Summary
Denne protokollen demonstrerer kontrollerbar nucleation av kavitasjon i gel fantomer, gjennom samtidige eksponering for både nær infrarød pulsed laser lys og høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU). Kavitasjon aktiviteten kan deretter brukes for forbedring av tenkelig og/eller terapeutisk bruk av HIFU.
Abstract
I denne studien ble plasmonic gull nanopartikler samtidig utsatt for pulserende nær infrarød laser lys og høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU) for den kontrollerbar nucleation av kavitasjon i vev-mimicking gel fantomer. Denne i vitro protokollen ble utviklet for å demonstrere gjennomførbarheten av denne tilnærmingen, for både forbedring av tenkelig og terapeutiske programmer for kreft. Samme apparatet kan brukes for både tenkelig og terapeutiske programmer av varierende eksponering varigheten av HIFU systemet. For kort varighet eksponeringer (10 µs), ble bredbånd akustisk utslipp generert gjennom den kontrollerte nucleation av treghet kavitasjon rundt gull nanopartikler. Disse utslippene gir direkte lokalisering av nanopartikler. For framtidige applikasjoner, disse partiklene kan være functionalized med molekylær målretting antistoffer (f.eks anti-HER2 for brystkreft) og kan gi nøyaktig lokalisering av kreft regioner, utfyller rutinemessig diagnostiske ultralyd imaging. For kontinuerlige bølgen (CW) eksponeringer, ble kavitasjon aktiviteten brukt til å øke lokalisert varme fra de HIFU eksponeringene som resulterer i større termisk skade i gel fantomer. De akustiske utslippene fra treghet kavitasjon aktivitet i disse CW eksponeringer var overvåket med en passiv kavitasjon gjenkjenning (PCD) system som tilbakemelding kavitasjon aktivitet. Økt lokaliserte oppvarming ble bare oppnådd gjennom en unik kombinasjon av nanopartikler, laserlys og HIFU. Ytterligere validering av denne teknikken i pre-klinisk modeller av kreft er nødvendig.
Introduction
Høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU), eller fokusert ultralyd kirurgi (FUS), er en ikke-ioniserende og ikke-invasive teknikk som brukes for den termiske ablation subkutant vev1. Hovedfunksjonen til HIFU er i behandlingen av bløtvev svulster2, men det begynner å bli brukt til andre programmer, for eksempel behandling av Ben tumorer3 eller nevrologiske lidelser4. Det er to hovedfaktorer som begrenser den utstrakte bruken av HIFU i klinikken: først vanskeligheter i behandling veiledning og andre lang behandling ganger5. Kombinasjonen av HIFU og pulsed laser lys plasmonic gull nanorods beskrevet av denne metoden kan gi en måte å overvinne de nåværende begrensningene for HIFU6.
Under HIFU eksponeringer er dominerende mekanisme vev ablasjon termisk skade. Imidlertid kan kavitasjon aktivitet også spille en rolle8. Kavitasjon aktivitet som forekommer under HIFU eksponeringer kan bestå av både mekanisk og/eller termisk mediert kavitasjon. Mekanisk mediert kavitasjon kalles vanligvis akustisk kavitasjon7, som er ytterligere subcategorized som bobler under enten ikke-treghet eller treghet9 atferd. Termisk mediert kavitasjon er fra dannelsen av gasslommer, gjennom ex-løsning eller fordamping, og er ofte referert til som "kokende'10. Kavitasjon aktivitet, de fleste vanligvis treghet kavitasjon, har vist seg å forbedre termisk oppvarming priser oppnåelig gjennom HIFU eksponeringer11 og dermed hjelpe med en av sine viktigste begrensninger. Men dannelse og aktiviteten til kavitasjon under HIFU eksponeringer kan være uforutsigbare og føre til negative effekter som behandlet over regioner eller asymmetrisk termisk ablasjon12. For å kontrollere kavitasjon aktivitet i HIFU eksponeringer, har innføring av eksterne kjerner blitt undersøkt. Dette kan ta form av microbubbles13, fase-Skift nanoemulsions14 eller plasmonic nanopartikler15. Både microbubbles og nanoemulsions har vist seg å forbedre signal-til-støy for bildebehandling og forbedret termisk ablations. Men betyr deres forbigående Art de har begrenset funksjonalitet over gjentatte HIFU eksponeringer. Overvåking av kavitasjon aktivitet i HIFU eksponeringer er gjort ved hjelp av enten aktive eller passive kavitasjon gjenkjenning (ACD eller PCD, henholdsvis). PCD er en favoriserte teknikk for kavitasjon gjenkjenning, som det kan utføres samtidig med HIFU eksponeringer og gir spektral innhold informasjon. Spectral innholdet kan deretter videre analyseres for å identifisere typen kavitasjon aktivitet forekommer16. Bredbånd akustisk utslipp brukes, siden disse utslippene er unike for tilstedeværelsen av treghet kavitasjon10 og er knyttet til forbedret HIFU oppvarming11.
