Methodenartikel

Beheersbare nucleatie van cavitatie van Enterprise gouden nanodeeltjes voor het verbeteren van hoge intensiteit gericht echografie toepassingen

9.8K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/58045

⸱

5 oktober 2018

1School of Electronic and Electrical Engineering, University of Leeds, 2Leeds Institute of Cancer and Pathology, University of Leeds

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol blijkt de controleerbaar nucleatie van cavitatie in gel fantomen, door middel van gelijktijdige blootstelling aan zowel de nabij-infrarood gepulste laser licht en de hoge intensiteit geconcentreerd ultrageluid (HIFU). De activiteit van cavitatie kan vervolgens worden gebruikt voor het verbeteren van de beeldvorming en/of therapeutische toepassingen van HIFU.

Samenvatting

In deze studie werden Enterprise gouden nanodeeltjes gelijktijdig blootgesteld aan gepulseerde nabij-infrarood laser licht en hoge intensiteit gericht ultrageluid (HIFU) voor de controleerbaar nucleatie van cavitatie in weefsel nabootsen gel fantomen. Dit protocol in vitro werd ontwikkeld om aan te tonen van de haalbaarheid van deze benadering, voor beide verhoging van beeldvorming en therapeutische toepassingen voor kanker. De dezelfde apparatuur kan worden gebruikt voor zowel de beeldvorming en de therapeutische toepassingen door het variëren van de blootstellingsduur van de HIFU-systeem. Voor korte duur vorderingen (10 µs), werden breedband akoestische emissies gegenereerd door de gecontroleerde nucleatie van inertial cavitatie rond de gouden nanodeeltjes. Deze emissies bieden directe lokalisatie van nanodeeltjes. Voor toekomstige toepassingen, deze deeltjes kunnen worden matiemaatschappij met moleculaire-targeting antilichamen (bijvoorbeeld anti-HER2 voor borstkanker) en precieze lokalisatie van kanker regio's, aanvulling van routinematige diagnostische echografie beeldvorming kunnen bieden. Bij continuous wave (CW) vorderingen was de cavitatie activiteit gewend de gelokaliseerde verwarming van de posities van de HIFU resulterend in grotere thermische schade in de gel phantoms verhogen. De akoestische emissies gegenereerd op basis van inertial cavitatie activiteit tijdens deze CW belichtingen werd gecontroleerd met behulp van een passieve cavitatie-detectiesysteem (PCD) feedback van cavitatie activiteit te geven. Verhoogde gelokaliseerde verwarming werd alleen bereikt door de unieke combinatie van nanodeeltjes, laserlicht en HIFU. Verdere validatie van deze techniek in pre-klinische modellen van kanker is noodzakelijk.

Inleiding

Hoge intensiteit ultrageluid (HIFU), gericht of echografie chirurgie (FUS) gericht, is een niet-ioniserende en niet-invasieve techniek die wordt gebruikt voor de thermische ablatie van subcutane weefsel1. Het belangrijkste gebruik van HIFU is in de behandeling van weke delen tumoren2, maar het begint te worden gebruikt voor andere toepassingen, zoals bot tumoren3 of4van de neurologische aandoeningen te behandelen. Er zijn twee belangrijke factoren waarmee het wijdverbreide gebruik van HIFU in de kliniek worden beperkt: in de eerste plaats moeilijkheden in behandeling begeleiding en ten tweede, lange behandeling5keer. De combinatie van HIFU, gepulste laser verlichting en Enterprise gold nanostaafjes beschreven door deze methode kan bieden een manier om te overwinnen van de huidige beperkingen voor HIFU6.

