Name: Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-05T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Poznaj kontrolowane zarodkowanie kawitacji w fantomach żelowych przy użyciu nanocząstek złota, lasera i ultradźwięków HIFU. Ta metoda wzmacnia efekty terapeutyczne w leczeniu nowotworów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została wsparta przez grant EPSRC EP/J021156/1. Autor chciałby podziękować za wsparcie ze strony stypendium Leverhulme na wczesnym etapie kariery (ECF-2013-247).

1. Produkcja fantomów naśladujących tkanki
UWAGA: Dogłębną analizę właściwości akustycznych optycznie przezroczystego fantomu naśladującego tkankę, użytego do wszystkich ekspozycji w tym badaniu, można znaleźć w Choi, et al.24
UWAGA: Każda forma fantomowa zawiera około 50 ml roztworu, a dla każdej partii wypełnianych jest łącznie pięć form. W ten sposób przygotowuje się w sumie 250 ml roztworu fantomowego.
<ol>
	<li>Dodać 148,2 ml (60% v/v) dejonizowanej, przefiltrowanej i odgazowanej wody do szklanej zlewki o pojemności 500 ml i pozostawić do zrównoważenia do temperatury pokojowej. Dodać 75 ml 40% (wagowo/objętościowo) roztworu akryloamidu/bis-akryloamidu (30% v/v) do szklanej zlewki, a następnie 25 ml 1 M buforu TRIS o pH 8 (10% v/v) i 2,15 ml 10% nadsiarczanu amonu (APS; 0,86% v/v).</li>
	<li>Umieścić szklaną zlewkę w komorze próżniowej umieszczonej na mieszadle magnetycznym i umieścić w niej mieszadło magnetyczne z politetrafluoroetylenu (PTFE) o długości 40 mm. Przy średniej prędkości mieszania (tj. zapewnić dobre wymieszanie bez tworzenia się wiru w wodzie), powoli dodawać 22,5 g (9% w/v) albuminy surowicy bydlęcej (BSA) w proszku.</li>
	<li>Po dodaniu całego BSA do roztworu zamknij komorę próżniową i włącz pompę próżniową. Utrzymuj próżnię na poziomie 80 mBar/H i kontynuuj mieszanie przez kolejne 60 minut, po czym zwolnij próżnię. W tym momencie roztwór powinien być klarowny z lekkim żółtym odcieniem.</li>
	<li>Powyższa metodologia jest taka sama dla fantomów wykonanych zarówno z nanocząstkami, jak i bez nich. Jeśli wymagane są nanocząstki, dodać 10 μl (stężenie 1x108 np/ml) nanoprętów o powierzchniowym rezonansie plazmonowym (SPR) przy 850 nm i średnicy 40 nm.</li>
	<li>Na koniec dodaj 125 μl tetrametyloetylenodiaminy (TEMED), aby katalizować polimeryzację fantomu. Odczekaj kolejne 5 minut, aby umożliwić wymieszanie, a następnie wlej roztwór fantomowy do 5 pojedynczych foremek i odczekaj 20 minut, aby stężały. Po ustawieniu wyjmij je z uchwytów i przechowuj w hermetycznym pojemniku do czasu użycia. Zużyte fantomy w ciągu 24 godzin od produkcji.</li>
</ol>
2. Kalibracja ciśnienia akustycznego w polu swobodnym przetworników HIFU
UWAGA: Ta sekcja protokołu nie jest konieczna przed każdym eksperymentem z uszkodzeniem/obrazowaniem. Jest to procedura kalibracji, którą należy wykonywać w regularnych odstępach czasu, aby zapewnić prawidłowe wyjście akustyczne systemu.
<ol>
	<li>Napełnij akrylowy zbiornik na wodę (280x141x132 mm) 4,5 l wody dejonizowanej i odgazowanej. Zamontuj przetwornik HIFU na stałym słupku pozycyjnym na jednym końcu zbiornika, skierowany do wewnątrz. Równolegle należy zamontować skalibrowany (wykonany przez National Physical Laboratories) hydrofon membranowy na trzyosiowym ręcznym stoliku mikrometrycznym w przybliżonym punkcie ogniskowym przetwornika HIFU (63 mm).</li>
	<li>Podłącz przetwornik HIFU (ostrość geometryczna 63 mm) do obwodu dopasowania impedancji, a następnie wzmacniacza mocy (jak pokazano na <silna klasa = "xfig" > Rysunek 1). Następnie podłącz hydrofon membranowy bezpośrednio do systemu akwizycji danych, upewniając się, że sygnał wyzwalający jest dostarczany z generatora funkcyjnego podłączonego do wzmacniacza mocy (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 1).</li>
	<li>Ustawić napięcie wyjściowe generatora funkcyjnego na 30 mV, z 10-cyklową falą sinusoidalną 3,3 MHz z częstotliwością powtarzania impulsów 100 Hz.</li>
	<li>Korzystając z oprogramowania pomiarowego (patrz tabela materiałów) w celu wizualizacji wykrytego sygnału akustycznego i stopnia mikrometrycznego, ustaw wykryty impuls akustyczny we właściwym czasie przelotu (42,5 μm). Używając tylko jednego kierunku promieniowego na raz na stoliku mikrometrycznym, zmaksymalizuj wykryty sygnał akustyczny. Po upewnieniu się, że zostało to osiągnięte, zamknij oprogramowanie i pozostaw hydrofon membranowy w jego aktualnej pozycji.</li>
	<li>Zmieniaj napięcie wyjściowe generatora funkcyjnego w zakresie od 20 do 400 mV w krokach co 20 mV. Na każdym poziomie napięcia i za pomocą oprogramowania do akwizycji MatLab rejestruj sygnały hydrofonu. Zdobądź 100 impulsów na każdym poziomie i przekonwertuj dane z napięcia w ciśnieniu, korzystając z dostarczonych danych kalibracyjnych. Uśrednij dane i zmierz zarówno szczytowe wartości dodatnie, jak i ujemne dla wszystkich poziomów napięcia wyjściowego. W ten sposób uzyskuje się dane kalibracyjne dla szczytowego podciśnienia w polu swobodnym, które można wykorzystać zarówno do badań fal impulsowych, jak i ciągłych.</li>
</ol>
3. Konfiguracja aparatury eksperymentalnej do badań fal pulsacyjnych i ciągłych
<ol>
	<li>Napełnij akrylowy zbiornik na wodę (280x141x132 mm) 4,5 l wody dejonizowanej i odgazowanej. Zamontuj przetwornik HIFU i współosiowy hydrofon szerokopasmowy na trzyosiowym ręcznym stoliku mikrometrycznym. Następnie całkowicie zanurz przetwornik i hydrofon w zbiorniku na wodę. Schemat tego jest pokazany w Rysunek 1.</li>
	<li>Podłącz przetwornik HIFU do obwodu dopasowania impedancji, aby umożliwić jego sterowanie przy trzeciej harmonicznej (3.3 MHz). Obwód ten jest podłączony bezpośrednio do wyjścia wzmacniacza mocy RF. Cyfrowy generator funkcyjny jest podłączony do wejścia wzmacniacza mocy i programowany zdalnie.</li>
	<li>Przed ekspozycją w materiale fantomowym należy użyć skalibrowanego hydrofonu membranowego różnicowego, aby zmierzyć szczytowe podciśnienie generowane przez ten system dla danego napięcia wejściowego w generatorze funkcyjnym, jak opisano w 2. Użyj tych wartości napięcia odniesienia, aby ustawić wymagany poziom ciśnienia w cyfrowym generatorze funkcyjnym.</li>
	<li>Hydrofon szerokopasmowy (ostrość geometryczna 63 mm), który znajduje się w centralnej aperturze przetwornika HIFU, należy podłączyć bezpośrednio do filtra górnoprzepustowego 5 MHz. Następnie podłącz go do 14-bitowej karty akwizycji danych (DAQ) za pośrednictwem przedwzmacniacza 40 dB. Upewnij się, że filtr górnoprzepustowy jest podłączony do prawidłowego odchylenia. 