Photoacoustic imaging (PAI) er en voksende klinisk tenkelig teknikk17, som kombinerer spectral selektivitet av pulsed laser eksitasjon med høy oppløsning av ultralyd imaging18. Det har tidligere blitt brukt til å veilede HIFU eksponeringer19, men denne tenkelig teknikk er begrenset av penetrasjon dybden av laserlys. Plasmonic gull nanopartikler kan brukes som 'kontrast agenter' øke lokale absorpsjon av laserlys og senere amplituden til photoacoustic utslipp20. For tilstrekkelig høy laser fluences er det mulig å føre til generering av mikroskopiske damp bobler som kan brukes til svært lokaliserte tenkelig21. Men disse eksponeringsnivåer vanligvis overskrider maksimal tillatt Grenseverdi for bruk av laserlys i mennesker22, og dermed har begrenset bruk. Metoden ansatt i denne studien har tidligere vist at ved å samtidig utsette den plasmonic nanopartikler til både laser belysning og HIFU, laser fluence og akustisk press for å nucleate disse små damp boblene er dramatisk redusert, signal-til-støy forholdet for bildebehandling er økt23. En metode beskrives her for å kombinere plasmonic nanopartikler med både laser og HIFU eksponeringer for en svært kontrollerbare teknikk for nucleation og aktiviteten til damp bobler.
Protocol
1. vev Mimicking Phantom produksjon
Merk: En detaljert analyse av de akustiske egenskapene til optisk gjennomsiktig vev-mimicking phantom brukes for alle eksponeringer i denne studien finnes i Choi, et al. 24
Merk: Hver phantom mold inneholder ca 50 mL av løsningen, og for hvert parti totalt fem formene er fylt. Dermed er totalt 250 mL av phantom løsning utarbeidet.
- Legg 148.2 mL (60% v/v) deionisert, filtrert og degassed vann til en 500 mL glass kanne og la til å equilibrate til romtemperatur. Legge til 75 mL av 40% (vekt/volum) akrylamid/Bis-akrylamid løsning (30% v/v) glass begeret, etterfulgt av 25 mL 1 M TRIS buffer, pH 8 (10% v/v) og 2,15 mL 10% ammonium persulfate (APS; 0,86% v/v).
- Plasser glass begeret inne en vakuum kammer som ligger på en magnetisk rørestang plate, og Plasser en 40 mm lange polytetrafluoroethylene (PTFE) magnetiske gripende bar inne begeret. Med et medium omrøring hastigheten (dvs. at god blanding uten for dannelsen av vortex i vannet), sakte legge 22,5 g (9% w/v) av bovin serum albumin (BSA) pulver.
- Når alle BSA er lagt til løsning, lukker vakuum kammeret og aktivere vakuumpumpe. Opprettholde et vakuum 80 mBar/t og fortsette røring for ytterligere 60 min, etter som vakuum. På dette punktet bør løsningen være klart med en svak gul farge.
- Ovennevnte metoder er den samme for fantomer gjort både med og uten nanopartikler. Hvis nanopartikler er nødvendig, legger 10 µL (konsentrasjon på 1 x 108 np/mL) av nanorods som har en overflate plasmon resonans (SPR) på 850 nm og en diameter på 40 nm.
