Summary
يمكن تبخيرها مرحلة التحول nanoemulsions (PSNE) باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة التي تركز على تعزيز وتحسين التدفئة المترجمة التذرية الحرارية في الأورام. في هذا التقرير، وصفت إعداد PSNE مستقرة مع توزيع حجم الضيق. علاوة على ذلك، أظهرت تأثير الموجات فوق الصوتية على تبخيرها PSNE بوساطة الاجتثاث في الأنسجة محاكاة الأشباح.
Abstract
ويستخدم الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة تركز (HIFU) سريريا ليجتذ حراريا الأورام. لتعزيز وتحسين التدفئة المترجمة التذرية الحرارية في الأورام، وقد وضعت قطرات الدهون المشبعة المغلفة التي يمكن تبخيرها عن طريق HIFU. الأوعية الدموية في الأورام كثير من راشح بشكل غير طبيعي بسبب نموها السريع، والجسيمات النانوية هي قادرة على اختراق fenestrations وتتراكم بشكل سلبي داخل الأورام. وهكذا، يمكن التحكم في حجم قطرات يؤدي إلى تراكم أفضل داخل الأورام. في هذا التقرير، وصفت إعداد قطرات مستقرة في مرحلة التحول nanoemulsion (PSNE) مع توزيع حجم الضيق. فقد تم تصنيع PSNE من sonicating حل الدهون في وجود المشبعة سائلة. تم الحصول على توزيع حجم الضيق من البثق العصر PSNE متعددة باستخدام مرشحات ذات أحجام المسام من 100 أو 200 نانومتر. وقد تم قياس توزيع حجم على مدى فترة لمدة 7 أيام باستخدام ديناميكية تشتت الضوء. Polyacوأعدت الهلاميات المائية التي تحتوي على rylamide PSNE لفي تجارب المختبر. تم تبخيرها قطرات PSNE في الهلاميات المائية مع الموجات فوق الصوتية والفقاعات الناتجة تعزيز التدفئة المترجمة. تبخيرها PSNE تمكن التدفئة أسرع ويقلل أيضا من شدة الموجات فوق الصوتية الحرارية اللازمة لالاجتثاث. وبالتالي، من المتوقع لتعزيز PSNE التذرية الحرارية في الأورام، وتحسين النتائج العلاجية من المحتمل HIFU بوساطة العلاجات الحرارية التذرية.
Protocol
1. إعداد المرحلة تحول Nanoemulsion (PSNE)
- حل 11 ملغ و 1.68 ملغ DPPC DSPE-PEG2000 في الكلوروفورم
- تتبخر في المذيبات العضوية لتشكيل الفيلم الدهون الجافة في قارورة زجاجية مستديرة القاع
- Dessicate الفيلم الدهون بين عشية وضحاها
- ترطيب الفيلم الدهون مع 5.5 مل من الفوسفات مخزنة المالحة (PBS)
- حل الحرارة في حمام الماء ° 45 مئوية حتى يذوب الدهن الفيلم، vortexing دوري
- نقل الدهون إلى حل قنينة مل 7
- يصوتن حل الدهون لمدة 2 دقيقة في السعة 20٪
- تقسيم الحل إلى قسمين قارورة من 2.5 مل لكل (0.5 مل تجاهل المتبقية)
- إضافة 2.5 مل PBS إلى كل قنينة
- وضع كل فيال في حمام 0 ° C الجليد المياه
- إضافة 50 ميكرولتر لكل DDFP فيال
- يصوتن كل فيال في الحمام الجليد المياه باستخدام الإعدادات التالية: 25٪ السعة، وضع نابض (10 ثوانى تشغيل، إيقاف ثانية 50)، إجمالي 60 ثانية في الوقت المحدد
- TRansfer حلول PSNE قارورة التلألؤ إلى 20 مل
- إضافة 5 مل PBS إلى كل قارورة، مما أدى إلى حجم 10 مل النهائي
- تجميع الاتجاهات التالية الطارد المقدمة من قبل الشركة المصنعة
- شطف كل جزء مع الماء منزوع الأيونات
- ضع القرص دعم الفولاذ المقاوم للصدأ في وسط قاعدة الدعم تصفية
- وضع شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ على رأس القرص الصلب غير القابل للصدأ دعم
- باستخدام الملقط، ضع قرص هجرة الطارد غشاء (لامعة حتى الجانب) على شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ
