了超声处理对U937细胞的影响。(B) 来自TC20细胞计数仪的数据被绘制成图表,以展示结果的可重复性。这些数据包括总细胞数、活细胞数以及台盼蓝染色评估的细胞活力。柱状图表示4个独立细胞群体的平均值标准误(SEM)。请点击此处查看该图的放大版本。

图7. 甲基-β-环糊精对增强U937和THP1细胞超声敏感性的影响。(A)U937细胞在超声处理前,先用不同浓度的MeβCD处理30分钟,随后使用40 kHz超声(105 W/cm2)进行辐照,每次1秒脉冲,共3次,每次间隔1秒。细胞群体按直径≥12 µm和≥17 µm进行分组。(B)U937或THP1细胞再次经不同浓度MeβCD处理30分钟后,使用40 kHz超声系统进行1至3次、每次1秒的脉冲处理,脉冲间隔1秒。采用XTT试剂盒检测细胞活力和线粒体活性。每孔接种100 µl细胞至平底96孔微孔板中。加XTT溶液前,将细胞培养板孵育24小时,随后再孵育2小时,然后读取波长。柱状图表示4次独立细胞群体的均值标准误(SEM)。请点击此处查看该图的放大版本。
为了获得最佳结果,应特别注意准确定位样品并清洁转换器与探头的连接处。样品在探头中的位置对于实现一致的细胞破碎至关重要,因为样品与探头之间的距离变化会改变声学焦点,从而改变样品所受的声能。可使用空化测量仪对杯式探头内的声能进行 Mapping,以确定空化作用最强的位置。此外,空化测量仪与示波器对于确定细胞所受的声强以及波形的均匀性也至关重要。因此,应利用这些仪器检测系统存在的问题,并帮助判断为纠正系统不稳定性所需采取的故障排查措施。
如前所述,如果在样品超声处理前未预先运行数分钟,低频系统可能会在实验过程中进一步去除水中的气体。必须进行初始运行,以获得相对脱气的超声介质,从而确保实验结果的一致性。此外,在评估声敏剂效果时,不应以最大振幅或接近最大振幅的条件对细胞进行超声处理,因为这将难以准确评估真正的增敏程度。在40 kHz系统上使用33%的振幅是一个理想设置,该条件可产生明显的损伤,同时为声敏剂充分展示其效应留出空间,这一点已在MeβCD对U937和THP1细胞的作用中得到证实(图7)。这些数据还证实,MeβCD能够以剂量依赖的方式使多种白血病细胞系对低频超声产生敏感化。
已有大量实验在0.75 MHz至8 MHz的较高频率范围内进行,结果表明通过超声处理可产生膜内空化气泡17-19然而,关于超声诱导细胞裂解的确切机制,仍存在一些尚未解决的问题18我们已证明,通过低频超声使细胞骨架液化与声敏感性增强之间存在关联15,这一现象已被其他实验室证实20, 21此外,我们发现微丝破坏剂(如细胞松弛素B)可增强多种白血病细胞系对超声的敏感性,但对人造血干细胞(hHSCs)或白细胞无此作用。22,表明抑制肌动蛋白聚合可能是特别值得关注的一种声敏化机制。我们还观察到,长春新碱是一种微管破坏剂,可抑制微管蛋白聚合23, 24显著提高了不同类型白血病的超声敏感性 体外 包括急性髓性白血病、慢性髓性白血病和急性淋巴细胞白血病。相比之下,作用于细胞骨架并稳定其组分的药物(如紫杉醇和 Jasplakinolide)似乎使细胞对超声处理产生抗性,表现为细胞裂解率降低22综上所述,这些数据支持了以下假设:使肿瘤细胞的细胞骨架组分发生液化确实是提高声动力疗法(SDT)疗效的重要因素25本研究还表明,胆固醇耗竭可能是进一步增强肿瘤细胞超声敏感性的另一种方法,因为经 MeβCD 处理的 U937 细胞对 40 kHz 超声的敏感性显著提高。
尽管我们的超声处理方案已显示出显著的抗肿瘤活性 体外目前,该方法仅限于在培养物和能够放入用于超声处理小瓶中的小型脊椎动物模型中应用。我们已证明,斑马鱼可安全地接受脉冲式低频超声(20 kHz)处理,且其对化疗药物的耐受剂量在定量上与小鼠模型耐受的剂量相当26,表明荷瘤斑马鱼可用于初步研究,以评估 体内 这些方案的抗肿瘤活性。然而,已有报道在兆赫兹(MHz)范围内,于哺乳动物模型超声处理前给予化疗药物1并且此类方案很可能可扩展应用于低频超声以及耗竭胆固醇和靶向细胞骨架的试剂。
这种SDT的潜在临床应用可能包括体外血液超声处理,即在血液被抽出进行超声处理之前,先通过静脉(i.v.)给予抗肿瘤药物25。该方法可消除人体解剖结构可能带来的声学屏障,可能是损伤白血病原始细胞以及实体瘤转移灶的有效手段。此外,耗竭胆固醇的药物和靶向细胞骨架的药物也可能被用于已在临床研究中的高强度聚焦超声(HIFU)治疗方案,以期提高该治疗方式的疗效。