- Til slutt Legg 125 µL av tetramethylethylenediamine (TEMED) å katalysere av phantom. Vent en ytterligere 5 min å tillate blanding, og hell phantom løsningen i 5 individuelle molds og vente 20 minutter å sette. En gang satt, fjerne dem fra innehaverne og oppbevar i en lufttett beholder før bruk. Bruk fantomer innen 24 timer av produksjon.
2. kalibrering av HIFU svingere fritt felt akustisk trykk
Merk: Denne delen av protokollen er ikke nødvendig før hver lesioning tenkelig eksperiment. Det er en kalibreringsprosedyren skal utføres med jevne mellomrom å sikre akustisk produksjon av systemet er riktig.
- Fyll en akryl vannbeholder (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L deionisert og degassed vann. Montere HIFU svingeren på en fast stilling innlegg i den ene enden av tanken, overfor i. Parallelt med dette, montere en kalibrert (utført av National fysiske laboratoriene) membran hydrophone på en tre-akse manuell mikrometer på omtrentlig fokuspunkt HIFU svingeren (63 mm).
- Koble HIFU svingeren (geometriske fokusere 63 mm) til impedans matchende krets, så makt forsterkeren (som vist i figur 1). Koble deretter membran hydrophone direkte til data anskaffelse systemet, slik at en utløser signal er levert fra funksjonsgenerator koblet til effektforsterker (figur 1).
- Angi utgangsspenningen av funksjonen generatoren til 30 mV, med en 10 syklus 3.3 MHz sinuskurve med en puls repetisjon frekvens på 100 Hz.
- Ved hjelp av måling programvare (se Tabell for materiale) visualisere oppdaget akustiske signalet og mikrometer scenen, plasserer oppdaget akustisk pulsen på riktig tid på fly (42,5 µm). Med bare en enkel sirkulær retning om gangen på mikrometer scenen, maksimere oppdaget akustiske signalet. Når trygg dette er oppnådd, lukke programmet og la membran hydrophone i gjeldende posisjon.
- Variere utgangsspenningen av funksjonsgenerator fra 20-400 mV i 20 mV intervaller. På hver spenning nivå og bruke signaler MatLab oppkjøpet programvaren, posten hydrophone. Få 100 pulser på hvert nivå og konvertere fra spenning data i trykk bruker datatypen angitt kalibrering. Gjennomsnittlig dataene og måle både topp positive og negative verdiene for alle utgang spenningsnivå. Dette gir kalibrering data fritt felt peak negative trykket som skal brukes for både pulsen fortsetter bølge studier.
3. konfigurere eksperimentelle apparater for begge pulserende og kontinuerlig bølge studier
- Fyll en akryl vannbeholder (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L deionisert og degassed vann. Montere HIFU svingeren og co justert bredbånd hydrophone på en tre-akse manuell mikrometer. Deretter dukke fullt ut av svinger og hydrophone i vannbeholderen. En skjematisk dette er vist i figur 1.
- Koble HIFU svingeren til en impedans matchende krets, å bli drevet på sin tredje harmoniske (3,3 MHz). Denne kretsen er koblet direkte til resultatet av en RF-effektforsterker. En digital funksjonsgenerator er koblet til inngangen av makt forsterkeren, og programmert eksternt.
- Før eksponeringer i phantom materiale, bruker du en kalibrert differensial membran hydrophone for å måle peak negative presset generert fra dette systemet for en gitt inngangsspenning på funksjonsgenerator som beskrevet i 2. Bruk disse referanse spenning verdier til å angi nødvendige trykket på den digitale funksjonsgenerator.
- Koble den bredbånd hydrophone (geometriske fokusere 63 mm) som ligger i den sentrale blenderåpningen HIFU svingeren direkte til en 5 MHz høypassfilteret. Koble den til en 14-bits data oppkjøpet kort (DAQ) via en 40 dB forforsterker. Kontroller at høypassfilteret er koblet med riktig bias.
Merk: Dette kortet ble installert i en stasjonær PC og brukes til å kontrollere all maskinvare (eksempler finner denne programvaren som supplerende filer) og lagre data for offline behandling under denne studien. - Koble en transistor-transistor logikk (TTL) digital forsinkelse puls generator med bajonett Neill-Concelman (BNC) kabler til både pulsed laser system og funksjon generatoren slik synkronisering mellom disse systemene, som vil sikre at 7 ns laser pulsen er sammenfallende i regionen mål under den fjerde rarefaction toppen fra HIFU svinger.