	UWAGA: Ta karta została zainstalowana w komputerze stacjonarnym i służy do sterowania całym sprzętem (przykłady tego oprogramowania można znaleźć jako pliki dodatkowe) i zapisywania danych do przetwarzania w trybie off-line podczas tego badania.</li>
	<li>Podłącz cyfrowy generator impulsów opóźniających tranzystor-tranzystor (TTL) z Bayonet Neill-Concelman (BNC) zarówno do impulsowego systemu laserowego, jak i generatora funkcyjnego, aby zapewnić synchronizację między tymi systemami, co zapewni, że impuls laserowy 7 ns jest zbieżny w obszarze docelowym podczas czwartego piku rozrzedzenia z przetwornika HIFU.</li>
	<li>Stosując metodę opisaną w 1, należy pominąć BSA i nanocząstki, aby utworzyć fantom wyrównujący, który jest standardowym materiałem fantomowym, który zawiera sferyczną metalową tarczę o średnicy 1 mm (łożysko kulkowe). W tym celu należy wlać 25 ml materiału fantomowego do formy i dodać 62,5 μl katalizatora TEMED, a następnie odczekać około 20 minut do stężenia. Następnie umieść metalową tarczę centralnie w fantomie i dodaj kolejne 25 ml roztworu fantomowego, a następnie katalizator TEMED o objętości 62,5 μl i odczekać kolejne 20 minut.</li>
	<li>Umieść fantom wyrównujący w wydrukowanym w 3D uchwycie6, zamontuj na zautomatyzowanym stoliku 3D i ustaw w przybliżeniu tak, aby metalowy cel znajdował się na szczycie ogniskowym przetwornika HIFU.</li>
	<li>Używając przetwornika HIFU do wysyłania krótkotrwałego impulsu w 10 cyklach (3 μs) i hydrofonu do odbioru (podłączonego bezpośrednio do karty DAQ), pozycja względem celu wyrównania jest optymalizowana poprzez lokalizację echa impulsowego. Wykryty sygnał w czasie rzeczywistym zostanie wyświetlony na komputerze. Dostosuj czas lotu i amplitudę sygnału za pomocą ręcznego stolika mikrometrycznego, na którym zamontowany jest przetwornik HIFU i hydrofon. Gdy czas lotu zostanie ustawiony na 85 μs (pojedyncza podróż w obie strony), a amplituda sygnału zostanie zmaksymalizowana w obu kierunkach promieniowych, system ten zostanie wyrównany.</li>
	<li>Połącz energię optyczną z optycznego oscylatora parametrycznego (OPO) pompowaną przez laser impulsowy o długości nanosekund 532 nm do fantomu za pomocą wiązki włókien o średnicy 2 mm. Zamontuj to włókno na drugim stopniu mikrometrycznym i ustaw pod kątem 45° od osi akustycznej przed fantomem (<silna klasa="xfig">Rysunek 1). Długość fali światła laserowego jest ustawiona na 680 nm, aby była widoczna do wyrównania. Po wyświetleniu należy ustawić oświetlenie laserowe za pomocą stolika mikrometrycznego w taki sposób, aby cel wyrównujący znajdował się centralnie w plamce lasera o średnicy 15 mm.</li>
	<li>Umieść mikroskop cyfrowy 20-90x (odległość robocza 90 mm) i źródło białego światła po przeciwnych stronach zbiornika na wodę prostopadłe do płaszczyzny propagacji przetwornika HIFU. Mikroskop jest zamontowany na małym stoliku mikrometrycznym. Ustaw go tak, aby metalowe wyrównanie, do którego dąży się, znajdowało się centralnie i było ostre w swoim polu widzenia (5x6 mm). 
	UWAGA: Po zakończeniu powyższej procedury wszystkie elementy tego systemu (przetwornik HIFU, hydrofon, oświetlenie laserowe i mikroskop) są teraz ustawione w określonym miejscu. Fantom wyrównania można teraz zastąpić fantomami naśladującymi tkanki używanymi w badaniu. Ponieważ fantom jest zamontowany w uchwycie przymocowanym do systemu pozycjonowania 3D, można celować w różne obszary przy zachowaniu wyrównania.</li>
</ol>
4. Wykrywanie progu kawitacji za pomocą pulsacyjnych ekspozycji HIFU
UWAGA: Następująca procedura jest taka sama dla fantomów z nanocząstkami lub bez nich i powinna być powtórzona trzy razy.
<ol>
	<li>Upewnij się, że system PCD jest podłączony po odłączeniu w celu przeprowadzenia procedury wyrównania opisanej w ppkt 3.8 i dostosuj długość fali lasera do SPR nanocząstek. Korzystając z niestandardowego programu sterującego, ustaw generator funkcyjny tak, aby wytwarzał 10-cyklową (3 μs) serię HIFU, która jest zsynchronizowana z systemem laserowym. Użyj również tego programu, aby ustawić fluencję lasera na 0,4, 1,1, 2,1 lub 3,4 mJ/cm2, zmieniając czas między wyzwoleniem błysku lampy błyskowej a otwarciem przełącznika Q w systemie laserowym.</li>
	<li>Celuj w pik ogniskowy systemu HIFU na głębokość 10 mm w głąb fantomu i w 13 unikalnych miejscach, w odstępach 5 mm, w kierunku pionowym. W każdym z tych miejsc należy przeprowadzić ekspozycję przy pojedynczym szczytowym ujemnym ciśnieniu HIFU, z czterema fluencjami lasera określonymi w ppkt 4.2.</li>
	<li>Zakres szczytowych podciśnień należy stosować w następujących warunkach ekspozycji: laser włączony w fantomie wolnym od nanocząstek, wyłączony laser w fantomie nanocząstkowym, wyłączony laser w fantomie nanocząstek i włączony laser w fantomie nanocząstek. Aby zasymulować "pozorowaną" ekspozycję lasera, uruchom system zgodnie z opisem, ale wyłącz ręczną migawkę na wyjściu OPO. Takie podejście zapewni, że wszelkie generowane zakłócenia RF będą nadal obecne w systemie PCD.</li>
	<li>Zaprogramuj wszystkie ustawienia i pozycje ekspozycji w programie sterującym, a następnie wykonaj, aby wykonać te pomiary. Dane PCD są digitalizowane i przechowywane bezpośrednio za pomocą karty akwizycji danych do przetwarzania końcowego. Dla każdego parametru ekspozycji pobieranych jest 500 powtórzeń ekspozycji6.</li>
	<li>Przetwarzanie emisji szerokopasmowych wykrytych przez system PCD z krótkotrwałych ekspozycji na HIFU do fantomów przy użyciu techniki opisanej przez McLaughlana i wsp. (2017)6.</li>
</ol>
5. Denaturacja termiczna z ekspozycji na HIFU falami ciągłymi
UWAGA: Następująca procedura jest taka sama dla fantomów z nanocząstkami lub bez nich i została powtórzona trzy razy.
<ol>
	<li>Ustaw system laserowy tak, aby dawał fluencję 3,4 mJ/cm2, a generator funkcyjny tak, aby dawał ekspozycję CW (każda seria 330 000 cykli jest synchronizowana z impulsem laserowym). W 11 unikalnych miejscach fantomu wybierz szczytowe podciśnienie 0,20, 0,62, 0,91, 1,19, 1,43, 1,69, 1,92, 2,13, 2,34, 2,53 lub 2,71 MPa.</li>
	<li>Użyj całkowitego czasu ekspozycji wynoszącego 17 s, aby uzyskać 1 s linii bazowej przed i po 15 s ekspozycji CW HIFU w fantomie. W tym całkowitym czasie ekspozycji system akwizycji danych rejestruje dane PCD. Mikroskop jest podłączony do komputera sterującego, a klatki obrazu są rejestrowane w tym czasie, aby zapewnić bezpośrednią wizualizację powstawania zmian termicznych.</li>
	<li>Powtórzyć proces opisany w ppkt 4.3 dla wszystkich różnych warunków narażenia opisanych w ppkt 4.4.</li>
	<li>Przetwarzaj wszystkie dane PCD w trybie off-line, aby obliczyć dawkę kawitacji bezwładnościowej25 dla każdej ekspozycji.</li>
</ol>