- باستخدام الملقط، ضع فلتر الطارد (لامعة حتى الجانب) على استنزاف غشاء القرص
- وضع بعناية صغيرة O-الطوق على تصفية ووضع thermobarrel وأعلى الطارد فوق قاعدة الدعم
- تشديد جزئيا كل الجناح الجوز أولا، ثم تشديد تماما المكسرات الجناح باليد بطريقة متناوبة
- توصيل الطارد للخط الغاز النيتروجين
- الى رئيس الوزراء، والطارد ماصة 10 مل ماء منزوع الأيونات في منفذ الأعلى نموذج، وكأب الافتتاح، وتشديد صمام تنفيس
- فتح ببطء خط غاز النيتروجين لزيادة الضغط، مما اضطر العينة من خلال الأغشية، وجمع عينة من أنابيب مخرج
- بعد الاستخدام، تفكيك بترتيب عكسي، شطف بالماء أجزاء الطارد منزوع الأيونات، وتجاهل غشاء غشاء القرص واستنزاف
- لقطرات 100 نانومتر فقط، شرط مسبق PSNE من 10 مرات من خلال البثق 200 نانومتر تصفية
- قذف PSNE 16 مرة من خلال 100 نانومتر أو 200 نانومتر مرشح للحصول على توزيع حجم الضيق
2. إعداد هيدروجيل بولي أكريلاميد يحتوي على PSNE
- إعداد 24٪ من تمييع الحل BSA 1.2 غرام مسحوق BSA في الماء منزوع الأيونات 5 مل
- إعداد 10٪ من الحل APS المخفف 0،1 ز مسحوق APS في توفير المياه 1 مل منزوع الأيوناتص
- في الترتيب التالي، مزيج 2،1 مل حل مادة الأكريلاميد، 1.2 مل تريس العازلة، 0.1 مل APS 10٪، 4.5 مل BSA حل 24٪، و 3.6 مل من الماء منزوع الأيونات في غرفة البلاستيك
- الحرارة إلى 40 ° C ومكان تحت التفريغ لمدة 1 ساعة
- إضافة 480 ميكرولتر من PSNE ومزيج دقيق من قبل بلطف يحوم غرفة البلاستيك.
- إضافة 12 ميكرولتر TEMED ووضع في غرفة حمام مائي 12 ° C لمدة 2 ساعة
3. ممثل النتائج
ويرد التخطيطي للإعداد للتجارب الموجات فوق الصوتية مع أشباح هيدروجيل محاكاة الأنسجة في الشكل 1. هذا البروتوكول يؤدي إلى قطرات الدهون المشبعة المغلفة مع توزيع حجم الضيقة التي هي مستقرة في حل لمدة أسبوع على الأقل. يظهر توزيع حجم قياس مع تشتت الضوء الحيوي (90Plus محلل حجم الجسيمات، الآلات بروكهافن، هولتسفيل، NY) في الشكل (2) لPSNE مقذوف باستخدام 100 و 200نانومتر المرشحات. يتم سرد قطر PSNE فعالة مع مرور الوقت، وتقاس باستخدام ديناميكية تشتت الضوء، في الجدول 1، مما يدل على أن PSNE مستقرة لمدة أسبوع على الأقل. وتظهر B-وضع صور PSNE قبل وبعد التبخر في هيدروجيل بولكرلميد في الشكل 3. أيضا، آفة شكلتها 15 ثانية من HIFU بوساطة التسخين في هيدروجيل بولكرلميد تحتوي على الزلال ويظهر PSNE في الشكل 4. الشكل غير المتناظر للآفة هو نتيجة لتسخين prefocal الذي يحدث بسبب وجود سحابة فقاعة في مسار الموجات فوق الصوتية. من المهم أن نلاحظ أن التدفئة prefocal وتشكيل الآفة بسبب مبعثر من فقاعات يمكن التقليل من الطاقة عن طريق تقليل الصوتية المرسلة.
الشكل 1. رسم تخطيطي من الإعداد التجريبية للتجارب الموجات فوق الصوتية مع ميم النسيجicking الهلاميات المائية.
الشكل 2. حجم توزيع PSNE مقذوف من خلال 100 نانومتر نانومتر أو مرشحات 200، تقاس باستخدام ديناميكية تشتت الضوء. وتستند وحدات المحاور المنسقة على شدة الضوء المتناثرة من الجزيئات من حجم معين نسبة إلى شدة الضوء المتناثرة من مجموع العينة.
الشكل 3. B-وضع الصور (أ) قبل وبعد (ب) التبخر PSNE في هيدروجيل بولكرلميد. السهم يشير إلى منطقة محورية حيث تم تشكيل لسحابة فقاعة بواسطة التبخر PSNE.