Tijdens HIFU belichtingen is de dominante mechanisme van weefsel van het baarmoederslijmvlies schade door hitte. Cavitatie activiteit kan echter ook een rol8spelen. Cavitatie-activiteit die tijdens HIFU belichtingen plaatsvindt kan bestaan uit zowel mechanisch en/of thermisch gemedieerde cavitatie. Mechanisch gemedieerde cavitatie is over het algemeen aangeduid als akoestische cavitatie7, die verder als bubbels ondergaan hetzij niet-inertial of inertial9 gedrag is subcategorized. Thermisch gemedieerde cavitatie is van de vorming van gas zakken, via ex-oplossing of verdampen, en wordt meestal aangeduid als 'koken'10. Cavitatie activiteit, meest vaak inertial cavitatie, is aangetoond dat verbetering van de thermische verwarming tarieven haalbaar door HIFU posities11 en aldus bijdragen tot het adres een van zijn belangrijkste beperkingen. Echter, de vorming en activiteit van cavitatie tijdens HIFU belichtingen kunnen onvoorspelbaar en leiden tot negatieve effecten zoals overdreven behandeld regio's of asymmetrische thermische ablatie12. Oog op de controle cavitatie activiteit tijdens HIFU belichtingen, heeft de invoering van externe kernen onderzocht. Deze kunnen de vorm aannemen van microbellen13, faseverschuiving nanoemulsions14 of Enterprise nanodeeltjes15. Zowel microbellen en nanoemulsions is aangetoond dat het verbeteren van de signaal-ruis voor imaging en verbeterde thermische ablations. Hun voorbijgaande aard betekent echter dat zij bieden slechts beperkte functionaliteit over herhaalde HIFU posities. Monitoring van cavitatie activiteit tijdens HIFU belichtingen wordt gedaan met behulp van beide actieve of passieve cavitatie-detectie (ACD- of PCD, respectievelijk). PCD is een favoriete techniek voor de detectie van cavitatie, als het kan worden uitgevoerd gelijktijdig met HIFU belichtingen en spectrale inhoud informatie. Deze spectrale inhoud kan vervolgens verder worden geanalyseerd om te helpen bij het identificeren van het type cavitatie activiteit voorkomende16. Breedband akoestische emissies worden gebruikt, omdat deze emissies uniek voor de aanwezigheid van inertial cavitatie10 zijn en zijn gekoppeld aan verbeterde HIFU verwarming11.

Photoacoustic (PAI) imaging is een opkomende klinische imaging techniek17, die combineert de spectrale selectiviteit van gepulste laser excitatie met de hoge resolutie van echografie imaging18. Het is eerder gebruikt bij HIFU posities19, maar deze beeldvormende techniek wordt beperkt door de diepte van de penetratie van laserlicht. Enterprise gouden nanodeeltjes kan worden gebruikt om op te treden als 'contrastmiddelen' verhoging van de lokale absorptie van het laserlicht en vervolgens de amplitude van de photoacoustic emissies20. Voor voldoende hoog laser fluences is het mogelijk tot de generatie van microscopische damp bubbels die kunnen worden gebruikt voor zeer gelokaliseerde imaging21. Echter deze blootstellingsniveaus meestal hoger zijn dan de maximaal toelaatbare blootstellingslimiet voor het gebruik van laserlicht in mens22, en dus hebben beperkt gebruik. De waarderingsgrondslag die werd toegepast in deze studie heeft eerder aangetoond dat door gelijktijdig bloot Enterprise nanoparticles aan beide laser verlichting HIFU, laser fluentie en de akoestische druk moest ervoor deze kleine damp bubbels is drastisch verminderd, en de signal-to-noise verhouding voor imaging is toegenomen23. Een methode is hier beschreven voor het combineren van Enterprise nanodeeltjes met zowel laser als HIFU posities voor een zeer controleerbaar techniek voor de nucleatie en de activiteit van de damp bubbels.

Protocol

1. de weefsels nabootsen van Phantom vervaardiging

Opmerking: Een grondige analyse van de akoestische eigenschappen van de optisch transparante weefsel nabootsen phantom gebruikt voor alle vorderingen in deze studie kan worden gevonden in Choi, et al.. 24

Opmerking: Elke phantom schimmel bevat ongeveer 50 mL oplossing, en voor elke partij een totaal van vijf mallen zijn gevuld. Dus is een totaal van 250 mL van phantom oplossing bereid.

  1. 148.2 mL (60% v/v) gedeïoniseerd water, gefilterde en ontgaste water aan een bekerglas van 500 mL glas en laat hem equilibreer tot kamertemperatuur toevoegen. Voeg 75 mL van 40% (gewicht/volume) Acrylamide/Bis-acrylamide oplossing (30% v/v) voor het glas bekerglas, gevolgd door 25 mL van de 1 M TRIS buffer, pH 8 (10% v/v) en 2.15 mL 10% ammoniumnitraat persulfate (APS; 0.86% v/v).
  2. Plaats het bekerglas glas binnen een vacuuemcel die op een magneetroerder plaat bevindt zich, en een 40 mm lange polytetrafluorethyleen (PTFE) magnetische roeren bar plaats binnen het bekerglas. Met een medium snelheid roeren (dat wil zeggen, zorgen voor goede mengen zonder voor vorming van draaikolk in het water), Voeg langzaam 22.5 g (9% w/v) bovien serumalbumine (BSA) poeder.
  3. Zodra alle BSA is toegevoegd aan de oplossing, sluit de Vacuuemcel en zet de vacuümpomp. Handhaven van een vacuüm van 80 mBar/H en blijven roeren gedurende een verdere 60 min, na welke versie het vacuüm. De oplossing moet op dit punt duidelijk zijn met een lichte gele tint.
  4. De bovenstaande methode is hetzelfde voor phantoms gemaakt zowel met als zonder nanodeeltjes. Als nanodeeltjes vereist zijn, voeg 10 µL (concentratie van 1 x 108 np/mL) voor nanostaafjes hebben een oppervlakte plasmon resonantie (SPR) op 850 nm en een diameter van 40 nm.
  5. Ten slotte voeg 125 µL van tetramethylethylenediamine (TEMED) te katalyseren polymerisatie van the phantom. Wacht een verdere 5 min voor het mengen, dan giet de phantom oplossing in 5 individuele mallen en 20 min wachten om in te stellen. Eenmaal ingesteld, verwijderen uit de houders en bewaren in een luchtdichte verpakking tot gebruik. Gebruik phantoms binnen de 24u van vervaardiging.

