התגרענות לשליטה של קוויטציה מן Plasmonic חלקיקי זהב לשיפור בעוצמה גבוהה ממוקד יישומים אולטרסאונד
5 באוקטובר 2018
פרוטוקול זה מדגים את התגרענות לשליטה של קוויטציה ב פנטומים ג'ל, באמצעות חשיפה סימולטני-סגול אור פעמו לייזר והן בעוצמה גבוהה, ממוקדת אולטרסאונד (HIFU). הפעילות קוויטציה יכול לשמש לאחר מכן לשיפור השימושים HIFU הדמיה ו/או טיפולית.
שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה, כגון יכול לייזר גרעינים cavitation לשמש להנחות, וגם לשפר את הטיפולים בסרטן HIFU. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא כי באמצעות שילוב של ננו חלקיקים, HIFU, ותאורת לייזר, זה יכול להתגבר על המגבלות של כל אחת מטכניקות אלה בעצמם. לייצר פאנטום כדי להדגים את שיטת הגרעין.
התחל עם מי ירידה מיונים, de-gassed, טמפרטורת החדר ב זכוכית. בנוסף, הכן 40% משקל לפי פתרון אקרילאמיד/ביס-אקרילאמיד רב עוצמה. מוסיפים את הפתרון למים, ואחריו חיץ, ואמוניום משכנע.
מניחים את החשכה בתוך תא ואקום הממוקם על צלחת ערבוב מגנטית. מוסיפים פס ערבוב מגנטי PTFE באורך 40 מ"מ לסק ומערבבים במהירות בינונית. מוסיפים לאט אבקת אלבומין בסרום.
כאשר נעשה, לסגור את תא ואקום ולהתחיל את משאבת ואקום. שומרים על ואקום המטרה וממשיכים לבחוש במשך 60 דקות. לאחר מכן, לשחרר את הוואקום ולהמשיך לעבוד עם הפתרון.
הוסף חלקיקים עבור פאנטומים הדורשים אותם. לכל הפאנטום, הוסיפו את הזרז. לאחר חמש דקות של ערבוב, יוצקים את הפתרון לתוך תבניות בודדות ולחכות 20 דקות.
זוהי דוגמה לפנטום שנקבע והוסר מהתבנית. הוא מוכן לשימוש בניסוי. לאחר שהפנטומים מוגדרים, אחסנו את הפנטומים המופרעים במיכל אטום.
כדי לייצר פנטום יישור, להתחיל עם פתרון פנטום. מניחים את המק ומערבבים בר בתא ואקום על ערבוב מגנטי. התחילו לבחוש במהירות בינונית, ושאבו את התא לוואקום המטרה.
לאחר אחזור הפתרון, יוצקים 25 מיליליטר לתוך עובש ומוסיפים את הזרז. המתן 20 דקות לפני הצבת יעד מתכת כדורית של מילימטר אחד במרכז הפנטום. לאחר מכן, יוצקים עוד 25 מיליליטר של פתרון הפנטום לתוך התבנית.
מוסיפים את הזרז ומחכים עוד 20 דקות. כאשר מוגדר, פנטום היישור מוכן לשימוש או אחסון במיכל אטום. הכן את ההתקנה לניסוי.
לשם כך, יש מיכל מים אקרילי עם 4.5 ליטרים של מים מיוינים, דה גז. בקצה אחד של הטנק, מניחים סופג אקוסטי. לאחר מכן, להפנות את תשומת הלב מתמר אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה.
הר אותו וזה הידרופון פס רחב מיושר במשותף על שלב מיקרומטר תלת צירי. מטביעים באופן מלא את מתמר וההידרופון במיכל כדי להתמודד עם הספיגה. חבר את המתמר למעגל התאמת מכשולים שיאפשר לו להיות מונע בהרמוניה השלישית שלו.
מעגל זה מחובר ישירות לפלט של מגבר כוח RF, אשר יש מחולל פונקציה דיגיטלית כמו הקלט שלה. מחולל הפונקציות מתוכנת מרחוק. לאחר הכיול, קבל פנטום יישור כדי להמשיך בהגדרה.
