Summary
Denne protokol viser den kontrollerbare Nukleering af kavitation i gel phantoms, gennem samtidig eksponering for både nær-infrarødt pulserende laser lys og høj intensitet fokuseret ultralyd (HIFU). Kavitation aktivitet kan derefter bruges til at styrke billedbehandling og/eller terapeutiske anvendelser af HIFU.
Abstract
I denne undersøgelse, var plasmonic guld nanopartikler samtidig udsat for pulserende nær-infrarød laser lys og høj intensitet fokuseret ultralyd (HIFU) for kavitation i væv-efterligne gel phantoms kontrollerbare Nukleering. Denne in vitro- protokol blev udviklet for at bevise gennemførligheden af denne fremgangsmåde, for både forbedring af imaging og terapeutiske applikationer til kræft. Samme apparatur kan bruges til både billedbehandling og terapeutiske anvendelser af varierende eksponeringsvarighed HIFU system. For kortvarige eksponeringer (10 µs), blev bredbånd akustiske emissioner genereret gennem den kontrollerede Nukleering af inertial kavitation omkring den guld nanopartikler. Disse emissioner giver direkte lokalisering af nanopartikler. For fremtidige ansøgninger, disse partikler kan være functionalized med Molekylær målretning antistoffer (f.eks. anti-HER2 for brystkræft) og kan give præcise lokalisering af kræft regioner, som supplerer rutine diagnostisk ultralyd imaging. For kontinuert bølge (CW) engagementer, blev kavitation aktivitet brugt til at øge den lokaliserede varme fra HIFU engagementer resulterer i større termisk skade i gel spøgelser. De akustiske emissioner fra inertial kavitation aktivitet under disse CW engagementer var overvåges ved hjælp af en passiv kavitation detektionssystem (PCD) for at give feedback kavitation aktivitet. Øget lokaliserede varme var kun opnås gennem en unik kombination af nanopartikler, laserlys og HIFU. Yderligere validering af denne teknik i prækliniske modeller af kræft er nødvendige.
Introduction
Høj intensitet fokuseret ultralyd (HIFU), eller fokuseret ultralyd kirurgi (FUS), er en ikke-ioniserende og ikke-invasiv teknik, der bruges til den termiske ablation af subkutane væv1. HIFU primære anvendelse er i behandling af blødt væv tumorer2, men det begyndt at blive brugt til andre programmer, såsom behandling af knogle tumorer3 eller neurologiske tilstande4. Der er to hovedfaktorer, der begrænser den udbredte brug af HIFU i klinikken: for det første vanskeligheder med behandling vejledning og for det andet, lang behandling gange5. Kombinationen af HIFU, pulserende laser belysning og plasmonic guld nanorods beskrevet ved denne metode kunne give en måde at overvinde de nuværende begrænsninger for HIFU6.
Under HIFU eksponeringer er den dominerende mekanisme af væv ablation termisk skade. Kavitation aktivitet kan imidlertid også spille en rolle8. Kavitation aktivitet, der opstår under HIFU engagementer kan bestå af både mekanisk og/eller termisk medieret kavitation. Mekanisk medieret kavitation er generelt omtales som akustisk kavitation7, som er yderligere subcategorized som bobler gennemgår enten ikke-inerti eller inertial9 adfærd. Termisk medieret kavitation er fra dannelsen af gas lommer, gennem ex-løsning eller fordampning, og er almindeligvis omtales som «kogning'10. Kavitation aktivitet, mest almindeligt inertial kavitation, har vist sig at øge den termiske varme satser opnås gennem HIFU engagementer11 og således hjælpe adresse, en af dens centrale begrænsninger. Dannelse og aktivitet af kavitation under HIFU eksponeringer kan være uforudsigelig, og føre til negative virkninger såsom behandling over regioner, eller asymmetrisk termisk ablation12. For at kontrollere kavitation aktivitet under HIFU engagementer, er indførelsen af eksterne kerner blevet undersøgt. Disse kan tage form af mikrobobler13, faseskift nanoemulsions14 eller plasmonic nanopartikler15. Både mikrobobler og nanoemulsions har vist sig at forbedre signal-støj til billedbehandling og forbedrede termiske ablations. Dog betyder deres forbigående natur, at de har begrænset funktionalitet over gentagne HIFU engagementer. Overvågning af kavitation aktivitet under HIFU engagementer er gjort ved hjælp af enten aktivt eller passivt kavitation påvisning (ACD eller PCD, henholdsvis). PCD er en yndet teknik til kavitation påvisning, da det kan udføres samtidig med HIFU engagementer og giver spektrale oplysninger om indhold. Denne spektrale indhold kan derefter analyseres yderligere for at identificere typen kavitation aktivitet forekommer16. Bredbånd akustiske emissioner anvendes, da disse emissioner er unikke for tilstedeværelsen af inertial kavitation10 og er forbundet med øget HIFU varme11.