2. kalibratie van de akoestische druk van het vrije veld van HIFU-omvormers

Opmerking: Deze sectie van het protocol is niet nodig, vóór elk experiment lesioning/imaging. Het is een kalibratieprocedure moet worden uitgevoerd met regelmatige tussenpozen om akoestische output van het systeem correct is.

  1. Vul een acryl waterreservoir (280 x 141 x 132 mm) met 4.5 L van ontgaste gedeïoniseerd water. De HIFU transducer monteren op een vaste positie post aan het ene uiteinde van de tank, geconfronteerd met. Parallel aan dit, monteren een gekalibreerde (uitgevoerd door de nationale laboratoria van de fysieke) membraan hydrofoon op een drie-as handmatige micrometer-podium in het geschatte brandpunt van de HIFU transducer (63 mm).
  2. Sluit de transducer HIFU (geometrische richten 63 mm) aan het circuit van de impedantieaanpassing, vervolgens vermogen versterker (zoals weergegeven in Figuur 1). Vervolgens sluit de membraan hydrofoon rechtstreeks aan het data-acquisitiesysteem, ervoor te zorgen dat een trigger signaal wordt geleverd door de functiegenerator aangesloten op de versterker (Figuur 1).
  3. Instellen van de uitgangsspanning van de functiegenerator tot 30 mV, met een 10 cyclus 3.3 MHz sinusgolf met een puls herhaling frequentie van 100 Hz.
  4. Met behulp van de software van de meting (Zie Tabel van materialen) te visualiseren het gedetecteerde akoestisch signaal en de micrometer fase, positie van de gedetecteerde akoestische pols op het juiste moment van de vlucht (42,5 µm). Met behulp van slechts een enkele radiale richting tegelijk in het werkgebied micrometer, Maximaliseer de gedetecteerde akoestisch signaal. Zodra ervan overtuigd dat dit is bereikt, sluit de software en laat de membraan hydrofoon in de huidige positie.
  5. Het variëren van de uitgangsspanning van de functiegenerator van 20-400 mV in 20 stappen van de mV. Bij elke spanning niveau en gebruiken signalen de MatLab acquisitie software, record de hydrofoon. Verwerven van 100 pulsen op elk niveau en omzetten van gegevens van de spanning in druk met behulp van de meegeleverde kalibratiegegevens. Gemiddelde van de gegevens en het meten van zowel de positieve en negatieve piekwaarden voor alle uitvoer spanningsniveaus. Dit geeft de kalibratiegegevens voor het vrije veld piek negatieve druk moet worden gebruikt voor zowel de pols en blijft Golf studies.

3. het configureren van experimentele apparatuur voor beide Studies gepulseerde en continu Golf