本研究中所述方法能够评估潜在声敏剂的价值,进一步的系统优化可能提升其应用价值。然而,使用此类超声设备时需考虑诸多变量,包括电源质量、声学焦点以及换能器之间的个体差异。因此,未来的研究将聚焦于声波的可视化及其对结果影响的理解。声动力疗法已被证明可增强细胞裂解 体外 并且如果进一步研究,可能在临床上具有可行性 体内 在哺乳动物模型中获取的数据。我们实验室仍在继续开展研究恶性细胞其他潜在可利用特征的实验,以及涉及多种药物联合超声的多种联合治疗模式的研究。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者谨向雪城大学物理系车间的工作人员致以诚挚感谢,感谢他们在本系统设计相关事宜中提供的创新性协助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 含碳酸氢钠的伊氏改良杜尔贝科培养基 & 25 mM Hepes | Life Technologies | 12440079 | |
| 两性霉素B溶液 | Sigma-Aldrich | A2942 | |
| 青霉素/链霉素 100 倍溶液 | Life Technologies | 10378-016 | |
| 胎牛血清 | Sigma-Aldrich | 12105 | |
| Branson SLPe 40kHz 细胞破碎仪,配备 3" (25毫米)杯状角 | Branson Ultrasonics | 101-063-726 | 超声处理装置 |
| 快速加热 SDC 台式数字温度控制器配 1000 ml 烧杯加热器 | 快速加热 | SDCJF1A-GBH1000-1 | 用于温度控制的加热器 |
| Beckman-Coulter Z2 细胞计数器配 AccuComp® 软件 | 贝克曼库尔特 | 6605700 | |
| Bio-Rad TC20 自动细胞计数仪 | Bio-Rad | 145-0102 | |
| 庆大霉素 50 mg/ml | Sigma-Aldrich | G1397 | |
| 台盼蓝溶液 | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| Falcon 50 ml &和 25 ml 透气培养瓶 | Fisher Scientific | 353082 | |
| Lonza L-谷氨酰胺 200 mM 0.85% NaCl | Lonza | 17-605C | |
| Seal-Rite 1.5 ml 微量离心管 | USA Scientific | 1615-5510 | |
| Beckman-Coulter Accuvette ST 25 ml 小瓶及瓶盖 | Beckman-Coulter | A35473 | |
| AccuJet Pro 自动移液器 | BrandTech Scientific | 26330 | |
| USA Scientific 10 ml 一次性血清移液管 | USA Scientific | 1071-0810 | |
| 技巧一 100 μl 和 1,000 μ滤芯吸头 | USA Scientific | 1120-1840, 1126-7810 | |
| 100 μ微量移液器 | Wheaton | 851164 | |
| 1,000 μ微量移液器 | Wheaton | 851168 | |
| BioRad 双室计数板 | 伯乐(Bio-Rad) | 145-0015 | |
| Forma Scientific 双室水套式培养箱 | Forma Scientific | 3131 | |
| Tektronix DPO 2002B 数字荧光示波器 | Tektronix | DPO2002B | 用于测量超声波波形 |
| PPB MegaSonics PB-500 型超声能量计 | PPB Megasonics | PB-500 | 用于评估 W/cm 中的声强2 |
| Teledyne RESON TC4013-1 水听器 | Teledyne | TC4013-1 | 连接至示波器 |
| Wheaton 250 ml 锥形瓶 | Sigma-Aldrich | Z364827 | |
| 20 ml 玻璃闪烁瓶 | Sigma-Aldrich | Z190527 | |
| 贝克曼库尔特等渗盐溶液 | 贝克曼库尔特 | N/A | Z2计数仪稀释液 |
| 氯仿 99% | Sigma-Aldrich | C2432 | |
| 无水乙醇 200 证明 | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| 矿物油 | N/A | ||
| XTT细胞增殖检测试剂盒 | ATCC | 30-1011K | |
| 96孔微孔板读板仪 | 科尔-帕尔默 | EW-13055-54 | |
| U937 人单核细胞白血病细胞 | ATCC | CRL1593.2 | |
| THP1 人单核细胞白血病细胞 | ATCC | TIB-202 |