このプロトコルは、近赤外パルス レーザー光と強力集束超音波 (HIFU) の両方に同時暴露により、ファントムに生じるキャビテーションの制御可能な核生成を示します。キャビテーションの活動は、HIFU のイメージングおよび/または治療上の使用を強化するため使用できます。
方法論記事
このプロトコルは、近赤外パルス レーザー光と強力集束超音波 (HIFU) の両方に同時暴露により、ファントムに生じるキャビテーションの制御可能な核生成を示します。キャビテーションの活動は、HIFU のイメージングおよび/または治療上の使用を強化するため使用できます。
本研究では、金ナノ粒子のプラズモン同時に組織模倣ファントムに生じるキャビテーションの制御可能な核生成の近赤外パルスレーザ光と高の強力集束超音波 (HIFU) にさらされました。癌のイメージングと治療的応用の両方の強化のため、このアプローチの妥当性を示すこの体外プロトコルが開発されました。同じ装置は、HIFU システムの暴露時間を変化させることによりイメージングと治療の両方のアプリケーションに使用できます。短時間露光 (10 μ s)、ブロード バンド アコースティック ・ エミッションは慣性のキャビテーション金ナノ粒子の制御された核生成を通じて生成されました。これらの排出量は、ナノ粒子の直接的なローカライゼーションを提供します。将来のアプリケーション、これらの粒子は分子標的抗体 (例えば抗 HER2 乳癌) を機能可能性があります、ルーチンの超音波診断の画像を補完する癌の領域の正確な局在を提供できます。連続波 (CW) 露光のためキャビテーション活動はファントムより大きい熱損傷の結果として HIFU のエクスポー ジャーから局所加熱を増やすに使用されました。これらの CW のエクスポー ジャーの中に慣性のキャビテーションの活動から生成されたアコースティックエ ミッションは、キャビテーション活動のフィードバックを提供する受動的なキャビテーション検出 (PCD) システムを使用して監視されました。増加するローカライズされた加熱のみ、ナノ粒子、レーザー光と HIFU のユニークな組み合わせによって達成されました。癌の前臨床モデルでこの技術の更なる検証が必要です。
高強度集束超音波 (HIFU)、集束超音波 (FUS) や皮下組織1の熱凝固用非電離および非侵襲的な手法です。HIFU の主な用途は、軟部組織腫瘍、2の治療が、骨腫瘍3または神経学的な条件4の治療など、他のアプリケーションに使用される始めています。クリニックで HIFU の広範な使用を制限する 2 つの主な要因がある: 第一に、治療指導の難しさと第二に、長い治療時間5。HIFU、パルス レーザーの照明、およびこのメソッドによって記述されたプラズモニック金ナノロッドの組み合わせは、HIFU6の現在の制限を克服するために方法を提供できます。
HIFU 露光中に組織アブレーションの支配的なメカニズムは、熱損傷です。ただし、キャビテーション活動役割8をプレイできます。HIFU の露光時に発生するキャビテーションの活動は、両方の機械的および/または熱媒介キャビテーションで構成できます。機械的に仲介されたキャビテーションは音響キャビテーション7, これは、さらにいずれかの非慣性または慣性9動作を受けている泡のよう 2; と一般的に呼ばれます。熱媒介キャビテーションは ex ソリューションまたは蒸発、を通じて、ガスのポケットの形成から、よく ''10を沸騰と呼びます。キャビテーションの活動は、ほとんど一般的熱加熱 HIFU エクスポー ジャー11達成率を高め、従って 1 つの重要な制限事項に対処するように慣性のキャビテーションを示されています。形成と HIFU 露光時に発生するキャビテーションの活性予測できませんし、マイナスの効果などにつながる過度の治療を地域、または非対称的な熱凝固12。HIFU のエクスポー ジャーの中にキャビテーションの活動を制御するために外部の核の導入が検討されています。これらはマイクロバブル13、位相シフト ナノエマル ジョン14または15プラズモンナノ粒子の形態をとることができます。マイクロバブルとナノエマル ジョン イメージングおよび強化された熱試練の信号にノイズを改善するために示されています。しかし、彼らの一時的な性質は、HIFU の反復暴露で機能が限定されているを意味します。HIFU のエクスポー ジャーの中にキャビテーションのアクティビティの監視は行われるいずれかのアクティブまたはパッシブのキャビテーション検出を使用して (ACD や PCD、それぞれ)。PCD は支持されたキャビテーション検出法 HIFU のエクスポー ジャーと同時に実行することができ、スペクトルのコンテンツ情報を提供します。この成分は、16で発生するキャビテーションの活動の種類を識別するためにさらに分析できます。これらの排出量は慣性のキャビテーション10の存在に一意であり、暖房11強化 HIFU にリンクしているので、ブロード バンド アコースティック ・ エミッションが使用されます。