Photoacoustic imaging (PAI) er en spirende kliniske imaging teknik17, som kombinerer pulserende laser excitation spektrale selektivitet med den høje opløsning på ultrasound imaging18. Det har tidligere været brugt til at guide HIFU engagementer19, men denne billeddannelse teknik er begrænset af indtrængningsdybde af laserlys. Plasmonic guld nanopartikler kan bruges til at fungere som 'kontrastmidler» øge den lokale absorption af laserlys og efterfølgende amplitude af photoacoustic emissioner20. For tilstrækkelig høj laser præge er det muligt at forårsage generation af mikroskopiske vapor bobler, der kan bruges til meget lokaliseret billedbehandling21. Men disse eksponeringsniveauer typisk overskrider den maksimalt tilladte eksponering for brug af laserlys i mennesker22, og dermed har begrænset anvendelse. Metoden anvendt i denne undersøgelse har tidligere vist, at ved samtidig udsætter den plasmonic nanopartikler til begge laser belysning og HIFU, laser fluens og akustisk pres skulle samme disse lille vapor bobler er dramatisk reduceret, og signal-støj-forholdet for billedbehandling er øget23. En metode er beskrevet her til at kombinere plasmonic nanopartikler med både laser og HIFU engagementer for en meget styrbar teknik for Nukleering og aktivitet af vapor bobler.
Protocol
1. Vævscentre efterligne Phantom fremstilling
Bemærk: En grundig analyse af de akustiske egenskaber af optisk gennemsigtige væv-efterligne phantom anvendes for alle engagementer i denne undersøgelse kan findes i Choi, et al. 24
Bemærk: Hvert fantom skimmel indeholder ca. 50 mL af opløsning, og for hvert parti alt af fem forme er fyldt. Således er ialt 250 mL af phantom løsning parat.
- Tilføje 148.2 mL (60% v/v) af afgassede, deioniseret vand og filtreret vand til en 500 mL glas bægerglas og lad Blandingen henstår til stuetemperatur. Tilsættes 75 mL 40% (vægt/volumen) acrylamid/Bis-acrylamid løsning (30% v/v) over i bægerglasset, glas, efterfulgt af 25 mL 1 M TRIS buffer, pH 8 (10% v/v) og 2,15 mL 10% ammonium persulfat (APS, 0,86% v/v).
- Bægerglasset glas anbringes inde i et vakuum kammer, der er beliggende på en magnetomrører plade, og placere en 40 mm lange polytetrafluorethylen (PTFE) magnetiske omrøring bar inde i bægerglasset. Med en mellemlang omrøring hastighed (dvs. sikre god blanding uden for dannelsen af vortex i vandet), langsomt tilføje 22,5 g (9% w/v) af bovint serumalbumin (BSA) pulver.