الشكل 4. صور polyacrهيدروجيل ylamide تحتوي على الزلال وPSNE (أ) قبل وبعد (ب) التبخر وصوتنة مع HIFU، مما يدل على تشكيل الآفة نتيجة الموجات فوق الصوتية التي يسببها التدفئة. وكان تردد الموجات فوق الصوتية 3،3 ميغاهيرتز مركز. إشارة الموجات فوق الصوتية تتكون من دورة الأولي-30، 6.4 W نبض لتبخير PSNE، تليها مباشرة 15 ثانية من الموجات فوق الصوتية المستمر عند 0.77 W.
| بعد أيام من قذف | مقذوف مع فلتر 200 نانومتر | مقذوف مع فلتر 100 نانومتر | ||
| يعني ضياء. (نيو مكسيكو) | الأمراض المنقولة جنسيا. ديف. (نيو مكسيكو) | يعني ضياء. (نيو مكسيكو) | الأمراض المنقولة جنسيا. ديف. (نيو مكسيكو) | |
| 1 | 182،9 | 4.9 | 118،0 | 0.9 |
| 7 | <TD> 177،72.5 | 124،8 | 3.1 | |
الجدول 1. متوسط قطر والانحراف المعياري PSNE في آن واحد سبعة أيام بعد قذف مع 100 نانومتر نانومتر والمرشحات 200.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ويستخدم الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة تركز (HIFU) سريريا ليجتذ حراريا الأورام. 1 لتعزيز وتحسين التدفئة المترجمة التذرية الحرارية في الأورام، وقد وضعت قطرات الدهون المشبعة المغلفة التي يمكن تبخيرها عن طريق HIFU. الأوعية الدموية في الأورام كثير من راشح بشكل غير طبيعي بسبب نموها السريع .. 2 وهكذا، النانوية هي قادرة على اختراق fenestrations وتتراكم بشكل سلبي داخل الأورام، وقد تم عملية تعرف باسم نفاذية تعزيز والاحتفاظ تأثير (EPR) 3 تبين أن النانوية بين 70 و 200 نانومتر تتراكم بأكبر قدر من الكفاءة في الأورام .. 4 الإجراء الوارد في هذا التقرير تنتج استقرارا مرحلة التحول nanoemulsion (PSNE) من قطرات الدهون المشبعة المغلفة مع توزيع حجم الضيق. في الماضي، ركزت معظم الدراسات تستخدم حجم التوزيعات من polydisperse PSNE، ولكن الدراسات الحديثة على إنتاج PSNE مع حجم التوزيعات الضيقة.5 و 6 وطريقة البثق المبينة في هذا البروتوكول يسمح احد للسيطرة على حجم من أجل زيادة نسبة قطرات تدار بشكل منتظم من شأنها أن تتراكم داخل الأورام.
جوهر dodecafluoropentane من nanodroplets لديه درجة حرارة غليان 29 ° C. 7 وبالتالي، فمن المهم للحفاظ على درجة حرارة منخفضة خلال كل خطوة من إعداد PSNE. صوتنة يزيد من درجة حرارة من الحل، ولكن باستخدام تسلسل صوتنة نابض ووضع العينة في حمام جليدي في المياه خلال صوتنة يمكن أن تقلل من التبخر. وبمجرد أن قطرات الدهن المغلفة شكلت، ويزيد درجة حرارة الغليان فوق 60 ° C بسبب التوتر السطحي. التبخر PSNE 8 هو درجة الحرارة والضغط التي تعتمد على ويعتمد أيضا على حجم وتكوين قطرات السائل المشبع بالفلور .. 9 على سبيل المثال، وجد أن هناك حاجة لضغوط rarefactional ذروة فوق 3،8 ميجا باسكال لتبخير 200نانومتر قطرات DDFP في 37 ° 10 جيم طلاء قطرات الدهون مترافق مع مع بولي (جلايكول الإثيلين) (PEG) يمنع الانصهار، مما يزيد من حجم PSNE الاستقرار خلال الأيام متعددة. بالإضافة إلى ذلك، تم توثيق أن PEG يمكن أن تزيد من وقت التداول من الدهون المستندة إلى الحويصلات، 11-13 الذي قد يزيد من جزء من PSNE تدار بشكل منتظم التي تتراكم في الأورام الخبيثة المترجمة 14، 15
ويمكن تعليق قطرات المشبعة في فانتوم بولكرلميد هيدروجيل الأنسجة التي تحتوي على الزلال محاكاة لفي الدراسات المختبرية التذرية الحرارية. (16) الهلاميات المائية PSNE محملة مفيدة لتقييم عتبات التبخر وكذلك دراسة تشكيل الآفة من فقاعة محسنة HIFU بوساطة التدفئة . والهلاميات المائية استيعاب وتحويل الطاقة الصوتية إلى حرارة، ومرة واحدة في درجة الحرارة في هيدروجيل تتجاوز 58 درجة مئوية، في الألبومين يبدل طبيعة هيدروجيل وعتامة17 لأن الهلاميات المائية شفافة بصريا، فمن الممكن لمراقبة تمسخ البروتين في الوقت الحقيقي. التبخر من PSNE في الهلاميات المائية يخلق فقاعات، والتي تستخدم لزيادة كفاءة الموجات فوق الصوتية بوساطة التدفئة. ويمكن استخدام محول ركز، التبخر PSNE والتدفئة فقاعة محسنة تكون مترجمة، وبالتالي تجنب التدخل غير المرغوب فيها في التدفئة وسائل الإعلام البيولوجية (أي الأنسجة). قدمت القوة الصوتية يتجاوز عتبة في الخيالات، وتبخيرها سحابة فقاعة يمكن أن تؤثر على انتشار الموجات فوق الصوتية والأشعة تسبب التدفئة prefocal. دون هذه العتبة، السلطة منتشرة منخفضة جدا ليجتذ الأنسجة