光音響イメージング (PAI) は、新たなイメージング法17、18超音波の高分解能パルス レーザー励起のスペクトル選択性を組み合わせた臨床です。それは以前、HIFU エクスポー ジャー19をガイドに使用されていますが、このイメージング技術は、レーザー光の浸透深さによって制限されます。金ナノ粒子のプラズモンは、'造影剤' レーザー光の局所吸収とその後音響排出量20の振幅の増加として使用できます。十分に高いレーザー フルエンス局所高画像21使用ことができます微細な気泡を生成することが可能です。しかし、これらの露出レベルは通常人間22、光レーザーの使用のための最大許容暴露限界を超える、使用が限られているため。本研究で採用する方法は以前、プラズモンナノ粒子両方のレーザーを同時に公開することによって照明とこれらの小さな気泡を核に必要な音響の圧力、HIFU レーザー フルエンスは、劇的に減少を示しています。画像の信号対雑音比が増加した23。メソッドは、レーザーと核生成と蒸気泡の活動の高度制御技術のための HIFU エクスポー ジャー プラズモンナノ粒子を結合するためここで説明です。
1. ファントムの製造を模倣した組織
注: 本研究のすべてのエクスポー ジャーに使用される光学的に透明な組織模倣ファントムの音響特性の詳細な分析は、チェ ・らで見つけることができます。24
注: ファントム金型を含むソリューションでは、約 50 mL とバッチごとに合計 5 つの金型が満ちています。したがって、ファントム溶液 250 mL の合計が用意しています。
2. HIFU トランスデューサー場音響圧力の校正
注: プロトコルのこのセクションが示した/イメージング実験の前に必要ではありません。校正手順をシステムの音響出力を確保する一定の間隔で実行するが正しいです。
3. 両方のパルスおよび連続波研究実験装置の構成
4. キャビテーションしきい値検出パルスの HIFU のエクスポー ジャーから
メモ: 次のプロシージャは、ファントム、ナノ粒子の有無と同じですし、3 回繰り返す必要があります。
5 連続波 HIFU のエクスポー ジャーから熱変性
注: 次の手順はファントム ナノ粒子の有無で同じとは 3 回繰り返し。
キャビテーション検出パルスの HIFU のエクスポー ジャーから
受動的なキャビテーション検出システムは、ナノ粒子と両方のファントムに HIFU 範囲とレーザー露光のため電圧/時刻データを記録しました。図 2は、エクスポー ジャーの範囲の代表的な結果を示しています。これらのプロットの時間スケールは、これらの排出量のフライトの時間により、ブロード バンド ・ アコースティック ・ エミッションを期待と領域を強調する切り捨てられます。図 2を示して、それはナノ粒子の組み合わせがある時のみ HIFU 露出とレーザー照明ブロード バンド排出量が検出されています。しかし、これはまだしきい値現象として図 2 hの低い音圧でブロード バンドの排出量が検出されませんでした。これらの排出量の期間は、通常、本研究では約 10 μ s をだった HIFU の露出の長さに対応します。
CW HIFU 露出から熱変性
図 3は、一連のフレームから取得したユニバーサル シリアル バス (USB) カメラ (有無/レーザー照射やナノ粒子) の 3 つの異なる露出タイプのレーザー照射による単一 HIFU 露光中に示しています。この図は、これらの条件のそれぞれのファントム熱病変形成の例を示します。このビュー、HIFU で露出は右に左から発生します。ピークを図 3に示す例の負圧だった 2.53 MPa 本研究で使われていたものの上端。
CW HIFU のエクスポー ジャーから慣性のキャビテーションの線量 (ICD) を記録
図 4は、CW HIFU 露光中に記録された ICD の計算から代表的な結果を示しています。このデータは、露光中に PCD システムによって記録された排出から処理されるポストをだった。図 4 a、4 c 、 4 eより低いピーク負圧でブロード バンド排出量検出されたことがない、ICD が露出を通して記録された表示図 4 b、d、およびfを示します。最高の ICD シグナルが HIFU とレーザー露光 (図 4 階) でナノ粒子を含んでいるゲルの露出の間に観察されました。