- Når alle BSA har føjet til løsningen, lukke den vakuumkammer og tænde vakuumpumpen. Opretholde et vakuum af 80 mBar/H og fortsætte omrøring for en yderligere 60 min, efter hvilken udgivelse vakuum. På dette tidspunkt bør løsningen være klar med en svag gul farve.
- Den ovenfor metode er den samme for phantoms både med og uden nanopartikler. Hvis nanopartikler er påkrævet, tilføje 10 µL (koncentration af 1 x 108 np/mL) af nanorods, der har en overflade plasmon resonans (SPR) på 850 nm og en diameter på 40 nm.
- Endelig, tilføje 125 µL af tetramethylethylenediamine (TEMED) til at katalysere polymerisering af fantomet. Vente en yderligere 5 min at give mulighed for blanding, så hæld den phantom løsning i 5 individuelle forme og vente 20 min til at indstille. Når de er indstillet, fjerne dem fra indehaverne og opbevares i en lufttæt beholder indtil brug. Bruge phantoms inden for 24 timer af fremstilling.
2. kalibrering af HIFU transducere frit felt akustiske pres
Bemærk: Denne del af protokollen er ikke nødvendig før hver lesioning/imaging eksperiment. Det er en kalibrering procedure skal udføres med regelmæssige mellemrum at sikre akustisk output af systemet er korrekte.
- Fyld en akryl vandtank (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L deioniseret vand og afgassede vand. Montere HIFU transducer på en fast position post i den ene ende af tanken, står i. Parallelt med denne, montere en kalibreret (udført af de nationale laboratorier, der fysisk) membran audit på en tre-akse manuel mikrometer scene på det omtrentlige omdrejningspunktet for HIFU transducer (63 mm).
- Tilslut HIFU transducer (geometriske fokusere 63 mm) til impedans matching kredsløb, derefter power forstærker (som vist i figur 1). Tilslut derefter membran audit direkte til dataoptegningssystem, at sikre, at et trigger signal tilbydes fra den funktionsgenerator forbundet til power amplifier (figur 1).
- Indstille output spænding på funktionsgenerator til 30 mV og med en 10 cyklus 3,3 MHz sinusbølge med en puls gentagelse frekvens på 100 Hz.
- Ved hjælp af måling software (Se Tabel af materialer) til at visualisere den detekterede akustisk signal og mikrometer fase, position detekterede akustiske pulsen på den korrekte tid for flyvning (42,5 µm). Bruger kun en enkelt radial retning ad gangen på stadiet mikrometer, maksimere de detekterede akustisk signal. Når sikker på dette er opnået, lukke software og forlade membran audit i sin nuværende stilling.
- Variere udgangsspænding af funktionsgenerator fra 20-400 mV i 20 mV intervaller. Ved hver spænding niveau og bruge signaler MatLab erhvervelse software, post audit. Erhverve 100 pulser på hvert niveau og konvertere fra spænding data i pres ved hjælp af den medfølgende kalibreringsdata. Gennemsnitlig data og måle både peak positive og negative værdier for alle output spændingsniveauer. Dette giver kalibreringsdata for frit felt peak undertryk skal bruges til både pulsen og fortsætter bølge undersøgelser.
3. konfiguration af eksperimentelle apparater til både pulserende og kontinuerlig bølge undersøgelser
- Fyld en akryl vandtank (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L deioniseret vand og afgassede vand. Montere HIFU transducer og co justeret bredbånd audit på en tre-akse manuel mikrometer scene. Derefter nedsænkes fuldt transducer og audit i vandtanken. En skematisk af dette er vist i figur 1.
- Tilslut HIFU transducer til en impedans matching kredsløb, til at blive drevet på sin tredje harmoniske (3,3 MHz). Dette kredsløb er forbundet direkte til udgangsstikket på en RF power forstærker. En digital funktionsgenerator er forbundet til input af power forstærker og programmeret fjernt.