<ol><li>Ter Haar, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound+focal+beam+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Ultrasound focal beam surgery.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).</li>
<li>Kennedy, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-intensity+focused+ultrasound+in+the+treatment+of+solid+tumours%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Cancer%22%5BJournal%5D)">High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours.</a> Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).</li>
<li>Rodrigues, D. B., Stauffer, P. R., Vrba, D., Hurwitz, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focused+ultrasound+for+treatment+of+bone+tumours%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hyperthermia%22%5BJournal%5D)">Focused ultrasound for treatment of bone tumours.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 260-271 (2015).</li>
<li>Wang, T. R., Dallapiazza, R., Elias, W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurological+applications+of+transcranial+high+intensity+focused+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hyperthermia%22%5BJournal%5D)">Neurological applications of transcranial high intensity focused ultrasound.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 285-291 (2015).</li>
<li>Ebbini, E. S., Ter Haar, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound-guided+therapeutic+focused+ultrasound%3A+current+status+and+future+directions%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hyperthermia%22%5BJournal%5D)">Ultrasound-guided therapeutic focused ultrasound: current status and future directions.</a> International Journal of Hyperthermia. 31 (2), 77-89 (2015).</li>
<li>McLaughlan, J. R., Cowell, D. M., Freear, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticle+nucleated+cavitation+for+enhanced+high+intensity+focused+ultrasound+therapy%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticle nucleated cavitation for enhanced high intensity focused ultrasound therapy.</a> Physics in Medicine & Biology. 63 (1), 015004(2017).</li>
<li>Neppiras, E. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0041624X8490057X">Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction.</a> Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).</li>
<li>Shaw, A., Martin, E., Haller, J., ter Haar, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Equipment+measurement+and+dose-a+survey+for+therapeutic+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Therapeutic+Ultrasound%22%5BJournal%5D)">Equipment measurement and dose-a survey for therapeutic ultrasound.</a> Journal of Therapeutic Ultrasound. 4 (1), 7(2016).</li>
<li>Leighton, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLeighton%2C+T+%22The+Acoustic+Bubble%22">The Acoustic Bubble</a>. , Academic Press. (2012).</li>
<li>McLaughlan, J., Rivens, I., Leighton, T., Ter Haar, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+of+bubble+activity+generated+in+ex+vivo+tissue+by+high+intensity+focused+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">A study of bubble activity generated in ex vivo tissue by high intensity focused ultrasound.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (8), 1327-1344 (2010).</li>
<li>Holt, R. G., Roy, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+bubble-enhanced+heating+from+focused%2C+MHz-frequency+ultrasound+in+a+tissue-mimicking+material%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Measurements of bubble-enhanced heating from focused, MHz-frequency ultrasound in a tissue-mimicking material.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 27 (10), 1399-1412 (2001).</li>
<li>Meaney, P. M., Cahill, M. D., Haar, ter, R, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+intensity+dependence+of+lesion+position+shift+during+focused+ultrasound+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">The intensity dependence of lesion position shift during focused ultrasound surgery.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 26 (3), 441-450 (2000).</li>
<li>Blum, N. T., Yildirim, A., Chattaraj, R., Goodwin, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticles+formed+by+acoustic+destruction+of+microbubbles+and+their+utilization+for+imaging+and+effects+on+therapy+by+high+intensity+focused+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Theranostics%22%5BJournal%5D)">Nanoparticles formed by acoustic destruction of microbubbles and their utilization for imaging and effects on therapy by high intensity focused ultrasound.</a> Theranostics. 7 (3), 694-702 (2017).</li>
<li>Zhao, L. Y., Zou, J. Z., Chen, Z. G., Liu, S., Jiao, J., Wu, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+cavitation+enhances+focused+ultrasound+ablation+with+phase-shift+inorganic+perfluorohexane+nanoemulsions%3A+an+in+vitro+study+using+a+clinical+device%5BTitle%5D)+AND+%22BioMed+Research+International%22%5BJournal%5D)">Acoustic cavitation enhances focused ultrasound ablation with phase-shift inorganic perfluorohexane nanoemulsions: an in vitro study using a clinical device.</a> BioMed Research International. 2016, 7936902(2016).</li>
<li>Devarakonda, S. B., Myers, M. R., Lanier, M., Dumoulin, C., Banerjee, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+gold+nanoparticle-mediated-enhanced+hyperthermia+using+mr-guided+high-intensity+focused+ultrasound+ablation+procedure%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Assessment of gold nanoparticle-mediated-enhanced hyperthermia using mr-guided high-intensity focused ultrasound ablation procedure.</a> Nano Letters. 17 (4), 2532-2538 (2017).</li>
<li>Coussios, C., Farny, C. H., Ter Haar, G., Roy, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+acoustic+cavitation+in+the+delivery+and+monitoring+of+cancer+treatment+by+high-intensity+focused+ultrasound+%28HIFU%29%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hyperthermia%22%5BJournal%5D)">Role of acoustic cavitation in the delivery and monitoring of cancer treatment by high-intensity focused ultrasound (HIFU).</a> International Journal of Hyperthermia. 23 (2), 105-120 (2007).</li>
<li>McNally, L. R., Mezera, M., Morgan, D. E., Frederick, P. J., Yang, E. S., Eltoum, I. E., Grizzle, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+and+emerging+clinical+applications+of+multispectral+optoacoustic+tomography+%28MSOT%29+in+oncology%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Cancer+Research%22%5BJournal%5D)">Current and emerging clinical applications of multispectral optoacoustic tomography (MSOT) in oncology.</a> Clinical Cancer Research. 22 (14), 3432-3439 (2016).</li>
<li>Wang, L. V., Hu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography%3A+in+vivo+imaging+from+organelles+to+organs%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs.</a> Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).</li>
<li>Cui, H., Yang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+imaging+and+treatment+of+solid+tumor+using+integrated+photoacoustic+imaging+and+high+intensity+focused+ultrasound+system%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">In vivo imaging and treatment of solid tumor using integrated photoacoustic imaging and high intensity focused ultrasound system.</a> Medical Physics. 37 (9), 4777-4781 (2010).</li>
<li>Li, W., Chen, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticles+for+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nanomedicine%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticles for photoacoustic imaging.</a> Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).</li>
<li>Lukianova-Hleb, E. Y., Kim, Y. S., Belatsarkouski, I., Gillenwater, A. M., O'Neill, B. E., Lapotko, D. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intraoperative+diagnostics+and+elimination+of+residual+microtumours+with+plasmonic+nanobubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Intraoperative diagnostics and elimination of residual microtumours with plasmonic nanobubbles.</a> Nature Nanotechnology. 11 (6), 525-532 (2016).</li>
<li>ANSI. Z136. 1. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22American+national+standard+for+the+safe+use+of+lasers%22">American national standard for the safe use of lasers</a>. , American National Standards Institute, Inc. New York. (2007).</li>
<li>McLaughlan, J. R., Roy, R. A., Ju, H., Murray, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+enhancement+of+photoacoustic+emissions+by+nanoparticle-targeted+cavitation%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic enhancement of photoacoustic emissions by nanoparticle-targeted cavitation.</a> Optics Letters. 35 (13), 2127-2129 (2010).</li>
<li>Choi, M. J., Guntur, S. R., Lee, K. I., Paeng, D. G., Coleman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+tissue+mimicking+polyacrylamide+hydrogel+phantom+for+visualizing+thermal+lesions+generated+by+high+intensity+focused+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">A tissue mimicking polyacrylamide hydrogel phantom for visualizing thermal lesions generated by high intensity focused ultrasound.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 39 (3), 439-448 (2013).</li>
<li>Chen, W. S., Brayman, A. A., Matula, T. J., Crum, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+cavitation+dose+and+hemolysis+produced+in+vitro+with+or+without+Optison%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Inertial cavitation dose and hemolysis produced in vitro with or without Optison.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 29 (5), 725-737 (2003).</li>
</ol>