- Med metoden beskrevet i 1 Utelat BSA og nanopartikler å gjøre en justering phantom, som er standard phantom materiale som inneholder 1 mm sfærisk metallisk mål (en kulelager). For å oppnå dette, hell 25 mL av phantom materiale i en mold og legge 62.5 µl TEMED katalysator, deretter vente ca 20 min å sette. Deretter plasserer metallisk målet sentralt i phantom og legge en ytterligere 25 mL av phantom løsning etterfulgt av 62.5 µl TEMED katalysator og en ytterligere 20 min vente.
- Plasser justeringen phantom i 3D trykt holder6montere på en automatisert 3D scenen og ca posisjon slik at metallisk målet er på fokal toppen HIFU svingeren.
- Bruker HIFU svingeren for å sende ut en kort varighet 10 syklus burst (3 µs) og hydrophone å motta (koblet direkte til DAQ kortet), er relativt til justering målet optimalisert gjennom puls-echo plassering. Sanntid oppdaget signal vises på datamaskinen. Juster tiden av fly og signal amplituden bruker manuell mikrometer scenen HIFU svinger og hydrophone er montert på. Når tiden for flygningen er satt til 85 µs (en enkelt rundtur), og signalet amplituden har blitt maksimert i begge radial retninger, justeres dette systemet.
- Par optisk energien fra optisk parametrisk oscillator (OPO) tilført av 532 nm nanosekund pulsed laser phantom bruker en 2 mm fiber bunt. Montere dette fiber mot andre mikrometer scenen og posisjon i en vinkel 45˚ fra akustisk aksen foran phantom (figur 1). Bølgelengden av laserlys settes til 680 nm synlige for justering. Når synlig, plasser laser lys med mikrometer scenen slik at justeringen målet er sentralt i en 15 mm diameter laser spot.
- Plasser 20-90 x digital mikroskop (arbeider avstand 90 mm) og en hvit lyskilde på motsatte sider av vanntanken vinkelrett forplantning flyet HIFU svingeren. Mikroskopet er montert på en liten mikrometer scene. Plasser den slik at metallisk justeringen målrettet er sentralt og i fokus i sin synsfelt (5 x 6 mm).
Merk: Når det over fremgangsmåten er fullført, alle elementene i dette systemet (HIFU svinger, hydrophone, laser lys og mikroskopet) nå co justeres til en bestemt plassering. Justeringen phantom kan nå bli erstattet med vev-mimicking fantomer brukes for studier. Som phantom monteres i en holder som er knyttet til et 3D posisjoneringssystem, kan regioner være målrettet samtidig som justeringen.
4. kavitasjon terskelen oppdagelsen fra pulserende HIFU eksponeringer
Merk: Denne fremgangsmåten er den samme for fantomer med eller uten nanopartikler, og skal gjentas tre ganger.
- Kontroller at PCD systemet er koblet etter kobles justering fremgangsmåten beskrevet i 3.8 og tune laser bølgelengden til SPR av nanopartikler. Bruker en egendefinert kontroll, angi funksjonsgenerator å produsere en 10 syklus (3 µs) HIFU eksplosjon, som er synkronisert med laser system. Også bruke dette programmet til å sette en laser fluence 0,4, 1.1, 2.1 eller 3,4 mJ/cm2 om endre tidspunktet mellom følge av flash lampe avfyring og Q-åpningen i Lasersystemet.
- Målrette fokal toppen av HIFU 10 mm dypt inn phantom, og 13 unike steder, linjeavstand av 5 mm, i vertikal retning. I disse stedene kan du utføre en eksponering på et enkelt peak negative HIFU press, med fire laser fluences angitt i 4.2.
- Bruk utvalget av topp negative trykk 0, 0.91, 1,19, 1.43, 1,69, 1,92, 2,13, 2,34, 2,53, 2,71, 2.83, 3.00 og 3.19 MPa for følgende eksponering: laser på hydrogenion gratis phantom, laser av i en hydrogenion phantom, og laser på i en hydrogenion Phantom. Simulere en "humbug" laser eksponering, kjører systemet som beskrevet, men stengt manuell lukkeren på produksjon av OPO. Dette vil sikre at RF støy generert fortsatt vil være tilstede i PCD-systemet.