- Forud for engagementer i phantom materiale, skal du bruge en kalibreret differential membran audit for at måle peak undertryk genereret fra dette system for en given indgangsspænding på funktionsgenerator som beskrevet i 2. Brug disse værdier af spænding til at indstille den nødvendige pres på den digitale funktionsgenerator.
- Tilslut den broadband audit (geometriske fokusere 63 mm) som har til huse i det centrale blænde af HIFU transduceren direkte til en 5 MHz high pass filter. Forbind den derefter til en 14-bit data erhvervelse card (DAQ) via en 40 dB forforstærker. Sikre, at filteret Højpas er forbundet med den korrekte bias.
Bemærk: Dette kort blev installeret i en desktop-PC og bruges til at styre alle hardware (eksempler på denne software kan findes som supplerende filer) og gemme data til off-line forarbejdning i denne undersøgelse. - Tilslut en transistor-transistor logic (TTL) digital forsinkelse pulse generator med bajonet Neill-Concelman (BNC) kabler til både pulserende laser system og funktion generator til at sikre synkroniseringen mellem disse systemer, som sikrer, at 7 ns laser Pulse er sammenfaldende i regionen mål under den fjerde rarefaction peak fra HIFU transducer.
- Ved hjælp af metoden beskrevet i 1, Udelad BSA og nanopartikler til at foretage en justering fantom, som er standard phantom materiale, der indeholder en 1 mm sfæriske metallisk mål (et kugleleje). Hæld 25 mL af phantom materiale i en form for at opnå dette, og tilføje 62,5 µl TEMED katalysator, så vent ca. 20 min. til at indstille. Derefter placere den metalliske mål centralt i phantom og tilsættes yderligere 25 mL af phantom løsning efterfulgt af 62,5 µl TEMED katalysator og en yderligere 20 min. vente.
- Placere justeringen fantom i 3D-trykte indehaveren6, montere på en automatiseret 3D-scenen, og cirka Placer, så metallisk målet er på fokale toppen af HIFU transducer.
- Bruger HIFU transducer til at sende ud en kort varighed 10 cyklus burst (3 µs) og audit at modtage (tilsluttet direkte til kortet DAQ), er placering i forhold til justeringen målet optimeret gennem pulse-echo placering. Sand gang opdaget signal vises på computeren. Justere tid for flyvning og signal amplitude ved hjælp af manuel mikrometer scenen, HIFU transducer og audit er monteret på. Når tidspunktet for flyvning er sat til 85 µs (en enkelt rundtur) og signal amplituden har været maksimeret i begge radial retninger, vil dette system blive justeret.
- Par den optiske energi fra den optiske parametrisk oscillator (OPO) pumpet af 532 nm nanosekund pulserende laser i phantom ved hjælp af et 2 mm fiber bundt. Montere denne fiber ind på en anden mikrometer fase og position i en vinkel af 45˚ fra den akustiske akse foran phantom (figur 1). Bølgelængde af laserlys er indstillet til 680 nm skal være synlige for justering. Når synlig, Placer laser belysning med stadiet mikrometer således, at justeringen målet er centrale i en 15 mm diameter laser spot.
- Placer 20-90 x digital mikroskop (arbejder afstand 90 mm) og en hvid lyskilde på modsatte sider af vandbeholderen vinkelret formering af HIFU transducer. Mikroskop er monteret på en lille mikrometer scene. Anbring den sådan, at metallisk justeringen målrettet er central og i fokus i dens synsfelt (5 x 6 mm).
Bemærk: Efter ovennævnte procedure er afsluttet, alle elementer i dette system (HIFU transducer, audit, laser belysning og mikroskop) er nu Co justeret til en bestemt placering. Justeringen fantom kan nu erstattes med væv-efterligne phantoms bruges til undersøgelsen. Som phantom er monteret i en holder fastgjort til en 3D-positioning system, kan forskellige regioner være målrettet samtidig opretholde justering.