図 1。本研究で使用される実験装置の概略図。わかりやすくするため、USB 顕微鏡、光源省略されますが、ビュー領域は青破線のボックスに示されています。CNC コンピューター数値制御、AuNR - 金ナノロッド。図 McLaughlanらから適応(2017)6.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2。HIFU の短い露光、同時レーザー照射の有無による受動的なキャビテーション検知システム記録電圧トレースの例です。使用する場合、レーザー フルエンスは 2.1 mJ/cm2 (a から c) 3.0 の最大負圧、2.13 (d-f)、(g-i) 1.43 MPa だった。LS-レーザー、NR - ナノ粒子。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3。個人が USB 顕微鏡によって記録された HIFU 露光中に時に 0、5、10、15 s をフレームします。レーザー フルエンスは 2.53 MPa の 3.4 mJ/cm2とピーク負圧だった。シーケンス (a) レーザ露光とナノ粒子のないファントム (b) はレーザーの露出なしとナノ粒子を含むファントム、(c) はレーザ光を照射してナノ粒子を含むファントム。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4。レーザ光を照射することがなく慣性キャビテーション線量 (ICD) と (、b、e & f) のエクスポー ジャーの中に記録された、(c & d) を計算します。最大負圧はいずれか (、c & e) 0.91 または (b、d & f) 2.53 MPa。使用されるファントム (、& b) 任意のナノ粒子が含まれていません。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
このプロトコルは、生成された熱変性を生成するように CW エクスポー ジャーを通じて組織模倣ファントムの製造を記述する 4 つのセクションに分かれています。ファントムのこの変性は、HIFU1にさらされる軟組織によって経験される生成された熱凝固壊死をシミュレートします。製造、TEMED と AP の比率がそのプロセスを余りにすぐに触媒がないことを確認することが重要です。このプロセスは発熱、早くこのレート、高い温度に達した25こうして露出前に BSA 蛋白質を変化できます。これは発生しません、金型を氷水に配置し、さらにこの可能性を最小限に抑えるためにゲルの重合中にただし、このプロトコルで TEMED AP の比が設定されています。
このプロトコルは、ナノ粒子、レーザー イルミネーションと HIFU 露出の組み合わせによるキャビテーションの核生成に焦点を当て、ファントムの製造の重要なステップは 30 分以上の真空下でガスを抜きです。一度熱病変が存在しない場合でも HIFU (特に CW エクスポー ジャー) を公開、既存の核を避けるためにファントムで新鮮な場所を対象とすることが重要です。翻訳システムをコンピューターを用いたファントムの移動制御、HIFU フォーカス (そして一直線に並べられた地域) の深さを一貫性を確保することが重要です。こう HIFU 圧とレーザーのフルエンス レベルは各特定の露出のパラメーターで統一。このプロトコルとファントムのホルダーの初期配置後、垂直軸で翻訳はだけですし。
25HIFU の研究コミュニティの熱の病変の形成を監視するための視覚メカニズムを提供するように広く温度敏感な組織模倣ゲルを使用します。本研究は、ナノ粒子とそれらを組み合わせると病斑形成制御キャビテーション活動を通じて提供強化を示す最初の例だった。しかし、彼らは温度に対する応答の組織模倣として分類は、両方の光学および音響減衰はありません。ゲルの病斑形成を可視化する必要がある、ため、ファントムが付近のわずかな黄色の色合いで、透明性。このアカウントに、レーザー フルエンスを調整、対象地域を照らすレーザー光は平行ではなく、正常な組織のためになる拡散というわけで。このように臨床的翻訳を複数照明を可能にするソースを表面に十分な流量を確保するため必要とします。現在この作品は肌に露出されたときのレーザーの安全な使用のためのガイドライン22に準拠しています。これは深さで達成可能な最大のレーザー フルエンスを制限したがって、この手法は、乳がんや頭頸部などの表在癌の治療に適している最初でしょう。さらに、プラズモンナノ粒子のこれらのタイプの癌のための表面の受容器を対象とした治療の選択性を提供できます。ただし、にもかかわらずこれは非常にアクティブな研究分野は、このような粒子が現在承認されてない臨床使用のため。