Autor nie ma nic do zdradzienia.

Protokół ten jest podzielony na cztery oddzielne sekcje, opisujące wytwarzanie fantomu naśladującego tkanki, aż do ekspozycji na CW w nich w celu wytworzenia denaturacji generowanej termicznie. Ta denaturacja fantomów symuluje termicznie generowaną martwicę krzepnięcia, która występuje w tkankach miękkich narażonych na HIFU1. Przy ich produkcji ważne jest, aby stosunek APS i TEMED był taki, aby proces nie katalizował się zbyt szybko. Ponieważ proces ten jest egzotermiczny, im szybsze tempo, tym wyższa temperatura osiągnęła25 stopni, a tym samym mogła zdenaturować białka BSA przed ekspozycją. Stosunek APS do TEMED w tym protokole został ustawiony w taki sposób, że nie powinno to nastąpić, jednak formy można umieścić w lodowatej wodzie podczas polimeryzacji żelu, aby jeszcze bardziej zminimalizować tę możliwość.
Ponieważ protokół ten koncentruje się na zarodkowaniu kawitacji poprzez połączenie nanocząstek, oświetlenia laserowego i ekspozycji na HIFU, krytycznym krokiem w produkcji fantomów żelowych jest ich odgazowanie w próżni przez co najmniej 30 minut. Po wystawieniu na działanie HIFU (szczególnie ekspozycji na BST), nawet jeśli zmiana termiczna nie była obecna, ważne jest, aby celować w nowe miejsce w fantomach żelu, aby uniknąć wcześniej istniejących jąder. Podczas przesuwania fantomu za pomocą sterowanego komputerowo systemu translacji ważne jest, aby upewnić się, że głębokość ostrości HIFU (a tym samym wyrównany obszar) jest utrzymywana na stałym poziomie. Gwarantuje to, że poziomy ciśnienia HIFU i fluencji lasera są jednakowe dla każdego konkretnego parametru ekspozycji. W przypadku tego protokołu i po początkowym umieszczeniu uchwytu fantomu, jest on następnie przesuwany tylko w osi pionowej.
Wrażliwe na temperaturę żele naśladujące tkanki są szeroko stosowane przez społeczność badawczą HIFU25, ponieważ zapewniają wizualny mechanizm monitorowania powstawania zmian termicznych. Badanie to było pierwszym przykładem połączenia ich z nanocząstkami i zademonstrowania poprawy powstawania zmian chorobowych poprzez kontrolowaną aktywność kawitacyjną. Jednak, chociaż są klasyfikowane jako naśladujące tkanki ze względu na ich reakcję na temperaturę, zarówno ich tłumienie optyczne, jak i akustyczne nie jest. Ze względu na konieczność uwidocznienia powstawania zmian w żelach, fantomy są prawie przezroczyste, z lekkim żółtym odcieniem. Ponieważ fluencja lasera jest dostosowywana do tego, oznacza to, że światło lasera oświetlające obszar docelowy jest skolimowane, a nie dyfuzyjne, jak w przypadku normalnej tkanki. W związku z tym, aby umożliwić translację kliniczną, potrzebnych byłoby wiele źródeł oświetlenia, aby zapewnić wystarczającą płynność na powierzchni. Obecnie prace te są zgodne z wytycznymi22 dotyczącymi bezpiecznego stosowania laserów w przypadku kontaktu ze skórą. Ograniczyłoby to maksymalną fluencję lasera osiągalną na głębokości; W związku z tym technika ta początkowo byłaby odpowiednia do leczenia powierzchownych nowotworów, takich jak rak piersi lub głowy i szyi. Co więcej, nanocząstki plazmoniczne ukierunkowane na receptory powierzchniowe dla tego typu nowotworów mogą zapewnić zwiększoną selektywność w leczeniu. Jednak, mimo że jest to bardzo aktywny obszar badań, żadne takie cząstki nie są obecnie zatwierdzone do użytku klinicznego.
Zmierzono tłumienie akustyczne fantomów z nanocząstkami na poziomie 0,7±0,2 dB/cm6, a w porównaniu z wartością dla tkanek miękkich wynoszącą 3-4 dB/cm jest ono istotnie niższe. W związku z tym ogrzewanie spowodowane ekspozycją na HIFU w tych żelach byłoby niższe niż obserwowane w tkankach miękkich. Wykazano, że dodanie kulek szklanych do żelu zwiększa poziom tłumienia podobnie jak w przypadku tkanek miękkich25. Jednak w tym zastosowaniu takie podejście nie jest możliwe, ponieważ kulki te działałyby jako źródło zarodkowania dla aktywności kawitacyjnej nawet przy braku nanocząstek, a tym samym fałszywie przedstawiałyby próg kawitacji. Porównując efektywność grzewczą dla z wynikami badania przeprowadzonego przez Choi i wsp. (2013)25, zmiany termiczne powstawały w szczytowych zakresach ciśnienia 14 - 23 MPa (nie podano, czy było to szczytowe nadciśnienie czy ujemne ciśnienie). Ponieważ przeprowadzono to na częstotliwości 1,1 MHz, tłumienie fantomów było mniejsze niż w tym badaniu. Niemniej jednak podejście jądrkowane nanocząstkami w tym badaniu było w stanie wygenerować zmiany termiczne w tych fantomach przy ciśnieniach w zakresie od 1,19 do 3,19 MPa, wykazując w ten sposób zwiększoną wydajność w porównaniu z obecnymi metodologiami.
Przyszłe badania tej metodologii powinny być prowadzone w modelu in vivo , aby uwzględnić redukcję guza, perfuzję tkanek, ukierunkowanie molekularne nanocząstek i odpowiednie parametry tłumienia akustycznego.