4. kavitation tærskel opdagelse fra pulserende HIFU engagementer
Bemærk: Den følgende fremgangsmåde er den samme for spøgelser med eller uden nanopartikler, og bør gentages tre gange.
- Sikre at PCD-system er tilsluttet efter bliver afbrudt under justering proceduren beskrevet i 3,8 og tune laser bølgelængde til SPR af nanopartikler. Bruger en brugerdefineret kontrolelement, indstille funktionsgenerator til at producere en 10 cyklus (3 µs) HIFU brast, der synkroniseres med Lasersystemet. Også bruge dette program til at indstille en laser fluens 0,4, 1.1, 2.1 eller 3,4 mJ/cm2 selvom ændre timingen mellem udløsning af flash lampe fyring og Q-switch åbning i laser system.
- Målrette den fokale peak HIFU system 10 mm dybt ind i phantom og på 13 unikke beliggenheder, fordelt med 5 mm i lodret retning. I hver af disse steder skal du udføre en eksponering på en enkelt peak HIFU undertryk, med de fire laser præge angivet i punkt 4.2.
- Brug rækken af peak negative presser 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 de følgende eksponeringsforhold: laser på i en nanopartikel gratis phantom, laser off i en nanopartikel phantom og laser på i en nanopartikel Phantom. For at simulere en "fingeret" laser eksponering, kører systemet som beskrevet, men lukket manuel lukkeren på outputtet af OPO. Denne tilgang vil sikre, at enhver RF støj genereret stadig vil være til stede til PCD-systemet.
- Programmere alle indstillinger og eksponering positioner ind i programmet kontrol, så Udfør for at udføre disse målinger. PCD data er digitaliseret og lagret direkte ved hjælp af erhvervelse datakort til efterbehandling. 500 Gentag for hver parameter, eksponering, engagementer, der er erhvervet6.
- Bredbånd procesemissioner opdaget af PCD system fra kortvarige HIFU engagementer i phantoms ved hjælp af den teknik beskrevet af McLaughlan et al. (2017) 6.
5. termisk denaturering fra kontinuerlig bølge HIFU engagementer
Bemærk: Den følgende fremgangsmåde er den samme for spøgelser med eller uden nanopartikler og blev gentaget tre gange.
- Angiv Lasersystemet til at give en fluens 3,4 mJ/cm2 og funktionsgenerator til at give en CW eksponering (hver 330.000-cyklus burst er synkroniseret med en laser puls). 11 unikke steder i phantom, Vælg peak undertryk 0,20, 0,62, 0,91, 1.19, 1,43, 1,69, 1,92, 2,13, 2,34, 2,53 eller 2,71 MPA.
- Bruge en samlet eksponeringstid 17 s for at erhverve 1s af baseline før og efter en 15 s CW HIFU eksponering i phantom. Under dette samlede eksponeringstid optager dataoptegningssystem PCD data. Mikroskop er forbundet med kontrolelementet PC og billedrammer registreres under denne tid at give en direkte visualisering af termisk læsion dannelse.
- Gentag processen i 4.3 for alle de forskellige eksponeringsforhold skitseret i 4.4.
- Behandle alle PCD data offline til at beregne inertial kavitation dosis25 for hver eksponering.
Representative Results
Kavitation opdagelse fra pulserende HIFU engagementer
Passiv kavitation detektionssystem indspillet spænding/tid data for de vifte af HIFU og laser engagementer i begge phantoms med og uden nanopartikler. Figur 2 viser de repræsentative resultater for en vifte af engagementer. Tidsskalaer på disse arealer er afkortet for at fremhæve de områder, hvor forventes bredbånd akustiske emissioner, tid på flugt af disse emissioner. Figur 2 viser, at det er kun, når der er en kombination af nanopartikler, HIFU eksponering og laser belysningsstyrke, bredbånd emissioner registreres. Dette er dog stadig en tærskel fænomen, som på den lavere akustisk Tryk for figur 2 h bredbånd emissioner ikke blev fundet. Varigheden af disse emissioner svare typisk til længden af HIFU eksponering, som var omkring 10 µs i denne undersøgelse.