- Programmere alle innstillinger og eksponering posisjoner i programmet kontroll, og kjøre for å utføre disse målingene. PCD data er digitalisert og lagres direkte med oppkjøpet datakortet for etterbehandling. For hver parameter for eksponering gjenta 500 eksponeringer er ervervet6.
- Behandle bredbånd utslippene oppdaget av PCD systemet fra kort varighet HIFU eksponeringer i fantomer ved hjelp av teknikken detaljert av McLaughlan et al. (2017) 6.
5. termisk rødsprit fra kontinuerlig bølge HIFU eksponeringer
Merk: Denne fremgangsmåten er den samme for fantomer med eller uten nanopartikler og ble gjentatt tre ganger.
- Angi Lasersystemet for å gi en fluence av 3,4 mJ/cm2 og funksjonsgenerator å gi en CW eksponering (hver 330 000-syklus burst er synkronisert til en laser puls). I 11 unike steder i phantom, velger du en topp negative trykket 0,20, 0.62, 0.91, 1,19, 1.43, 1,69, 1,92, 2,13, 2,34, 2.53 eller 2,71 MPA.
- Bruke en total eksponeringstid 17 s for å skaffe 1s av planlagte før og etter en 15 s CW HIFU eksponering i phantom. Samtidig total eksponering registrerer oppkjøpet datasystemet PCD dataene. Mikroskopet er koblet til kontrollen PC og delbildene registreres samtidig å gi en direkte effekt av termisk lesjon formasjon.
- Gjenta prosessen 4,3 for alle de forskjellige eksponeringsforholdene i 4.4.
- Behandle alle PCD data frakoblet beregne treghet kavitasjon dose25 for hver eksponering.
Representative Results
Kavitasjon oppdagelsen fra pulserende HIFU eksponeringer
Passiv kavitasjon oppdagelsen system registrert spenning/klokkeslettdata for utvalg av HIFU og laser eksponeringer i begge fantomer med og uten nanopartikler. Figur 2 viser representant resultatene for et utvalg av eksponeringer. Tidsskalaer på disse flatene avkortes for å markere regionene der bredbånd akustisk utslipp kan forventes, på grunn av tiden for flygningen av disse utslippene. Figur 2 viser at det er bare når det er en kombinasjon av nanopartikler, HIFU eksponering og laser lys at bredbånd utslipp er oppdaget. Men er dette fortsatt en terskel fenomen, som på det lavere akustisk trykket figur 2 h bredbånd utslipp ikke ble oppdaget. Varigheten av disse utslippene tilsvare vanligvis lengden på HIFU eksponering, som var rundt 10 µs i denne studien.
Termisk rødsprit fra en CW HIFU eksponering
Figur 3 viser en serie med delbilder ervervet fra universal serial bus (USB) kameraet under en enkelt HIFU eksponering med laser lys, for de tre ulike eksponeringer (med/uten laser lys og/eller nanopartikler). Denne illustrasjonen viser et eksempel på dannelsen av termisk lesjoner i gel fantomer for hver av disse forholdene. I denne visningen HIFU oppstår eksponering fra venstre til høyre. For eksempel vises i Figur 3 toppen var negative trykket 2,53 MPa, som var den øvre kanten av hva som ble brukt i denne studien.
Innspillingen treghet kavitasjon dose (ICD) fra CW HIFU eksponeringer
Figur 4 viser representant resultater fra beregningen av ICD under CW HIFU eksponeringer. Disse dataene var innlegg behandlet fra utslippene registrert av PCD systemet under eksponeringen. Tallene 4a, 4 c, og 4e viser at ved lavere topp negative trykk, ingen bredbånd utslipp ble oppdaget, der tallene 4b, d, og f viser at ICD ble registrert gjennom eksponering. Høyeste ICD signalene ble observert i løpet av eksponering i en gel inneholder nanopartikler med både HIFU og laser eksponeringer (figur 4f).