Skoncentrowane ultradźwięki o wysokiej intensywności (HIFU), lub chirurgia skoncentrowanymi ultradźwiękami (FUS), to niejonizująca i nieinwazyjna technika, która jest używana do termicznej ablacji tkanki podskórnej1. Głównym zastosowaniem HIFU jest leczenie nowotworów tkanek miękkich2, ale zaczyna być używany do innych zastosowań, takich jak leczenie nowotworów kości3 lub schorzeń neurologicznych4. Istnieją dwa główne czynniki, które ograniczają powszechne stosowanie HIFU w klinice: po pierwsze, trudności w prowadzeniu leczenia, a po drugie, długi czas leczenia5. Połączenie HIFU, pulsacyjnego oświetlenia laserowego i plazmonicznych nanoprętów złota opisanych tą metodą może zapewnić sposób na przezwyciężenie obecnych ograniczeń dla HIFU6.
Podczas ekspozycji na HIFU, dominującym mechanizmem ablacji tkanek jest uszkodzenie termiczne. Jednak aktywność kawitacyjna może również odgrywać pewną rolę8. Aktywność kawitacyjna, która występuje podczas ekspozycji na HIFU, może składać się zarówno z kawitacji mechanicznej, jak i / lub termicznej. Kawitacja za pośrednictwem mechanicznym jest ogólnie określana jako kawitacja akustyczna7, która jest dalej podkategoryzowana jako pęcherzyki poddawane zachowaniu nieinercyjnemu lub inercyjnemu9. Kawitacja za pośrednictwem termicznym polega na tworzeniu się kieszeni gazowych, poprzez roztwór lub parowanie, i jest powszechnie określana jako "wrzenie"10. Wykazano, że aktywność kawitacyjna, najczęściej kawitacja bezwładnościowa, zwiększa szybkość nagrzewania termicznego osiągalną dzięki ekspozycjach HIFU11, a tym samym pomaga rozwiązać jedno z jego kluczowych ograniczeń. Jednak powstawanie i aktywność kawitacji podczas ekspozycji na HIFU może być nieprzewidywalna i prowadzić do negatywnych skutków, takich jak nadmiernie leczone regiony lub asymetryczna ablacja termiczna12. W celu kontrolowania aktywności kawitacyjnej podczas ekspozycji na HIFU badano wprowadzanie jąder zewnętrznych. Mogą one mieć postać mikropęcherzyków13, nanoemulsji przesunięcia fazowego14 lub nanocząstek plazmonicznych15. Wykazano, że zarówno mikropęcherzyki, jak i nanoemulsje poprawiają stosunek sygnału do szumu na potrzeby obrazowania i ulepszonej ablacji termicznej. Jednak ich przejściowy charakter oznacza, że mają ograniczoną funkcjonalność przy powtarzających się ekspozycjach na HIFU. Monitorowanie aktywności kawitacyjnej podczas ekspozycji na HIFU odbywa się za pomocą aktywnej lub pasywnej detekcji kawitacji (odpowiednio ACD lub PCD). PCD jest preferowaną techniką wykrywania kawitacji, ponieważ może być wykonywana jednocześnie z ekspozycjami HIFU i dostarcza informacji o zawartości spektralnej. Ta zawartość spektralna może być następnie dalej analizowana, aby pomóc w identyfikacji rodzaju występującej aktywności kawitacyjnej16. Wykorzystywane są szerokopasmowe emisje akustyczne, ponieważ są one unikalne dla obecności kawitacji bezwładnościowej10 i są związane ze zwiększonym ogrzewaniem HIFU11.
Obrazowanie fotoakustyczne (PAI) to nowa technika obrazowania klinicznego17, która łączy selektywność spektralną impulsowego wzbudzenia laserowego z wysoką rozdzielczością obrazowania ultradźwiękowego18. Wcześniej była używana do kierowania ekspozycjami HIFU19, ale ta technika obrazowania jest ograniczona przez głębokość penetracji światła laserowego. Nanocząstki plazmonicznego złota mogą być używane jako "środki kontrastowe" zwiększające miejscową absorpcję światła laserowego, a następnie amplitudę emisji fotoakustycznych20. Przy wystarczająco wysokich fluktuacjach lasera możliwe jest powstawanie mikroskopijnych pęcherzyków pary, które mogą być wykorzystane do wysoce zlokalizowanego obrazowania21. Jednak te poziomy ekspozycji zazwyczaj przekraczają maksymalny dopuszczalny limit ekspozycji dla stosowania światła laserowego u ludzi22, a zatem mają ograniczone zastosowanie. Metoda zastosowana w tym badaniu wykazała wcześniej, że poprzez jednoczesne wystawienie nanocząstek plazmonicznych zarówno na oświetlenie laserowe, jak i HIFU, fluencja lasera i ciśnienie akustyczne potrzebne do zarodkowania tych małych pęcherzyków pary są dramatycznie zmniejszone, a stosunek sygnału do szumu dla obrazowania jest zwiększony23. Opisano tutaj metodę łączenia nanocząstek plazmonicznych zarówno z ekspozycją na laser, jak i HIFU w celu uzyskania wysoce kontrolowanej techniki zarodkowania i aktywności pęcherzyków pary.

<table><tbody><tr><td>Jednoelementowy przetwornik HIFU</td><td>Sonic Concepts</td><td>H-102</td><td></td></tr><tr><td>55dB Wzmacniacz mocy</td><td>E& I</td><td>A300</td><td></td></tr><tr><td>Generator funkcyjny</td><td>Keysight Technologies</td><td>33250A</td><td></td></tr><tr><td>Hydrofon z membraną różnicową</td><td>Precision Acoustics Ltd</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Generator impulsów TTL</td><td>Quantum Composers</td><td>9524</td><td></td></tr><tr><td>Nd:YAG Laser impulsowy</td><td>Continuum</td><td>Surelite I-10</td><td></td></tr><tr><td>OPO Plus</td><td>Continuum</td><td>Surelite</td><td></td></tr><tr><td>Fibre Bundle</td><td>Thorlabs Inc</td><td>BF20LSMA01</td><td></td></tr><tr><td>Czujnik energii</td><td>Thorlabs Inc</td><td>ES145C</td><td></td></tr><tr><td>Nanopręty</td><td>Nanopartz</td><td>A12-40-850</td><td></td></tr><tr><td>Detektor szerokopasmowy</td><td>Sonic Concepts</td><td>Y-102</td><td></td></tr><tr><td>Filtr górnoprzepustowy 5 MHz</td><td>Allen Avionics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>40dB przedwzmacniacz</td><td>Spectrum GmbH</td><td>SPA.1411</td><td></td></tr><tr><td>14-bitowa karta akwizycji danych</td><td>Spectrum GmbH</td><td>M4i.4420x8</td><td></td></tr><tr><td>Dejonizowana filtrowana woda</td><td>MilliQ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Roztwór akrylamidu/bis-akrylamidu</td><td>Sigma</td><td>Aldrich A9927</td><td></td></tr><tr><td>1 mol/L Bufor TRIS</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T2694</td><td></td></tr><tr><td>Nadsiarczan amonu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A3678</td><td></td></tr><tr><td>Surowica bydlęca albumina</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A7906</td><td></td></tr><tr><td>TEMED</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T9281</td><td></td></tr><tr><td>Drukarka 3D</td><td>CEL-UK CEL-UK</td><td>Robox</td><td></td></tr><tr><td>3-osiowy system pozycjonowania</td><td>Mikroskop cyfrowy Zolix</td><td></td><td></td></tr> Zbiornik na wodę <tr><td></td><td>Dino-lite</td><td>AM4113TL</td><td></td></tr><tr><td>Zbiornik</td><td></td><td>akrylowy</td><td>Muji</td></tr><tr><td>Elementy</td> <td>optyczneThorlabs Inc</td><td>Różne</td><td></td></tr><tr><td>komponenty optomechaniczne</td><td>Thorlabs Inc</td><td>Różne</td><td></td></tr><tr><td>BNC</td><td>RS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Desktop PC</td><td>Niestandardowe</td><td></td><td></td></tr><tr><td>mieszadło z płytą grzejną</td><td>Fisher</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SBench6</td><td>Spectrum GmbH</td><td></td><td>Oprogramowanie pomiarowe</td></tr></tbody></table>

kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności

Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications

W tym badaniu, plazmoniczne nanocząstki złota były jednocześnie wystawione na działanie pulsacyjnego światła laserowego bliskiej podczerwieni i skoncentrowanych ultradźwięków o wysokiej intensywności (HIFU) w celu kontrolowanego zarodkowania kawitacji w fantomach żelowych naśladujących tkanki. Ten protokół in vitro został opracowany w celu zademonstrowania wykonalności tego podejścia, zarówno w celu poprawy obrazowania, jak i zastosowań terapeutycznych w przypadku raka. Ten sam aparat może być używany zarówno do obrazowania, jak i do zastosowań terapeutycznych, zmieniając czas ekspozycji systemu HIFU. W przypadku krótkotrwałych ekspozycji (10 μs) szerokopasmowe emisje akustyczne zostały wygenerowane poprzez kontrolowane zarodkowanie kawitacji bezwładnościowej wokół nanocząstek złota. Emisje te zapewniają bezpośrednią lokalizację nanocząstek. W przyszłych zastosowaniach cząstki te mogą być funkcjonalizowane przeciwciałami ukierunkowanymi molekularnie (np. anty-HER2 na raka piersi) i mogą zapewnić precyzyjną lokalizację regionów nowotworowych, uzupełniając rutynowe diagnostyczne obrazowanie ultrasonograficzne. W przypadku ekspozycji na fale ciągłe (CW) aktywność kawitacyjna została wykorzystana do zwiększenia miejscowego ogrzewania z ekspozycji na HIFU, co spowodowało większe uszkodzenia termiczne fantomów żelu. Emisje akustyczne generowane przez kawitację inercyjną podczas tych ekspozycji na CW były monitorowane za pomocą systemu pasywnej detekcji kawitacji (PCD) w celu uzyskania informacji zwrotnej o aktywności kawitacji. Zwiększone miejscowe ogrzewanie osiągnięto tylko dzięki unikalnemu połączeniu nanocząstek, światła laserowego i HIFU. Konieczna jest dalsza walidacja tej techniki w przedklinicznych modelach raka.

Wykrywanie kawitacji podczas impulsowej ekspozycji na HIFU
System pasywnej detekcji kawitacji zarejestrował dane napięcie/czas dla zakresu ekspozycji na HIFU i laser w obu fantomach, z nanocząsteczkami oraz bez nich. Rysunek 2 przedstawia reprezentatywne wyniki dla zakresu ekspozycji. Skale czasowe na tych wykresach zostały przycięte, aby wyróżnić obszary, w których spodziewano się szerokopasmowych emisji akustycznych, ze względu na czas przelotu tych emisji. Rysunek 2 wykazuje, że szerokopasmowe emisje są wykrywane tylko przy jednoczesnym zastosowaniu nanocząsteczek, ekspozycji na HIFU i naświetlania laserem. Jest to jednak zjawisko progowe, ponieważ przy niższym ciśnieniu akustycznym w przypadku Rysunku 2h nie wykryto emisji szerokopasmowych. Czas trwania tych emisji zazwyczaj odpowiada długości ekspozycji na HIFU, która w niniejszym badaniu wynosiła około 10 µs.
Denaturacja termiczna wywołana ekspozycją na CW HIFU
Rysunek 3 przedstawia serię klatek zarejestrowanych przez kamerę USB podczas pojedynczej ekspozycji HIFU z naświetlaniem laserowym dla trzech różnych typów ekspozycji (z naświetlaniem laserowym i/lub nanocząstkami lub bez nich). Na rysunku pokazano przykład powstawania zmian termicznych w fantomach żelowych dla każdego z tych warunków. W tym widoku ekspozycja HIFU odbywa się od lewej do prawej strony. Dla przykładu przedstawionego na Rysunku 3 szczytowe ciśnienie ujemne wynosiło 2,53 MPa, co stanowiło górną granicę wartości stosowanych w niniejszym badaniu.
Rejestracja dawki kawitacji inercyjnej (ICD) podczas ekspozycji na ciągłe HIFU
Rysunek 4 przedstawia reprezentatywne wyniki obliczeń ICD zarejestrowanych podczas ekspozycji na CW HIFU. Dane te zostały przetworzone z emisji zarejestrowanych przez system PCD podczas naświetlania. Rysunki 4a, 4c, oraz 4e pokazują, że przy niższym szczytowym ciśnieniu ujemnym nie wykryto emisji szerokopasmowych, podczas gdy rysunki 4b, d, oraz f wskazują, że ICD było rejestrowane przez cały czas trwania ekspozycji. Najwyższe sygnały ICD zaobserwowano podczas ekspozycji w żelu zawierającym nanocząstki przy jednoczesnym zastosowaniu HIFU i lasera (rysunek 4f).
<img alt="Schemat wzbudzenia optycznego z laserem, OPO, przetwornikiem HIFU oraz układem spektroskopowym do pomiaru absorpcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Schematyczna reprezentacja aparatury eksperymentalnej użytej w niniejszym badaniu. Dla przejrzystości pominięto mikroskop USB oraz źródło światła, natomiast obszar widzenia zaznaczono niebieską przerywaną ramką. CNC – sterowanie numeryczne komputerowe, AuNR – złote nanopręty. Rysunek zaadaptowany z McLaughlan et al. (2017)6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres napięcia detektora w funkcji czasu; eksperyment HIFU; analiza sygnału; wykresy przedstawiają porównanie danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Przykład przebiegów napięcia zarejestrowanych za pomocą systemu pasywnej detekcji kawitacji podczas krótkich ekspozycji na HIFU, z jednoczesnym naświetlaniem laserem lub bez niego. W przypadku zastosowania lasera, gęstość energii promieniowania wynosiła 2.1 mJ/cm2 przy szczytowym ciśnieniu ujemnym wynoszącym (a-c) 3.0, (d-f) 2.13 oraz (g-i) 1.43 MPa. LS – laser, NR – nanocząstki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig2large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Eksperyment chromatografii poklatkowej, proces elucji białek, obrazy w 0, 5, 10, 15 sekundach." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Pojedyncze klatki w czasach 0, 5, 10 i 15 s podczas ekspozycji na HIFU zarejestrowane za pomocą mikroskopu USB. Fluencja lasera wynosiła 3,4 mJ/cm2, a szczytowe ciśnienie ujemne 2,53 MPa. Sekwencja (a) przedstawia ekspozycję laserową w fantomie bez nanocząsteczek, (b) brak ekspozycji laserowej w fantomie zawierającym nanocząsteczki, a (c) obejmuje zarówno naświetlanie laserowe, jak i fantom zawierający nanocząsteczki. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykresy dawki kawitacji inercyjnej, różne MPa/mJ, czas vs dB, analiza kawitacji, wyniki eksperymentalne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58045/58045fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Obliczona dawka kawitacji inercyjnej (ICD) zarejestrowana podczas ekspozycji (a, b, e i f) z oraz (c i d) bez naświetlania laserowego. Szczytowe ciśnienie ujemne wynosiło odpowiednio (a, c i e) 0,91 lub (b, d i f) 2,53 MPa. Fantom użyty w (a i b) nie zawierał żadnych nanocząstek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58045/58045fig4large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Ten protokół demonstruje kontrolowane zarodkowanie kawitacji w fantomach żelowych, poprzez jednoczesną ekspozycję zarówno na pulsacyjne światło laserowe bliskiej podczerwieni, jak i skoncentrowane ultradźwięki o wysokiej intensywności (HIFU). Aktywność kawitacyjna może być następnie wykorzystana do poprawy obrazowania i/lub zastosowań terapeutycznych HIFU.

Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności

In this study, plasmonic gold nanoparticles were simultaneously exposed to pulsed near-infrared laser light and high intensity focused ultrasound (HIFU) ...

Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w polu ultradźwięków o wysokiej intensywności, takie jak to, czy można wykorzystać laserową kawitację jądrkową ultradźwięków do prowadzenia, a także do poprawy leczenia raka HIFU. Główną zaletą tej techniki jest to, że dzięki połączeniu nanocząstek, HIFU i oświetlenia laserowego, może ona samodzielnie przezwyciężyć ograniczenia każdej z tych modalności. Wyprodukuj fantomy, aby zademonstrować metodę zarodkowania.Zacznij od zdejonizowanej, odgazowanej wody o temperaturze pokojowej w szklanej zlewce. Ponadto przygotować 40% wagowo roztwór akryloamidu/bis-akryloamidu. Dodaj roztwór do wody, a następnie bufor i nadsiarczan amonu.Umieść zlewkę w komorze próżniowej umieszczonej na mieszadle magnetycznym. Dodaj do zlewki mieszadło magnetyczne z PTFE o długości 40 milimetrów i mieszaj ze średnią prędkością. Powoli dodawać albuminę surowicy bydlęcej w proszku.Po zakończeniu zamknij komorę próżniową i uruchom pompę próżniową. Utrzymuj próżnię docelową i kontynuuj mieszanie przez 60 minut. Następnie zwolnij próżnię i kontynuuj pracę z roztworem.Dodaj nanocząstki do fantomów, które ich wymagają. W przypadku wszystkich fantomów dodaj katalizator. Po pięciu minutach mieszania wlej roztwór do poszczególnych foremek i odczekaj 20 minut.Jest to przykład fantomu, który jest ustawiany i wyjmowany z formy. Jest gotowy do użycia w eksperymencie. Po ustawieniu fantomów przechowuj wyjęte z formy fantomy w hermetycznym pojemniku.Aby utworzyć fantom wyrównujący, należy rozpocząć od rozwiązania fantomowego. Umieść zlewkę i mieszadło w komorze próżniowej na mieszadle magnetycznym. Rozpocznij mieszanie ze średnią prędkością i przepompuj komorę do docelowej próżni.Po pobraniu roztworu wlej 25 mililitrów do formy i dodaj katalizator. Odczekaj 20 minut przed umieszczeniem jednomilimetrowego kulistego metalowego celu w środku fantomu. Następnie wlej kolejne 25 mililitrów roztworu fantomowego do formy.Dodaj katalizator i odczekaj kolejne 20 minut. Po ustawieniu fantom wyrównujący jest gotowy do użycia lub przechowywania w hermetycznym pojemniku. Przygotuj konfigurację do eksperymentu.W tym celu należy zaopatrzyć się w akrylowy zbiornik na wodę o pojemności 4,5 litra zdejonizowanej, odgazowanej wody. Na jednym końcu zbiornika umieść tłumik akustyczny. Następnie zwróć uwagę na przetwornik ultradźwiękowy o wysokiej intensywności.Zamontuj go i jego współosiowy hydrofon szerokopasmowy na trójosiowym stoliku mikrometrycznym. Całkowicie zanurz przetwornik i hydrofon w zbiorniku, aby były skierowane w stronę absorbera. Podłącz przetwornik do obwodu dopasowania impedancji, który pozwoli na sterowanie trzecią harmoniczną.Obwód ten jest podłączony bezpośrednio do wyjścia wzmacniacza mocy RF, który ma cyfrowy generator funkcyjny jako wejście. Generator funkcyjny jest programowany zdalnie. Po kalibracji uzyskaj fantom wyrównywania, aby kontynuować konfigurację.Fantom powinien znajdować się w uchwycie wydrukowanym w 3D i być zamontowany na zautomatyzowanym stoliku 3D. Ustaw fantom tak, aby cel magnetyczny znajdował się w przybliżonym piku ogniskowym przetwornika. Teraz podłącz hydrofon bezpośrednio do karty akwizycji danych.Użyj przetwornika i hydrofonu, aby echolokować impulsowo cel wyrównania. Wyślij trzymikrosekundową, 10-cyklową serię i wyświetl wykryty sygnał w czasie rzeczywistym na komputerze. Dostosuj stopień mikrometryczny przetwornika, aby zmienić czas lotu i amplitudę sygnału.System jest wyrównywany, gdy czas lotu wynosi 85 mikrosekund, a amplituda sygnału jest maksymalizowana. Następnie podłącz hydrofon szerokopasmowy bezpośrednio do pięciomegahercowego filtra górnoprzepustowego. Wyślij sygnał przez przedwzmacniacz o natężeniu 40 decybeli, a następnie na kartę akwizycji danych.Teraz skonfiguruj oświetlenie laserowe dla próbki. Zsynchronizuj laser impulsowy o długości fali 532 nm z generatorem funkcyjnym za pomocą cyfrowego generatora impulsów opóźniających TTL. Użyj lasera do pompowania optycznego oscylatora parametrycznego.Połącz jego wyjście w fantomie z dwumilimetrową wiązką światłowodów. W zbiorniku zamontuj to włókno na stoliku mikrometrycznym. Umieść światłowód przed fantomem pod kątem 45 stopni od osi akustycznej.Do wyrównania użyj światła widzialnego. Ustaw wiązkę tak, aby cel wyrównania znajdował się w środku 15-milimetrowej plamki laserowej. Na koniec umieść mikroskop cyfrowy i źródło białego światła po przeciwnych stronach zbiornika na wodę.Zamontuj mikroskop na stoliku mikrometrycznym. Ustaw go tak, aby cel wyrównania był ostry w jego polu view. Upewnij się, że na miejscu znajduje się właściwy fantom.W takim przypadku odpowiedni fantom tkankowy zastępuje fantom wyrównujący. Dostosuj długość fali lasera do rezonansu plazmonowego powierzchni nanocząstki. W komputerze sterującym ustaw przetwornik tak, aby wytwarzał 10-cyklową serię i ustawiał fluencję lasera.Celuj w ogniskowy szczyt skoncentrowanego impulsu ultradźwiękowego o wysokiej intensywności na głębokość 10 milimetrów i w 13 unikalnych miejscach w kierunku pionowym w odstępach pięciu milimetrów. Upewnij się, że fantom tkanki jest na swoim miejscu w zbiorniku. Następnie za pomocą oprogramowania ustaw parametry fluencji i ekspozycji na falę ciągłą.Użyj mikroskopu, aby zarejestrować powstawanie zmian termicznych, ponieważ skoncentrowane ultradźwięki o wysokim natężeniu z wybranym szczytowym podciśnieniem są kierowane w jedno miejsce. Dane te to napięcie detektora w funkcji czasu dla krótkiej, skoncentrowanej ekspozycji na ultradźwięki o wysokiej intensywności dla różnych fantomów w różnych warunkach. W tych zestawach danych fantomy były również wystawione na działanie oświetlenia laserowego.Jednak jeden fantom nie miał nanoprętów, a jeden fantom miał. W tych zestawach danych oba fantomy miały nanopręty, ale jeden był wystawiony na działanie światła laserowego, a drugi nie. Pokazuje to, że emisje szerokopasmowe są wykrywane tylko wtedy, gdy obecne są nanocząstki, ekspozycja na ultradźwięki i oświetlenie laserowe.Ten film mikroskopowy przedstawia przykład powstawania zmian termicznych i kawitacyjnych w fantomie żelowym z nanoprętami wystawionymi na działanie zogniskowanych ultradźwięków o wysokiej intensywności i oświetlenia laserowego. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o noszeniu odpowiedniego sprzętu ochrony osobistej podczas obchodzenia się z chemikaliami i upewnieniu się, że podczas korzystania z lasera stosowana jest odpowiednia ochrona oczu. Po opracowaniu, technika ta może utorować drogę naukowcom zajmującym się terapią ultradźwiękową o wysokiej intensywności do zbadania możliwości wykorzystania nanocząstek ukierunkowanych molekularnie do poprawy leczenia raka poprzez ukierunkowane i szybkie ablacje termiczne.