Termisk denaturering fra en CW HIFU eksponering
Figur 3 viser en række rammer erhvervet fra universal serial bus (USB) kamera under en enkelt HIFU eksponering med laser belysningsstyrke, for de tre forskellige eksponeringer (med/uden laser belysning og/eller nanopartikler). Denne figur viser et eksempel på dannelsen af termisk læsioner i gel-phantoms for hver af disse betingelser. I denne visning HIFU opstår eksponering fra venstre mod højre. For eksempel vist i figur 3 peak var undertryk 2,53 MPa, som var den øverste kant af hvad der blev brugt i denne undersøgelse.
Optagelse inertial kavitation dosis (ICD) fra CW HIFU engagementer
Figur 4 viser repræsentative resultater fra beregningen af ICD registreres under CW HIFU engagementer. Disse data var indlæg behandlet fra emissioner registreres af PCD system under eksponeringen. Tal 4a, 4 c, og 4e vis at på lavere peak undertryk, ingen bredbånd emissioner blev opdaget, hvor tallene 4b, d, og f viser, at ICD er optaget i hele eksponeringen. De højeste ICD signaler blev observeret under eksponering i en gel, der indeholder nanopartikler med både HIFU og laser eksponeringer (figur 4f).
Figur 1. En skematisk fremstilling af den eksperimentelle apparater, der anvendes i denne undersøgelse. Klarhed, USB mikroskop og lyskilden er udeladt, men regionen visning illustreres af en blå stiplet boks. CNC - Computer numeriske styrings, AuNR - guld nanorods. Figur tilpasset fra McLaughlan et al. (2017) 6. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Et eksempel på spænding sporene optaget med passiv kavitation detection system under korte HIFU eksponeringer, med/uden samtidige laser belysningsstyrke. Når det bruges, var laser fluens 2,1 mJ/cm2 med peak undertryk (a-c) 3.0, (d-f) 2.13 og (g-i) 1.43 MPa. LS - laser, NR - nanopartikler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Enkelte rammer til tider 0, 5, 10 og 15 s under en HIFU eksponering indspillet af USB mikroskop. Laser fluens var 3,4 mJ/cm2 og peak undertryk 2,53 MPA. Rækkefølge (a) var med laser eksponering og i en phantom uden nanopartikler, (b) er uden laser eksponering og i en phantom indeholdende nanopartikler og c har både laser belysning og en phantom indeholdende nanopartikler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Beregnet inertial kavitation dosis (ICD) optaget under eksponeringer (a, b, e & f) med og (c & d) uden laser belysningsstyrke. Peak undertryk var enten (a, c, & e) 0.91 eller (b, d, & f) 2.53 MPa. Phantom anvendes i (en & b) indeholdt ikke nogen nanopartikler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Denne protokol er opdelt i fire separate sektioner, der beskriver fremstilling af væv-efterligne phantom gennem CW engagementer i dem til at producere termisk genererede denaturering. Denne denaturering af phantoms simulerer termisk genererede koagulation nekrose opleves af blødt væv udsat for HIFU1. I deres fremstilling er det vigtigt at sikre, at forholdet mellem APS og TEMED er sådan, at processen ikke katalysere for hurtigt. Da denne proces er eksoterme, jo hurtigere denne sats, jo højere temperaturen nåede25 og således kunne denaturere BSA proteiner inden eksponering. Forholdet mellem APS til TEMED i denne protokol er blevet indstillet, så det ikke bør forekomme, men formene kunne placeres i isvand under polymeriserende af gel til yderligere minimere denne mulighed.