  1. Vul een acryl waterreservoir (280 x 141 x 132 mm) met 4.5 L van ontgaste gedeïoniseerd water. Monteer de HIFU transducer en de co-gebonden breedband hydrofoon op het podium van een drie-as handmatige micrometer. Vervolgens volledig dompelen de transducer en hydrofoon in het waterreservoir. Een schematische voorstelling van dit is afgebeeld in Figuur 1.
  2. De transducer HIFU verbinden met een impedantie aanpassing-circuit, om te kunnen worden gereden op de derde harmonische (3.3 MHz). Dit circuit is direct aangesloten op de uitgang van een eindversterker RF. Een digitale functiegenerator is aangesloten op de ingang van de versterker en geprogrammeerd op afstand.
  3. Voorafgaand aan blootstellingen in phantom materiaal, gebruik een gekalibreerde differentiële membraan hydrofoon voor het meten van de piek onderdruk gegenereerd op basis van dit systeem voor een bepaalde ingangsspanning van de functiegenerator zoals beschreven in 2. Gebruik deze referentiewaarden van de spanning tot het niveau van de vereiste druk op de digitale functiegenerator instellen.
  4. Verbinding maken met de breedband hydrofoon (geometrische richten 63 mm) die is gevestigd in de centrale opening van de HIFU transducer rechtstreeks naar een 5 MHz high-pass filter. Verbind deze vervolgens met een 14-bits overname gegevenskaart (DAQ) via een voorversterker 40 dB. Zorg ervoor dat de high-pass filter is verbonden met de juiste bias.
    Opmerking: Deze kaart in een desktop-PC is geïnstalleerd en wordt gebruikt voor het controleren van alle hardware (voorbeelden deze software kan worden gevonden als aanvullende bestanden) en opslaan van gegevens voor offline verwerking tijdens deze studie.
  5. Verbinding maken met een transistor-transistor-logic (TTL) digitale vertraging pulse generator met bajonet Neill-Concelman (BNC) kabels aan beide de gepulste laser systeem en functie generator om synchronisatie tussen deze systemen, die ervoor dat de 7 zorgt ns laser Pulse is samenvallen in de regio doel tijdens de vierde piek van de rarefaction van de HIFU transducer.
  6. De BSA en nanodeeltjes te maken een uitlijning phantom, die standaard phantom materiaal dat een bolvormige metalen doelstelling 1 mm (een kogellager bevat) met behulp van de methode beschreven in 1, weglaat. Om dit te bereiken, giet 25 mL van phantom materiaal in een mal en toevoegen van 62,5 µl TEMED katalysator, dan wachttijd ongeveer 20 min om in te stellen. Vervolgens plaats van de metalen doelstelling centraal in de phantom en voeg nogmaals 25 mL phantom oplossing gevolgd door de 62,5 µl TEMED katalysator en een verdere 20 min wachten.
  7. De uitlijning in de 3D-gedrukte houder6phantom plaatsen, monteren in een automatische 3D-werkgebied en ongeveer plaats zodat de metalen doelstelling op de focal hoogtepunt van de HIFU transducer is.
  8. Met behulp van de HIFU transducer voor het verzenden van een korte duur 10 cyclus barsten (3 µs) en de hydrofoon te ontvangen (aangesloten rechtstreeks op de kaart DAQ), is de positie ten opzichte van het doel van de uitlijning geoptimaliseerd door pulse-echo locatie. De real-time ontdekt signaal zal worden weergegeven op de computer. De tijd van de vlucht en signaal amplitude met behulp van de handmatige micrometer fase die de HIFU transducer en hydrofoon gemonteerd is op aanpassen. Zodra de tijd van de vlucht is ingesteld op 85 µs (een enkele ronde reis) en de amplitude van het signaal is in beide richtingen radiaal is gemaximaliseerd, zal dit systeem worden uitgelijnd.
  9. Koppel de optische energie uit de optische parametrische oscillator (OPO) gepompt door de gepulste laser van 532 nm nanosecond in de phantom met behulp van een vezelbundel 2 mm. Deze vezel op een tweede fase van de micrometer en positie onder een hoek van 45˚ mounten vanaf de akoestische as voor de phantom (Figuur 1). De golflengte van het laserlicht is ingesteld op 680 nm zichtbaar voor uitlijning. Zodra zichtbaar, plaatst u de laser verlichting met de micrometer fase zodanig zijn dat het doel van de uitlijning Midden in een 15 mm diameter laser plek.
  10. Positie van de 20-90 x digitale Microscoop (werken afstand 90 mm) en een witte lichtbron aan weerszijden van het waterreservoir loodrecht op het vlak van de propagatie van de HIFU transducer. De Microscoop is gemonteerd op een kleine micrometer podium. Plaats het zodanig zijn dat de metalen uitlijning gerichte centrale en focus in haar gezichtsveld (5 x 6 mm).
    Opmerking: Nadat de bovenstaande procedure is voltooid, alle elementen van dit systeem (HIFU transducer, hydrofoon, laser verlichting en Microscoop) zijn nu mede uitgelijnd naar een specifieke locatie. De phantom uitlijning kan nu worden vervangen door het nabootsen van weefsel phantoms gebruikt voor de studie. Zoals de phantom is gemonteerd in een houder die verbonden aan een 3D-positiebepalingssysteem, kunnen verschillende regio's worden gericht, met behoud van de uitlijning.

4. cavitatie Threshold Detection van gepulste HIFU posities

Opmerking: De volgende procedure geldt voor spoken met of zonder nanodeeltjes, en moet drie maal worden herhaald.