הפנטום צריך להיות במחזיק מודפס בתלת-ממד ומותקן על במה תלת-ממד אוטומטית. מקם את הפנטום כך שהמטרה המגנטית נמצאת בשיא המוקד המשוער של מתמר. עכשיו, לחבר את ההידרופון ישירות לכרטיס רכישת הנתונים.
השתמש במתמר ובהידרופון כדי להדהד את יעד היישור. שלח פרץ של שלושה מיקרו-שניות, 10 מחזורים, והצג את האות שזוהה בזמן אמת במחשב. התאימו את שלב המיקרומטר של המשמר כדי לשנות את זמן הטיסה ואת משרעת האות.
המערכת מיושרת ברגע שזמן הטיסה הוא 85 מיקרו-שניות משרעת האות מוגדלת. לאחר מכן, חבר את ההידרופון בפס רחב ישירות למסנן חמישה מגה-הרץ בעל מעבר גבוה. שלח את האות דרך מגבר 40 דציבלים ולאחר מכן לכרטיס איסוף נתונים.
עכשיו, להגדיר תאורת לייזר לדגימה. סנכרן לייזר דופק 532 ננומטר עם מחולל הפונקציות על ידי גנרטור דופק עיכוב דיגיטלי TTL. השתמש בלייזר כדי לשאוב מתנד פרמטר אופטי.
זוג התפוקה שלה בפנטום עם צרור סיבים שני מילימטר. במיכל, הר סיב זה על שלב מיקרומטר. מקם את הסיבים מול הפנטום בזווית של 45 מעלות מהציר האקוסטי.
ליישור, השתמש באור נראה. מקם את הקרן כך שמטרת היישור תהיה במרכז נקודת לייזר של 15 מ"מ. לבסוף, מקם מיקרוסקופ דיגיטלי ומקור אור לבן בצדדים מנוגדים של מיכל המים.
הר את המיקרוסקופ על שלב מיקרומטר. מקם אותו כך שיעד היישור יהיה ממוקד בשדה התצוגה שלו. ודא שהפנטום הנכון נמצא במקום.
במקרה זה, פנטום הרקמה המתאים מחליף את פנטום היישור. כוונן את אורך גל הלייזר לתהודה הפלסמון של פני השטח של הננו-חלקיקים. במחשב הבקרה, הגדר את המתמר כדי לייצר פרץ של 10 מחזורים, ולהגדיר את שטף הלייזר.
היעד את פסגת המוקד של עוצמת גבוהה ממוקד אולטרסאונד פרץ 10 מילימטרים עמוק ב 13 מיקומים ייחודיים בכיוון האנכי במים על ידי חמישה מילימטרים. ודא כי פנטום רקמה הוא במקום במיכל. לאחר מכן, עם התוכנה, להגדיר את הפרמטרים fluence וחשיפה גל מתמשך.
השתמש במיקרוסקופ כדי להקליט היווצרות נגע תרמי כמו אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה עם לחץ שלילי שיא שנבחר מופנה למקום אחד. נתונים אלה הם מתח גלאי לעומת זמן לחשיפה קצרה, בעוצמה גבוהה ממוקדת אולטרסאונד עבור רוחות רפאים שונות בתנאים שונים. בערכות נתונים אלה נחשפו גם הפנטומים לתאורת לייזר.
עם זאת, פנטום אחד לא היה nanorods ופנטום אחד עשה. בערכות נתונים אלה, לשני הפנטומים היו ננו-רודס, אך אחד מהם נחשף לתאורת לייזר והפנטום השני לא היה. זה מדגים כי פליטת פס רחב מזוהים רק כאשר חלקיקים, חשיפה לאולטרסאונד, ותאורת לייזר נמצאים כולם.