في المنطقة prefocal، وبالتالي يقتصر حجم ذاب إلى موقع سحابة فقاعة. يمكن استخدام التدفئة لتعزيز PSNE المترجمة في الجسم الحي يحتمل تحسين نتائج العلاج HIFU الاجتثاث الورم. كخطوة أولى، تم وضع بروتوكول قذف القائم على السيطرةحجم PSNE توزيع ضيقا. باستخدام PSNE فرقت داخل الأنسجة الهلاميات المائية الشفافة محاكاة بصريا، فمن الممكن للتحقيق في تأثير الموجات فوق الصوتية على تبخيرها PSNE بوساطة التدفئة والتذرية الحرارية. تسليم العوامل العلاجية والجسيمات النانوية إلى جوهر الورم في الجسم الحي لا يزال يشكل تحديا بسبب الضغوط الخلالي زيادة التي تم العثور عليها هناك. فمن المرجح أن PSNE سوف تتراكم داخل محيط تفضيلي الورم وربما لا تخترق بسهولة جوهر الورم. وقد أظهرت الدراسات أن الفقاعات في الهلاميات المائية يمكن إعادة توجيه الطاقة الصوتية الناتجة تجاه محول في حجم ذاب في المنطقة prefocal. هذه الظاهرة تحدث عندما تنتقل السلطة الصوتية يتجاوز عتبة معينة. وبالتالي، فمن الممكن لتوطين فقاعة محسنة الاجتثاث الورم إلى المحيط الورم باستخدام أحد وضع السلطة فضلا يجتذ باعتبارها جوهر الداخلية من خلال الطاقة الصوتية التي تعكس قبالة فقاعات إنشاؤها في الهامش البعيدة في أعلى باورص الإعداد. وعلاوة على ذلك، فإن الاجتثاث الدقيق للمحيط الورم الذي يتجنب الإضرار الأنسجة المحيطة صحية لا تزال تمثل في تحقيق اختراق مهم ويمكن أن تسمح في السابق لإزالة الأورام غير resectable جراحيا. على الرغم من وجود اختلافات بين الجسم الحي في ظروف والهلاميات المائية محاكاة الأنسجة، والخيالات هي مفيدة لفهم آليات المادية الموجات فوق الصوتية محسنة التدفئة مع PSNE من أجل تحسين المعلمات بالموجات فوق الصوتية للالتذرية الحرارية. هذه هي الخطوات الحاسمة لترجمة استخدام الموجات فوق الصوتية PSNE لالاجتثاث بوساطة تعزيز من المختبر إلى العيادة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من قبل الزمالة التطبيقية BU / CIMIT الهندسة الطبية Predoctoral، والمؤسسة الوطنية للعلوم توسيع نطاق المشاركة بحوث بدء المنحة الهندسة (BRIGE)، والمعاهد الوطنية للصحة (R21EB0094930).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DPPC | Avanti Lipids, Alabaster, AL, USA | 850355P | 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine |
| DSPE-PEG2000 | Avanti Lipids, Alabaster, AL, USA | 880120P | 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosph–thanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) |
| DDFP | Fluoromed, Round Rock, TX, USA | CAS: 138495-42-8 | Dodecafluoropentane (C5F12) |
| PBS | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | P2194 | Phosphate-buffered saline |
| Chloroform | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 372978 | Chloroform |
| Acrylamide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | A9926 | 40% 19:1 acrylamide/bis-acrylamide |
| Tris buffer | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T2694 | 1M, pH 8, trizma hydrochloride and trizma base |
| BSA | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | A3059 | Bovine serum albumin |
| APS | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | A3678 | Ammonium persulfate solution |
| TEMED | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 87689 | N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine |
| Equipment | |||
| Sonicator (3 mm tip) | Sonics Materials, Inc., Newtown, CT, USA | Vibra-Cell | |
| Water bath | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | Neslab EX-7 | |
| Extruder | Northern Lipids, Burnaby, BC, Canada | LIPEX | |
| Extruder Filters | Whatman, Piscataway, NJ, USA | Nuclepore #110605 and #110606 | |
| Extruder Drain Disc | Sterlitech Corporation, Kent, WA, USA | #PETEDD25100 | |
| Plastic chamber | U.S. Plastic Corporation, Lima, OH, USA | #55288, 1 3/16"x1 3/16"x2 7/16" | |
References
- Hynynen, K., Darkazanli, A., Unger, E., Schenck, J. F. MRI-guided noninvasive ultrasound surgery. Med. Phys. 20, 107-115 (1993).