Figur 1. En skjematisk fremstilling av eksperimentelle apparater i denne studien. For klarhet, USB mikroskop og lyskilde utelates, men visningen regionen er illustrert av en blå stiplet. CNC - Computer numerical control AuNR - gull nanorods. Figur tilpasset fra McLaughlan et al. (2017) 6. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Et eksempel på spenning spor innspilt med passiv kavitasjon deteksjon system i korte HIFU eksponeringer, med/uten samtidige laser lys. Når den brukes, var laser fluence 2.1 mJ/cm2 med et topp negative trykk (a-c) 3.0, (d-f) 2.13 og (g-i) 1,43 MPa. LS - laser, NR - nanopartikler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Individuelle rammer til tider 0, 5, 10 og 15 s under en HIFU eksponering av USB mikroskopet. Laser fluence var 3,4 mJ/cm2 og topp negative trykket 2,53 MPA. Sekvens (a) var med laser eksponering og i en fantom uten nanopartikler, (b) er uten laser eksponering og en fantom som inneholder nanopartikler og (c) har både laser lys og en fantom som inneholder nanopartikler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Beregnet treghet kavitasjon dose (ICD) registrert under eksponeringer (a, b, e og f) med og (c & d) uten laser lys. Topp negative trykket var enten (a, c, og e) 0,91 eller (b, d, og f) 2,53 MPa. Phantom brukes i (en & b) ikke inneholder noen nanopartikler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Denne protokollen er delt inn i fire separate deler, beskriver produksjon av vev-mimicking phantom gjennom til CW eksponeringer for å produsere termisk genererte rødsprit. Denne denaturering av fantomer simulerer termisk genererte koagulering nekrose oppleves av bløtvev utsatt for HIFU1. I sin produksjon er det viktig å sikre at forholdet mellom APS og TEMED er slik at prosessen ikke katalysere for fort. Denne prosessen er eksoterm, jo raskere dette, jo høyere temperaturen nådd25 og dermed kunne denature BSA proteiner før eksponering. Forholdet mellom APS til TEMED i denne protokollen er angitt slik at dette ikke bør skje, men formene kan plasseres i vann under polymerizing av gel å ytterligere å redusere denne muligheten.
Som denne protokollen fokuserer på nucleation av kavitasjon gjennom kombinere nanopartikler, laser illuminations og HIFU eksponering, er et viktig skritt i produksjon av gel fantomer å degas dem under vakuum i minst 30 min. Når utsatt for HIFU (spesielt CW eksponeringer), selv om en termisk leksjonen ikke var tilstede, er det viktig å målrette en fersk beliggenhet i gel fantomer å unngå forhåndseksisterende kjerner. Når flytter phantom bruker datamaskinen kontrolleres oversettelsessystem er det viktig å sikre at dybden på HIFU fokus (og dermed justert regionen) holdes konsistent. Dette sikrer at HIFU press og laser fluence nivåene er uniform for hver parameter for bestemte eksponering. Denne protokollen og etter den første plasseringen av phantom holderen, er det så bare oversatt i den loddrette aksen.
Temperatur-sensitive vev-mimicking geléer brukes mye av den HIFU forskning samfunnet25, som de gir en visuell mekanisme for å overvåke dannelsen av en termisk leksjonen. Denne studien var det første eksempelet på kombinere dem med nanopartikler og demonstrere styrking gitt lesjon formasjonen gjennom kontrollert kavitasjon aktivitet. Selv om de er klassifisert som vev-mimicking for deres respons til temperatur, er både deres optisk og akustisk demping imidlertid ikke. På grunn av behovet for å visualisere lesjon dannelsen i geléer, er fantomer nær gjennomsiktig, med en svak gul farge. Som laser fluence justeres til konto for dette, betyr det at laserlys belyse målregion er collimated i stedet for diffusive som ville være for normalt vev. Dermed tillate for klinisk oversettelse flere belysning kilder ville behøves å sikre nok fluence på overflaten. Foreløpig følger dette arbeidet retningslinjene22 for trygg bruk av lasere når de utsettes for huden. Dette ville begrense den maksimale laser fluence oppnåelig på dybden; Derfor vil denne teknikken først være egnet til behandle overfladiske kreftformer som brystkreft, eller hodet og nakken. Videre kan plasmonic nanopartikler rettet mot overflate reseptorer for disse typer kreft gi økt selektivitet i behandlinger. Men selv om dette er en svært aktiv område av forskning, er ingen slike partikler godkjent for klinisk bruk.