  1. Controleer of de PCD-systeem is aangesloten, nadat in 3.8 wordt losgekoppeld voor het alignement procedure beschreven en afstemmen van de golflengte van de laser om de SPR van de nanodeeltjes. Gebruik een aangepast besturingselement programma en laat de functiegenerator voor de productie van een 10 cyclus (3 µs) HIFU burst, die wordt gesynchroniseerd met het lasersysteem. Ook dit programma gebruiken om een laser fluentie 0.4, of 1.1, 2.1, 3.4 mJ/cm2 al veranderen de timing tussen het genereren van de flitslamp afvuren en Q-switch opening in het lasersysteem.
  2. Richten de focal piek van de HIFU systeem 10 mm diep in de phantom, en op 13 unieke locaties, verdeeld door 5 mm, in verticale richting. In elk van deze locaties uitgevoerd door een blootstelling aan een enkele piek HIFU onderdruk, met de fluences van de vier laser vermeld in punt 4.2.
  3. Gebruik het bereik van de piek negatieve druk 0, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2,13, 2,34, 2,53, 2.71, 2,83, 3.00 en 3.19 MPa voor de volgende blootstellingsvoorwaarden: laser op in een nanoparticle gratis phantom, laser uit in een phantom nanoparticle en laser op in een nanoparticle Phantom. Om te simuleren een 'sham' laser blootstelling, het uitvoeren van het systeem als beschreven, maar de handmatige sluiter sluiten op de uitgang van de OPO. Deze aanpak zal ervoor zorgen dat lawaai van de RF nog steeds aanwezig op de PCD systeem zal zijn.
  4. Alle instellingen en blootstelling posities in het besturingsprogramma Program, en voer voor het uitvoeren van deze metingen. PCD gegevens is gedigitaliseerd en opgeslagen rechtstreeks met behulp van de data-acquisitie kaart voor nabewerking. Voor elke parameter blootstelling Herhaal 500 posities zijn verworven6.
  5. Verwerken van de breedband emissies gedetecteerd door het systeem van de PCD van de korte duur HIFU posities in de spoken met behulp van de gedetailleerde door McLaughlan et al. techniek (2017) 6.

5. thermische denaturatie van continue Wave HIFU posities

Opmerking: De volgende procedure geldt voor spoken met of zonder nanodeeltjes en driemaal werden herhaald.

  1. Stel de lasersysteem te geven een fluentie van 3.4 mJ/cm2 en de functiegenerator te geven een CW blootstelling (elke burst 330.000-cyclus wordt gesynchroniseerd aan een pulse laser). Selecteer in 11 unieke locaties in de phantom, een negatieve druk van de piek van 0,20, 0.62, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2,13, 2,34, 2,53 of 2.71 MPa.
  2. Gebruik een totale blootstellingstijd van 17 s om het verwerven van 1s van basislijn voor en na een 15 s CW HIFU blootstelling in de phantom. Tijdens deze totale blootstellingstijd, is het data-acquisitiesysteem de PCD gegevens opnemen. De Microscoop is verbonden met het besturingselement PC en de afbeeldingsframes worden geregistreerd tijdens dit keer naar bieden een directe visualisatie van thermische laesie vorming.
  3. Herhaal het proces in 4.3 voor alle verschillende blootstellingsomstandigheden in 4.4 beschreven.
  4. Alle PCD gegevens offline voor het berekenen van de traagheids cavitatie dosis25 voor elke blootstelling verwerken.

Resultaten

Cavitatie detectie van gepulste HIFU posities

De passieve cavitatie-detectiesysteem opgenomen de spanning/tijd-gegevens bij het bereik van de HIFU en laser vorderingen in beide phantoms met en zonder nanodeeltjes. Figuur 2 toont de representatieve resultaten voor een scala van posities. De tijdschema's op deze percelen worden afgekapt om te markeren van de regio's waar breedband akoestische emissies zou worden verwacht, te wijten aan de tijd van de vlucht van deze emissies. Figuur 2 toont aan dat er alleen als er een combinatie van nanodeeltjes, HIFU blootstelling en laser verlichting dat breedband emissies worden gedetecteerd. Dit is echter nog steeds een drempel fenomeen, zoals bij de lagere akoestische druk voor Figuur 2 h breedband emissies niet zijn waargenomen. De duur van deze emissies komen meestal overeen met de lengte van de HIFU blootstelling, die ongeveer 10 µs in deze studie was.

Thermische denaturatie van een CW HIFU blootstelling

Figuur 3 toont dat een reeks frames verworven van de universal serial bus (USB) camera tijdens een eenmalige blootstelling van de HIFU met laser verlichting, voor de drie verschillende belichtingen typen (met/zonder laser verlichting en/of nanodeeltjes). Deze figuur toont een voorbeeld van de vorming van thermische letsels in de gel phantoms voor elk van deze voorwaarden. In deze weergave de HIFU blootstelling treedt op van links naar rechts. Voor het voorbeeld in Figuur 3 de piek was onderdruk 2,53 MPa, de bovenste rand van wat werd gebruikt in deze studie.