controllable-nucleation-cavitation-from-plasmonic-gold-nanoparticles

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykazano, że pęsety plazmoniczne oraz nanostruktury kryształów fotonicznych zapewniają istotną poprawę wydajności i kontroli orientacji w optycznym chwytaniu mikro- i nanocząstek.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

Nanoemulsje przesunięcia fazowego (PSNE) mogą być waporyzowane przy użyciu wysokointensywnego skupionego ultradźwięku w celu wzmocnienia lokalnego ogrzewania i poprawy ablacji termicznej w guzach. W niniejszym raporcie opisano przygotowanie stabilnych PSNE o wąskim rozkładzie wielkości. Ponadto zademonstrowano wpływ waporyzowanych PSNE na ablację indukowaną ultradźwiękami w fantomach imitujących tkankę.

Synteza nanoemulsji przesunięcia fazowego o wąskim rozkładzie wielkości do akustycznej waporyzacji kropli i ablacji wspomaganej ultradźwiękami z wykorzystaniem pęcherzyków

Kawitacja akustyczna w cieczach poddanych działaniu ultradźwięków tworzy przejściowe ekstremalne warunki wewnątrz zapadających się pęcherzyków, które są źródłem niezwykłej reaktywności chemicznej i emisji światła, znanej jako sonoluminescencja. W obecności gazów szlachetnych powstaje plazma nierównowagowa. "Gorące" cząstki i fotony generowane przez zapadające się pęcherzyki są w stanie wzbudzić gatunki w roztworze.

Aktywacja cząsteczek, jonów i cząstek stałych za pomocą kawitacji akustycznej

Opisujemy syntezę i właściwości wielofunkcyjnych nanocząstek Fe2O3-Au wytwarzanych metodą mokrej chemii i badamy ich właściwości fototermiczne za pomocą promieniowania laserowego. Kompozytowe nanocząstkiFe2O3-Au zachowują właściwości obu materiałów, tworząc wielofunkcyjną strukturę o doskonałych właściwościach magnetycznych i plazmonicznych.

Wielofunkcyjne hybrydowe nanocząstki Fe2O3-Au do wydajnego ogrzewania plazmonicznego

Ten protokół opisuje prostą metodę przygotowania zintegrowanych z nanocząstkami złota liposomów reagujących na światło z dostępnymi na rynku materiałami. Pokazuje również, jak zmierzyć proces kawitacji mikropęcherzyków zsyntetyzowanych liposomów po leczeniu laserem impulsowym.

Synteza zintegrowanych z nanocząstkami złota liposomów reagujących na światło i pomiar ich kawitacji mikropęcherzyków po wzbudzeniu laserem impulsowym

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Pokazujemy wytwarzanie okresowych matryc nanokubków złotych za pomocą technik litograficznych koloidalnych i omawiamy znaczenie warstw nanoplazmonowych.

Wytwarzanie okresowych matryc złotych nanokubków przy użyciu litografii koloidalnej

Ten protokół szczegółowo opisuje nowatorską technikę nano-produkcji, która może być wykorzystana do tworzenia kontrolowanych i konfigurowalnych folii nanocząsteczkowych na dużych obszarach, w oparciu o samoorganizację odwilżania zasklepionych folii metalowych.

Nanowytwarzanie nanocząstek złota na dużej powierzchni w oparciu o podłoże poprzez odwilżanie

Bariera krew-mózg (BBB) może być tymczasowo przerwana za pomocą skoncentrowanych ultradźwięków za pośrednictwem mikropęcherzyków (FUS). W tym miejscu opisujemy krok po kroku protokół wysokoprzepustowego otwierania BBB in vivo przy użyciu modułowego systemu FUS dostępnego dla ekspertów niebędących ekspertami w dziedzinie ultrasonografii.

Wysokoprzepustowy, sterowany obrazem stereotaktyczny neuronawigacja i skoncentrowany system ultrasonograficzny do otwierania bariery krew-mózg u gryzoni

Prezentowany protokół eksperymentalny może być wykorzystany do wykonywania pomiarów aktywności kawitacyjnej w czasie rzeczywistym w urządzeniu do hodowli komórkowej w celu umożliwienia zbadania warunków wymaganych do skutecznego dostarczania leku i/lub innych efektów biologicznych.

Studiowanie terapii wzmocnionej kawitacją

Ten protokół opisuje wytwarzanie mikropęcherzyków lipidowych i kompatybilną metodę radioznakowania mikropęcherzyków w jednym garnku z nieoczyszczającą &gt;95% skutecznością znakowania, która zachowuje właściwości fizykochemiczne mikropęcherzyków. Metoda ta jest skuteczna w przypadku różnych preparatów mikropęcherzyków lipidowych i może być dostosowana do generowania mikropęcherzyków radioaktywnych i/lub fluorescencyjnych.

Wytwarzanie i znakowanie mikropęcherzyków za pomocą znaczników fluorescencyjnych i radioaktywnych

Poznaj kontrolowane zarodkowanie kawitacji w fantomach żelowych przy użyciu nanocząstek złota, lasera i ultradźwięków HIFU. Ta metoda wzmacnia efekty terapeutyczne w leczeniu nowotworów.

Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności (Wideo) | JoVE Journal

Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności

Przeglądaj więcej filmów