- Baban, D. F., Seymour, L. W. Control of tumour vascular permeability. Adv. Drug Deliv. Rev. 34, 109-119 (1998).
- Maeda, H., Wu, J., Sawa, T., Matsumura, Y., Hori, K. Tumor vascular permeability and the EPR effect in macromolecular therapeutics: a review. J. Control. Release. 65, 271-284 (2000).
- Schadlich, A. Tumor accumulation of NIR fluorescent PEG-PLA nanoparticles: impact of particle size and human xenograft tumor model. ACS Nano. 5, 8710-8720 (2011).
- Williams, R. Convertible perfluorocarbon droplets for cancer detection and therapy. 2010 IEEE Ultrasonics Symposium. , (2010).
- Martz, T. D., Sheeran, P. S., Bardin, D., Lee, A. P., Dayton, P. A. Precision manufacture of phase-change perfluorocarbon droplets using microfluidics. Ultrasound Med. Biol. 37, 1952-1957 (2011).
- Giesecke, T., Hynynen, K. Ultrasound-mediated cavitation thresholds of liquid perfluorocarbon droplets in vitro. Ultrasound Med. Biol. 29, 1359-1365 (2003).
- Sheeran, P. S., Luois, S., Dayton, P. A., Matsunaga, T. O. Formulation and Acoustic Studies of a New Phase-Shift Agent for Diagnostic and Therapeutic Ultrasound. Langmuir. 27, 10412-10420 (2011).
- Sheeran, P. S. Decafluorobutane as a phase-change contrast agent for low-energy extravascular ultrasonic imaging. Ultrasound Med. Biol. 37, 1518-1530 (2011).
- Zhang, P. The Application of Phase-Shift Nanoemulsion in High Intensity Focused Ultrasound: An In Vitro Study [Doctoral Dissertation]. , (2011).
- Allen, T. M., Hansen, C., Martin, F., Redemann, C., Yau-Young, A. Liposomes containing synthetic lipid derivatives of poly(ethylene glycol) show prolonged circulation half-lives in vivo. Biochim. Biophys. Acta. 1066, 29-36 (1991).
- Klibanov, A. L., Maruyama, K., Beckerleg, A. M., Torchilin, V. P., Huang, L. Activity of amphipathic poly(ethylene glycol) 5000 to prolong the circulation time of liposomes depends on the liposome size and is unfavorable for immunoliposome binding to target. Biochim. Biophys. Acta. 1062, 142-148 (1991).
- Klibanov, A. L., Maryama, K., Torchilin, V. P., Huang, L. Amphipathic polyethyleneglycols effectively prolong the circulation time of liposomes. FEBS Lett. 268, 235-237 (1990).
- Gabizon, A. Prolonged circulation time and enhanced accumulation in malignant exudates of Doxorubicin encapsulated in polyethylene-glycol coated liposomes. Cancer Res. 54, 987-992 (1994).
- Awasthi, V. D., Garcia, D., Goins, B. A., Philips, W. T. Circulation and biodistribution profiles of long-circulating PEG-liposomes of various sizes in rabbits. Int. J. Pharm. 253, 121-132 (2003).
- Zhang, P., Porter, T. An in vitro study of a phase-shift nanoemulsion: a potential nucleation agent for bubble-enhanced HIFU tumor ablation. Ultrasound Med. Biol. 36, 1856-1866 (2010).
- Lafon, C. Gel phantom for use in high-intensity focused ultrasound dosimetry. Ultrasound Med. Biol. 31, 1383-1389 (2005).