Opname inertial cavitatie dosis (ICD) van CW HIFU posities

Figuur 4 toont representatieve resultaten van de berekening van de ICD opgenomen tijdens CW HIFU belichtingen. Deze gegevens was bericht verwerkt door de emissies door de PCD systeem geregistreerd tijdens de blootstelling. Figuren 4a, 4 c, en 4e tonen aan dat bij een lagere piek negatieve druk, geen breedband emissies werden waargenomen, waar de cijfers 4b, d en f tonen dat ICD is opgenomen in het blootstelling. De hoogste ICD signalen werden waargenomen tijdens de blootstelling in een gel met nanodeeltjes met HIFU zowel laser-posities (figuur 4f).

figure-results-1
Figuur 1. Een schematische weergave van de experimentele apparatuur die wordt gebruikt in deze studie. Voor de duidelijkheid, de USB microscoop en lichtbron zijn weggelaten, maar de weergave regio wordt geïllustreerd door een blauwe onderbroken doos. CNC - Computer numerieke besturing, AuNR - goud nanostaafjes. Figuur overgenomen van McLaughlan et al. (2017) 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-2
Figuur 2. Een voorbeeld van de spanning-sporen opgenomen met de passieve cavitatie-detectiesysteem tijdens korte HIFU belichtingen, met/zonder gelijktijdige laser verlichting. Wanneer gebruikt, was de laser fluentie 2.1 mJ/cm2 met een negatieve druk van de piek van (a-c) 3.0, 2.13 (d-f) en (g-i) 1,43 MPa. LS - laser, NR - nanodeeltjes. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-3
Figuur 3. Individuele frames op keer 0, 5, 10 en 15 s tijdens een blootstelling van de HIFU opgenomen door de USB-microscoop. De laser fluentie was 3.4 mJ/cm2 en piek negatieve druk van 2,53 MPa. Volgorde (a) werd met de laser blootstelling en in een phantom zonder nanodeeltjes, (b) is zonder laser blootstelling en in een phantom met nanodeeltjes en (c) heeft zowel laser verlichting en een phantom met nanodeeltjes. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

figure-results-4
Figuur 4. Inertial cavitatie dosis (ICD) opgenomen tijdens belichtingen (a, b, e, & f) met en (c & o) berekend zonder laser verlichting. Onderdruk van de piek was ofwel (a, c, & e) 0.91 of (b, d, & f) 2,53 MPa. De phantom gebruikt (een & b) bevatte niet alle nanodeeltjes. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussie

Dit protocol is verdeeld in vier aparte secties, met een beschrijving van de vervaardiging van de phantom weefsel nabootsen door aan de CW-posities in hen te produceren thermisch gegenereerde denaturatie. Deze denaturatie van de fantomen simuleert thermisch gegenereerde coagulatie necrose weke blootgesteld aan HIFU1ondervinden. Bij hun productie is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de verhouding tussen APS en TEMED zodanig is dat het proces niet te snel doet katalyseren. Als dit proces exotherm is, hoe sneller dit tarief, hoe hoger de temperatuur bereikt25 en dus van de proteïnen van de BSA voorafgaand aan blootstelling denatureren kon. De verhouding van APS aan TEMED in dit protocol is vastgesteld, zodanig dat dit niet moet gebeuren, maar de mallen kunnen worden geplaatst in ijswater tijdens de actinemonomeren van de gel om deze mogelijkheid verder te minimaliseren.

Als dit protocol richt zich op de nucleatie van cavitatie door middel van het combineren van nanodeeltjes, laser illuminations en HIFU belichting, is een cruciale stap in de vervaardiging van de gel phantoms ontgas hen onder drukvermindering voor minimaal 30 min. Zodra blootgesteld aan HIFU (met name CW posities), zelfs als een thermische laesie niet aanwezig was, is het belangrijk te richten op een nieuwe locatie in de gel fantomen om te voorkomen dat bestaande kernen. Wanneer vertaalsysteem verplaatsen van de phantom met behulp van de computer gecontroleerd is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de diepte van de HIFU focus (en dus uitgelijnde regio) consistent wordt gehouden. Dit zorgt ervoor dat de HIFU druk en laser fluentie niveaus uniform voor elke specifieke blootstelling-parameter. Voor dit protocol en na de eerste plaatsing van de phantom houder, is het dan alleen vertaald in de verticale as.