ナノ粒子とファントムの音響減衰は 0.7±0.2 dB/cm6測定し、3-4 dB/cm の軟部組織の値と比較して、極端に低い。したがって、これらのゲルの HIFU のエクスポー ジャーから暖房は軟部組織の観察はより低いでしょう。それは、ゲルにガラスビーズ添加が軟部組織25と同様の減衰レベルを増加することが実証されています。ただし、このアプリケーションでこのアプローチは不可能これらのビーズ、ナノ粒子の不在でもキャビテーション活性の核生成ソースを行動し、従ってキャビテーション閾値を偽る。チェらによる研究の結果との加熱効率を比較する場合(2013)25, 14-23 MPa のピーク圧力範囲で生成された熱病変 (記載されていないこれはピークの正または負の圧力がある場合)。1.1 MHz で実施された、ファントムで減衰だったこの研究で使用されるよりも低かった。それにもかかわらず、本研究ではナノ粒子核アプローチは 1.19 から 3.19 MPa、現在の方法論を示し効率性の向上に至るまでの圧力でこれらのファントムで熱病変を生成できた。
今後のテストこの方法論は, 腫瘍の縮小、組織灌流、分子ナノ粒子と関連する音響減衰パラメーターの標的を組み込む体内モデルで行わなければならないのです。
著者は、何を開示します。
この作品は、EPSRC によって支えられた EP/J021156/1 を与えます。著者は、初期キャリア Leverhulme フェローシップ (ECF-2013-247) からのサポートを確認したいと思います。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 一振動子HIFUトランスデューサ | Sonic Concepts | H-102 | |
| 55dB パワーアンプ | E&I | A300 | |
| 関数発生器 | キーサイトテクノロジー | 33250A | |
| 差動膜 ハイドロフォン | Precision Acoustics Ltd | ||
| TTL パルス発生器 | 量子作曲家 | 9524 | |
| Nd:YAG パルスレーザー | コンティニュアム | スレライト I-10 | |
| OPO プラス | コンティニュアム | スレライト | |
| ファイバーバンドル | Thorlabs Inc | BF20LSMA01 | |
| エネルギーセンサー | Thorlabs | Inc ES145C | |
| Nanorods | Nanopartz | A12-40-850 | |
| 広帯域検出器 | Sonic Concepts | Y-102 | |
| 5 MHz ハイパスフィルター | Allen Avionics | ||
| 40dB プリアンプ | Spectrum GmbH | SPA.1411 | |
| 14ビットデータ収集カード | Spectrum GmbH | M4i.4420x8 | |
| 脱イオンろ過水 | MilliQ | ||
| アクリルアミド/ビスアクリルアミド溶液 | Sigma Aldrich | A9927 | |
| 1 mol/L TRIS バッファー | Sigma Aldrich | T2694 | |
| 過硫酸アンモニウム | Sigma Aldrich | A3678 | |
| ウシ血清アルブミン | Sigma Aldrich | A7906 | |
| TEMED | Sigma Aldrich | T9281 | |
| 3Dプリンター | CEL-UK | Robox | |
| 3軸位置決めシステム | Zolix | ||
| デジタル顕微鏡 | Dino-lite | AM4113TL | |
| 水タンク | 無印良品 | アクリルタンク | |
| 光学部品 | Thorlabs Inc | 各種 | |
| オプトメカニカルコンポーネント | Thorlabs Inc | 各種 | |
| BNCケーブル | RS | ||
| デスクトップPC | カスタムメイド | ||
| ホットプレート スターラー | Fisher | ||
| SBench6 | Spectrum GmbH | 測定ソフトウェア |
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