Da denne protokol fokuserer på Nukleering af kavitation gennem kombinerer nanopartikler, laser Illuminationer og HIFU eksponering, er et kritisk skridt i fremstilling af gel phantoms at degas dem under vakuum i mindst 30 min. Når udsat for HIFU (især CW engagementer), selvom en termisk læsion ikke var til stede, er det vigtigt at målrette en frisk placering i gel phantoms at undgå forudbestående kerner. Når flytter phantom bruger computeren styres oversættelsessystem er det vigtigt at sikre, at dybden af HIFU fokus (og dermed tilpasset regionen) holdes konsekvent. Dette sikrer, at HIFU pres og laser fluens niveauer er ens for hver parameter for specifikke eksponering. Til denne protokol og efter den oprindelige placering af phantom indehaveren, er det så kun oversat i den lodrette akse.
Temperatur-følsomme væv-efterligne geler anvendes bredt af HIFU forskning EF25, da de giver en visuel mekanisme til overvågning af dannelsen af en termisk læsion. Denne undersøgelse var det første eksempel kombinere dem med nanopartikler og ekstraudstyr til læsion dannelse gennem kontrolleret kavitation aktivitet. Selv om de er klassificeret som væv-efterligne for deres reaktion på temperatur, er både deres optisk og akustisk dæmpning dog ikke. På grund af nødvendigheden af at visualisere læsion dannelse i geler, er phantoms nær gennemsigtig med en lille gul tint. Som laser fluens er justeret til konto til dette, betyder det, at laserlys lysende regionen mål er kollimeres snarere end diffuserende, som ville være for normale væv. Således at give mulighed for klinisk oversættelse flere belysning kilder ville være nødvendige for at sikre nok fluens på overfladen. I øjeblikket overholder dette arbejde retningslinjerne22 for sikker brug af lasere, når de udsættes for at huden. Det ville begrænse den maksimale laser fluens opnåeligt på dybde; således, denne teknik ville oprindeligt være velegnet til behandling af overfladiske kræftformer såsom bryst, eller hoved og hals. Derudover kunne plasmonic nanopartikler målrettet mod overfladen receptorer for disse typer af kræft give øget selektivitet i behandlinger. Men selv om dette er et meget aktivt område for forskning, ingen sådanne partikler i øjeblikket er godkendt til klinisk brug.
Den akustisk dæmpning af spøgelser med nanopartikler blev målt til at være 0.7±0.2 dB/cm6, og sammenlignet med værdien for blødt væv af 3-4 dB/cm, det er betydeligt lavere. Varme fra HIFU engagementer i disse gels ville således være lavere end ville blive overholdt i blødt væv. Det er blevet påvist, at tilsætning af glasperler til gel øger dæmpning niveauer svarende til bløddele25. I denne ansøgning er denne fremgangsmåde imidlertid ikke muligt som disse perler ville handle en Nukleering kilder for kavitation aktivitet selv i mangel af nanopartikler, og dermed fordreje kavitation tærskel. Når man sammenligner varmeeffekt for med resultater fra undersøgelsen af Choi et al. (2013) 25, termisk læsioner blev genereret på peak tryk intervaller af 14-23 MPa (det hedder ikke hvis dette var peak positivt eller negativt tryk). Da dette var udført på 1,1 MHz, var dæmpning i phantoms lavere end anvendes i denne undersøgelse. Ikke desto mindre var nanopartikel-nukleeret tilgang i denne undersøgelse i stand til at generere termisk læsioner i disse spøgelser på pres lige fra 1.19 3.19 MPA, således demonstrere en øget effektivitet over nuværende metoder.
Fremtidige test for denne metode bør foretages på en i vivo model til at inkorporere tumor reduktion, væv perfusion, Molekylær målretning af nanopartikler og relevante akustisk dæmpning parametre.
Disclosures
Forfatteren har intet at videregive.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af EPSRC give EP/J021156/1. Forfatteren vil gerne anerkende støtte fra en tidlig karriere Leverhulme fellowship (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).
