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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av EPSRC gi EP/J021156/1. Forfatteren ønsker å erkjenne støtte fra en tidlig karriere Leverhulme fellesskap (ECF-2013-247).
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.4420×8 | |
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 |