Akustisk demping av fantomer med nanopartikler ble målt skal 0.7±0.2 dB/cm6, og sammenlignet med verdien for bløtvev i 3-4 dB/cm, det er betydelig lavere. Dermed vil oppvarming fra HIFU eksponeringer i disse gels være lavere enn ville være observert i bløtvev. Det har blitt demonstrert at tillegg av glassperler å gel øker balansering ligner på bløtvev25. I dette programmet er denne imidlertid ikke mulig disse perlene ville handle en nucleation kildene kavitasjon aktivitet selv i fravær av nanopartikler, og dermed fremstille kavitasjon terskelen. Når du sammenligner effektiviteten oppvarming for resultatene fra studien av Choi et al. (2013) 25, termisk lesjoner ble generert på topp pressure celleområder 14 til 23 MPa (det er ikke oppgitt Hvis dette var topp positive eller negative trykket). Som dette ble utført på 1,1 MHz, var demping i the phantoms lavere enn i denne studien. Likevel kunne hydrogenion-nucleated tilnærming i denne studien generere termisk lesjoner i disse phantoms på trykk alt fra 1,19 til 3.19 MPa, følgelig demonstrere en økt effektivitet over gjeldende metoder.
Fremtidige tester for denne metoden bør foretas i en i vivo modell å innlemme svulst reduksjon, vevsperfusjon, molekylær målretting av nanopartikler og relevante akustisk demping parametere.
Disclosures
Forfatteren har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av EPSRC gi EP/J021156/1. Forfatteren ønsker å erkjenne støtte fra en tidlig karriere Leverhulme fellesskap (ECF-2013-247).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Single Element HIFU transducer | Sonic Concepts | H-102 | |
| 55dB Power Amplifier | E&I | A300 | |
| Function Generator | Keysight Technologies | 33250A | |
| Differential Membrane Hydrophone | Precision Acoustics Ltd | ||
| TTL Pulse Generator | Quantum Composers | 9524 | |
| Nd:YAG Pulse Laser | Continuum | Surelite I-10 | |
| OPO Plus | Continuum | Surelite | |
| Fibre Bundle | Thorlabs Inc | BF20LSMA01 | |
| Energy Sensor | Thorlabs Inc | ES145C | |
| Nanorods | Nanopartz | A12-40-850 | |
| Broadband detector | Sonic Concepts | Y-102 | |
| 5 MHz high pass filter | Allen Avionics | ||
| 40dB preamplifier | Spectrum GmbH | SPA.1411 | |
| 14-bit data acquisition card | Spectrum GmbH | M4i.4420x8 | |
| Deionised Filtered Water | MilliQ | ||
| Acrylamide/Bis-acrylamide solution | Sigma Aldrich | A9927 | |
| 1 mol/L TRIS Buffer | Sigma Aldrich | T2694 | |
| Ammonium Persulfate | Sigma Aldrich | A3678 | |
| Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A7906 | |
| TEMED | Sigma Aldrich | T9281 | |
| 3D printer | CEL-UK | Robox | |
| 3-axis positioning system | Zolix | ||
| Digital Microscope | Dino-lite | AM4113TL | |
| Water Tank | Muji | Acrylic Tank | |
| Optical Components | Thorlabs Inc | Various | |
| Optomechanical Components | Thorlabs Inc | Various | |
| BNC Cables | RS | ||
| Desktop PC | Custom Made | ||
| Hotplate Stirrer | Fisher | ||
| SBench6 | Spectrum GmbH | Measurement software |
References
- Ter Haar, G. Ultrasound focal beam surgery. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).
- Kennedy, J. E. High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours. Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Neppiras, E. A. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).
- 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).
- Leighton, T. The Acoustic Bubble. , Academic Press. (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).
- 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).
- Li, W., Chen, X. Gold nanoparticles for photoacoustic imaging. Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).
- 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).
- ANSI. Z136. 1. American national standard for the safe use of lasers. , American National Standards Institute, Inc. New York. (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