De temperatuurgevoelige weefsel nabootsen gels worden veel gebruikt door de HIFU onderzoek Gemeenschap25, omdat ze een visuele mechanisme bieden voor toezicht op de vorming van een thermische laesie. Deze studie was het eerste voorbeeld van combineren met nanodeeltjes en demonstreren van de verhoging tot laesie vorming door middel van gecontroleerde cavitatie activiteiten geboden. Hoewel ze zijn ingedeeld als weefsel-nabootsen voor hun reactie op temperatuur, zijn zowel hun optische en akoestische demping echter niet. Als gevolg van de noodzaak om het visualiseren van de vorming van de laesie in de gels, zijn de fantomen nabij transparant, met een lichte gele tint. De laser fluentie is aangepast aan account voor dit, betekent het dat het laserlicht verlichten van de doel-regio collimated in plaats van diffusive als voor normale weefsel zijn zou. Dus met het oog op klinische vertaling meerdere verlichting bronnen nodig zou zijn om genoeg fluentie op het oppervlak. Momenteel is dit werk voldoet aan de22 van de richtsnoeren voor een veilig gebruik van lasers wanneer blootgesteld aan de huid. Dit zou beperken de maximale laser fluentie haalbaar op diepte; Deze techniek zou dus in eerste instantie geschikt zijn om de behandeling van oppervlakkige kankers zoals borst, hoofd of nek. Enterprise nanodeeltjes gericht aan oppervlakte receptoren voor deze soorten kanker kan bovendien zorgen voor meer selectiviteit in behandelingen. Echter, hoewel dit een zeer actief gebied van het onderzoek is, geen dergelijke deeltjes zijn momenteel goedgekeurd voor klinisch gebruik.

De akoestische demping van de spoken met nanodeeltjes werd gemeten om te worden 0.7±0.2 dB/cm6, en vergeleken met de waarde voor de weke delen van 3-4 dB/cm, het is aanzienlijk lager. Dus zou de verwarming uit HIFU posities in deze gels lager dan zou worden waargenomen in de weke delen. Het is bewezen dat toevoeging van glaskralen aan de gel de demping niveaus vergelijkbaar met weke delen25 verhoogt. In deze aanvraag is deze benadering echter niet mogelijk als deze parels zou een nucleatie bronnen voor cavitatie activiteit zelfs bij het ontbreken van nanodeeltjes handelen, en dus verkeerd de drempel cavitatie. Bij het vergelijken van de efficiëntie van de verwarming voor met de resultaten van de studie door Choi et al. (2013) 25, thermische letsels werden gegenereerd op piek druk reeksen van 14-23 MPa (het is niet vermeld als dit piek positieve of negatieve druk was). Zoals dit werd uitgevoerd in 1.1 MHz, was de demping in de fantomen lager dan in deze studie gebruikt. De aanpak van nanoparticle-nucleated in deze studie kon echter voor het genereren van thermische letsels in deze phantoms bij druk variërend van 1.19 tot 3.19 MPa, dus het aantonen van een verhoogde efficiëntie over huidige methodologieën.

Toekomstige testen voor deze methode moet plaatsvinden in een in vivo -model op te nemen van de vermindering van de tumor, weefsel perfusie, moleculaire richten van nanodeeltjes en relevante akoestische demping parameters.

Openbaarmakingen

De auteur heeft niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door EPSRC verlenen EP/J021156/1. De auteur wil erkentelijk voor steun uit een vroege carrière Leverhulme fellowship (ECF-2013-247).