וידאו מיקרוסקופ זה מספק דוגמה להיווצרות של נגעים תרמיים cavitation בפנטום ג'ל עם nanorods חשופים אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה תאורת לייזר. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור ללבוש ציוד מגן אישי מתאים בעת הטיפול בכימיקלים ולהבטיח הגנה נכונה על העיניים משמש בעת שימוש בלייזר. לאחר התפתחותה, טכניקה זו יכולה לסלול את הדרך לחוקרים בתחום של טיפול אולטרסאונד ממוקד בעצימות גבוהה לחקור באמצעות חלקיקים ממוקדים מולקולרית כדי לשפר את הטיפולים בסרטן באמצעות אבלציות תרמיות ממוקדות ומהירות.
סקירה כללית
פרוטוקול זה מדגים גרעין מבוקר של קביטציה בפנטומי ג'ל באמצעות חשיפה סימולטנית לאור לייזר פולסי בניר-אינפרא-אדום ולאולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה (HIFU). שיטה זו יכולה לשפר יישומים דיאגנוסטיים וטיפוליים של HIFU, ובמיוחד בטיפול בסרטן.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- טכנולוגיית אולטרסאונד
- יישומי לייזר
רקע
- קוויטציה יכולה לשפר את היעילות של טיפולי HIFU.
- שילוב של לייזר ואולטרסאונד יכול להתגבר על המגבלות של כל אחת מהשיטות.
- מדגמי פנטום חיוניים לתיקוף ניסויי.
- הבנת דינמיקת הקביטציה היא חיונית לאופטימיזציה של תוצאות טיפוליות.
מטרת המחקר
- לבחון את השימוש בקוויטציה גרעינית באמצעות אולטרסאונד לייזר להכוונת טיפולי HIFU.
- להגביר את ההשפעות הטיפוליות של HIFU בטיפול בסרטן.
- לפתח שיטה מהימנה ליצירת פנטומי ג'ל לשימוש ניסיוני.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת פנטומים של ג'ל באמצעות אקרילאמיד וננו-חלקיקים.
- הגדרת מתמר אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה והידרופון.
- סנכרון של הארה בלייזר עם פולסי אולטרסאונד.
- ניטור בזמן אמת של היווצרות נגעים תרמיים באמצעות מיקרוסקופ דיגיטלי.
תוצאות עיקריות
- הושגה גרעין מוצלחת של קוויטציה במודלי ג'ל (phantoms).
- נצפו השפעות טיפוליות ושיפור בדימוג בעקבות חשיפה משולבת של לייזר ו-HIFU.
- הנתונים הראו כי פליטות רחבות-פס הזוהו רק כאשר נננו-חלקיקים, אולטרסאונד ולייזר היו נוכחים.
- נגעים תרמיים ונגעי קוויטציה נוצרו ביעילות במודלים.
מסקנות
- השילוב של לייזר ו-HIFU יכול לשפר באופן משמעותי את תוצאות הטיפול.
- מודלי פנטום יעילים לחקר דינמיקת קוביטציה.
- לשיטה זו יש יישומים פוטנציאליים לשיפור טיפולים בסרטן.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
שיטה זו נותנת מענה לאתגר מרכזי בטיפול בסרטן המבוסס על HIFU: השגת הובלה מדויקת וממוקדת של אנרגיה תוך התגברות על מגבלות של שיטות אולטרסאונד או לייזר במצב בודד. על ידי אפשור גרעיני קביטציה השקיפים לבקרה באמצעות ננו-חלקיקי זהב פלסמוניים, הגישה משפרת הן את ההנחיה בדימות והן את יעילות האבלאציה התרמית. אסטרטגיה דו-מודאלית זו תומכת בביטחון ניבוי לגבי המעורבות של היעד ובצמצום סיכונים מנגנוניים עבור נתיבי תרגום אונקולוגיים.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות על ידי קורלציה מרחבית של אירועי קביטציה עם מיקום של ננו-חלקיקים במערכות המחקות רקמה.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה ניתנת לשחזור לתיקוף מנגנונים של השקעת אנרגיה המתווכת על ידי ננו-חלקיקים לפני מחקרים in vivo.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פליטות אקוסטיות רחבות-פס מדידות כקריאה ישירה של פעילות קביטציה אינרציאלית סביב ננו-חלקיקים ממוקדים.
- ערך תפעולי: תומך בסטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות משוב של זיהוי קביטציה פסיבי (PCD) לניטור בזמן אמת של ספי רסירת אנרגיה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מדגים רציפות מאישוש באמצעות פנטום ועד למודלים פרה-קליניים, על ידי הצגה של נזק תרמי מוגבר רק כאשר משלבים ננו-חלקיקים, לייזר ו-HIFU.
- ערך תפעולי: מסייע בקבלת החלטות על התקדמות המותאמת לסיכון, על ידי ביסוס מתאם בין משוב קוויטציה למדדי היווצרות נגעים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף מוקדם של המטרה, דרך זיהוי מוביל ועד להערכה פרה-קלינית, ובמיוחד עבור טיפולים הדורשים בקרה מרחבית-זמנית מדויקת של אספקת האנרגיה.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת היפותזות על ידי מתן אפשרות לנשואת גרעין מבוקרת של קוויטציה, במטרה לבחון השפעות ביולוגיות המתווכות על ידי ננו-חלקיקים בתוך פנטומים של ג'ל.
- סריקה: משפרת את מוכנות הבדיקה על ידי אספקת פליטות אקוסטיות כמותיות המתואמות עם עוצמת הקוויטציה ונוכחות ננו-חלקיקים.
- אנליטיקה: מספקת פלטיים מדידים, כולל ספקטרומי פליטה רחבי-פס ויצירת נגעים תרמיים, לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר לרצף פרה-קליני על ידי הדגמת נתיב לפונקציונליזציה של ננו-חלקיקים עם נוגדנים מכוונים (לדוגמה, anti-HER2) למיקום ספציפי לסרטן.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר להערכה של שיטות אולטרסאונד מוגברות ננו-חלקיקים על פני מספר יעדי סרטן ושילובי תרופות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזויי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת עמימות מכניסטית במנגנוני העברת אנרגיה.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והסקליביליות באמצעות הכנה סטנדרטית של פנטומים ופרוטוקולי חשיפה מסונכרנים של לייזר-אולטרסאונד.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת יותר לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) על ידי אספקת משוב בשלב מוקדם על שיפור יעילות ה-HIFU באמצעות קוויטציה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של טיפולים קומבינטוריים של ננו-חלקיקים ו-HIFU באמצעות נקודות קצה תרפויטיות והדמיה כמותיות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסנתזה של ננו-חומרים, פיזיקה של אולטרסאונד ופרוטוקולי בטיחות בלייזר.
- תלוי במכשור ייעודי הכולל מתמרי HIFU, מערכות לגילוי קוויטציה פסיבית ומקור לייזר פולס עם תנודתיות פרמטרית אופטית (optical parametric oscillators).
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין קבוצות הפורמולציה, הדימות והטיפול כדי להבטיח פיזור עקבי של ננו-חלקיקים ופרמטרי חשיפה זהים.
- כולל שיקולי התאמה בעת מעבר מפנטומים של ג'ל למטריצות ביולוגיות מורכבות בעלות תכונות אקוסטיות ואופטיות משתנות.
- מוגבל על ידי הצורך בשליטה מרחבית וזמנית מדויקת בסנכרון בין הלייזר ל-HIFU כדי למנוע השפעות מחוץ למטרה, כפי שעולה מנתוני המקור המראים כי קוויטציה מתרחשת רק כאשר שלושת הרכיבים נוכחים.
שאלות נפוצות בתחום הביופארמה
Chapters in this video
0:04
Title
0:32
Tissue Mimicking and Alignment Phantom Manufacture
2:51
Configuring Experimental Apparatus for Both Pulsed and Continuous Wave Studies
5:46
Cavitation Threshold Detection from Pulsed High-intensity Focused Ultrasound (HIFU)
6:23
Thermal Denaturation from Continuous Wave High-intensity Focused Ultrasound Exposures
6:47
Results: Cavitation Detection and Thermal Denaturation with High-intensity Focused Ultrasound Exposure
7:44
Conclusion