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Single Element HIFU transducerSonic ConceptsH-102
55dB Power AmplifierE&IA300
Function GeneratorKeysight Technologies33250A
Differential Membrane HydrophonePrecision Acoustics Ltd
TTL Pulse GeneratorQuantum Composers9524
Nd:YAG Pulse LaserContinuumSurelite I-10
OPO PlusContinuumSurelite
Fibre BundleThorlabs IncBF20LSMA01
Energy SensorThorlabs IncES145C
NanorodsNanopartzA12-40-850
Broadband detectorSonic ConceptsY-102
5 MHz high pass filterAllen Avionics
40dB preamplifierSpectrum GmbHSPA.1411
14-bit data acquisition cardSpectrum GmbHM4i.4420x8
Deionised Filtered WaterMilliQ
Acrylamide/Bis-acrylamide solutionSigma AldrichA9927
1 mol/L TRIS BufferSigma AldrichT2694
Ammonium PersulfateSigma AldrichA3678
Bovine serum albuminSigma AldrichA7906
TEMEDSigma AldrichT9281
3D printerCEL-UKRobox
3-axis positioning systemZolix
Digital MicroscopeDino-liteAM4113TL
Water TankMujiAcrylic Tank
Optical ComponentsThorlabs IncVarious
Optomechanical ComponentsThorlabs IncVarious
BNC CablesRS
Desktop PCCustom Made
Hotplate StirrerFisher
SBench6Spectrum GmbHMeetsoftware
```

Referenties

  1. Ter Haar, G. Ultrasound focal beam surgery. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).
  2. Kennedy, J. E. High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours. Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).
  3. Rodrigues, D. B., Stauffer, P. R., Vrba, D., Hurwitz, M. D. Focused ultrasound for treatment of bone tumours. International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 260-271 (2015).
  4. Wang, T. R., Dallapiazza, R., Elias, W. J. Neurological applications of transcranial high intensity focused ultrasound. International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 285-291 (2015).
  5. Ebbini, E. S., Ter Haar, G. Ultrasound-guided therapeutic focused ultrasound: current status and future directions. International Journal of Hyperthermia. 31 (2), 77-89 (2015).
  6. McLaughlan, J. R., Cowell, D. M., Freear, S. Gold nanoparticle nucleated cavitation for enhanced high intensity focused ultrasound therapy. Physics in Medicine & Biology. 63 (1), 015004(2017).
  7. Neppiras, E. A. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).
  8. Shaw, A., Martin, E., Haller, J., ter Haar, G. Equipment measurement and dose-a survey for therapeutic ultrasound. Journal of Therapeutic Ultrasound. 4 (1), 7(2016).
  9. Leighton, T. The Acoustic Bubble. , Academic Press. (2012).
  10. McLaughlan, J., Rivens, I., Leighton, T., Ter Haar, G. A study of bubble activity generated in ex vivo tissue by high intensity focused ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (8), 1327-1344 (2010).
  11. Holt, R. G., Roy, R. A. Measurements of bubble-enhanced heating from focused, MHz-frequency ultrasound in a tissue-mimicking material. Ultrasound in Medicine and Biology. 27 (10), 1399-1412 (2001).
  12. Meaney, P. M., Cahill, M. D., Haar, ter, R, G. The intensity dependence of lesion position shift during focused ultrasound surgery. Ultrasound in Medicine and Biology. 26 (3), 441-450 (2000).
  13. Blum, N. T., Yildirim, A., Chattaraj, R., Goodwin, A. P. Nanoparticles formed by acoustic destruction of microbubbles and their utilization for imaging and effects on therapy by high intensity focused ultrasound. Theranostics. 7 (3), 694-702 (2017).
  14. Zhao, L. Y., Zou, J. Z., Chen, Z. G., Liu, S., Jiao, J., Wu, F. Acoustic cavitation enhances focused ultrasound ablation with phase-shift inorganic perfluorohexane nanoemulsions: an in vitro study using a clinical device. BioMed Research International. 2016, 7936902(2016).
  15. Devarakonda, S. B., Myers, M. R., Lanier, M., Dumoulin, C., Banerjee, R. K. Assessment of gold nanoparticle-mediated-enhanced hyperthermia using mr-guided high-intensity focused ultrasound ablation procedure. Nano Letters. 17 (4), 2532-2538 (2017).
  16. Coussios, C., Farny, C. H., Ter Haar, G., Roy, R. A. Role of acoustic cavitation in the delivery and monitoring of cancer treatment by high-intensity focused ultrasound (HIFU). International Journal of Hyperthermia. 23 (2), 105-120 (2007).
  17. McNally, L. R., Mezera, M., Morgan, D. E., Frederick, P. J., Yang, E. S., Eltoum, I. E., Grizzle, W. E. Current and emerging clinical applications of multispectral optoacoustic tomography (MSOT) in oncology. Clinical Cancer Research. 22 (14), 3432-3439 (2016).
  18. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).
  19. Cui, H., Yang, X. In vivo imaging and treatment of solid tumor using integrated photoacoustic imaging and high intensity focused ultrasound system. Medical Physics. 37 (9), 4777-4781 (2010).
  20. Li, W., Chen, X. Gold nanoparticles for photoacoustic imaging. Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).
  21. Lukianova-Hleb, E. Y., Kim, Y. S., Belatsarkouski, I., Gillenwater, A. M., O'Neill, B. E., Lapotko, D. O. Intraoperative diagnostics and elimination of residual microtumours with plasmonic nanobubbles. Nature Nanotechnology. 11 (6), 525-532 (2016).
  22. ANSI. Z136. 1. American national standard for the safe use of lasers. , American National Standards Institute, Inc. New York. (2007).
  23. McLaughlan, J. R., Roy, R. A., Ju, H., Murray, T. W. Ultrasonic enhancement of photoacoustic emissions by nanoparticle-targeted cavitation. Optics Letters. 35 (13), 2127-2129 (2010).
  24. Choi, M. J., Guntur, S. R., Lee, K. I., Paeng, D. G., Coleman, A. A tissue mimicking polyacrylamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions generated by high intensity focused ultrasound. Ultrasound in Medicine and Biology. 39 (3), 439-448 (2013).
  25. Chen, W. S., Brayman, A. A., Matula, T. J., Crum, L. A. Inertial cavitation dose and hemolysis produced in vitro with or without Optison. Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (5), 725-737 (2003).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Cavitatienucleatielaserultrasoundweefselnabootsende phantomspassieve cavitatiedetectiethermische laesievormingbreedbandige akoestische emissiesnanodeeltjesfunctionaliseringverbetering van kankerbehandeling

Gerelateerde artikelen