Summary
Detta protokoll visar kontrollerbar kärnbildning av kavitation i gel phantoms, genom samtidig exponering för både nära infrarött pulsad laser ljus och hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU). Aktiviteten kavitation kan sedan användas för att förbättra imaging och/eller terapeutiska användningar av HIFU.
Abstract
I denna studie var plasmoniska Guldnanopartiklar samtidigt utsatt för pulsad nära-infraröd laser ljus och hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU) för kontrollerbar kärnbildning av kavitation i vävnad-härma gel fantomer. In vitro- protokollet utvecklades för att demonstrera genomförbarheten av denna strategi, för både förbättring av imaging och terapeutiska tillämpningar för cancer. Samma utrustning kan användas för både bildhantering och terapeutiska tillämpningar av varierande exponeringens varaktighet av HIFU systemet. För korta exponeringar (10 µs) genererades akustisk bredbandsstrålning genom kontrollerad kärnbildning av tröghetsbaserad kavitation runt Guldnanopartiklar. Dessa utsläpp ger direkta lokalisering av nanopartiklar. För framtida tillämpningar, dessa partiklar kan vara functionalized med molekylär inriktning antikroppar (t.ex. anti-HER2 för bröstcancer) och kan ge exakt lokalisering av cancerogena regioner, komplettera rutinmässig diagnostisk ultraljudsundersökningar. För kontinuerlig våg (CW) exponeringar användes aktiviteten kavitation öka lokaliserad uppvärmning från HIFU exponeringar vilket resulterar i större värmeskador i gel phantoms. De akustiska utsläpp som genereras från tröghetsbaserad kavitation aktivitet under dessa CW exponeringar övervakades med hjälp av en passiv kavitation-detektionssystem (PCD) ge feedback av kavitation aktivitet. Ökad lokaliserad uppvärmning uppnåddes endast genom den unika kombinationen av nanopartiklar, laserljus och HIFU. Ytterligare validering av denna teknik i prekliniska modeller av cancer är nödvändigt.
Introduction
Hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU), eller fokuserat ultraljud kirurgi (FUS), är en icke-joniserande och icke-invasiv teknik som används för termisk ablation av subkutan vävnad1. Den huvudsakliga användningen av HIFU är vid behandling av mjuk vävnad tumörer2, men det börjar användas för andra applikationer, såsom behandling av ben tumörer3 eller neurologiska villkor4. Det finns två huvudsakliga faktorer som begränsar den utbredda användningen av HIFU i kliniken: för det första, svårigheter i behandling vägledning och för det andra, lång behandling gånger5. Kombinationen av HIFU, pulsad laser belysning och plasmoniska guld nanorör beskrivs av denna metod skulle ge ett sätt att övervinna de nuvarande begränsningarna för HIFU6.
Under HIFU exponeringar är dominerande mekanismen för vävnad ablation termisk skada. Kavitation aktivitet kan dock också spela en roll8. Kavitation aktivitet som sker under HIFU exponeringar kan bestå av både mekaniskt och termiskt medierad kavitation. Mekaniskt medierad kavitation benämns allmänt akustiska kavitation7, vilket är ytterligare subcategorized som bubblor som genomgår antingen icke-inertial eller tröghetsbaserad9 beteende. Termiskt medierad kavitation är från bildandet av gasfickor, genom ex-lösning eller förångning, och är vanligtvis kallas 'kokande'10. Kavitation aktivitet, mest vanligen tröghetsbaserad kavitation, har visat sig förbättra den termiska värme priser kan uppnås genom HIFU exponeringar11 och därmed hjälpa adress en av dess viktiga begränsningar. Dock av bildandet och aktiviteten av kavitation under HIFU exponeringar kan vara oförutsägbar och leda till negativa effekter såsom över behandlade områden, eller asymmetrisk termisk ablation12. För att kontrollera kavitation aktivitet under HIFU exponeringar, har införandet av externa kärnor undersökts. Dessa kan ta form av mikrobubblor13, fasförskjutning nanoemulsions14 eller plasmoniska nanopartiklar15. Både mikrobubblor och nanoemulsions har visat sig förbättra signal-brus för bildhantering och förbättrad termisk ablationer. Men innebär deras övergående natur de har begränsad funktionalitet över upprepade HIFU exponeringar. Övervakning av kavitation aktivitet under HIFU exponeringar sker med antingen aktiv eller passiv kavitation identifiering (ACD eller PCD, respektive). PCD är en gynnade teknik för detektering av kavitation, som den kan utföras samtidigt med HIFU exponeringar och ger spektrala innehållsinformationen. Spektrala innehållet kan sedan analyseras ytterligare för att identifiera vilken typ av kavitation aktivitet inträffar16. Akustiska bredbandsstrålning används, eftersom dessa utsläpp är unika för förekomsten av tröghetsbaserad kavitation10 och är kopplade till förbättrad HIFU värme11.
Photoacoustic imaging (PAI) är en framväxande kliniska imaging teknik17, som kombinerar den spektrala selektiviteten av pulsad laser excitation med den höga upplösningen av ultraljud imaging18. Det har tidigare använts för att vägleda HIFU exponeringar19, men denna bildteknik begränsas av genomträngningsdjupet av laserljus. Plasmoniska guld nanopartiklar kan användas för att fungera som 'kontrastmedel' öka lokala absorptionen av laserljus och därefter amplituden av photoacoustic utsläpp20. För tillräckligt hög laser influenser är det möjligt att orsaka generering av mikroskopiska ånga bubblor som kan användas för mycket lokaliserad imaging21. Men dessa exponeringsnivåer normalt överstiga högsta tillåtna gränsvärdet för användning av laserljuset som i människor22, och således har begränsad användning. Den metod som används i denna studie har tidigare visat att genom att samtidigt exponera de plasmoniska nanopartiklarna till både laser belysning och HIFU, laser fluence och akustiska trycket som behövs för att kärnbildas dessa små ånga bubblor är dramatiskt minskat, och signal-brus-förhållandet för avbildning är ökad23. En metod som beskrivs här för att kombinera plasmoniska nanopartiklar med både laser och HIFU exponeringar för en mycket kontrollerbar teknik för kärnbildning och aktivitet av ånga bubblor.
Protocol
1. vävnad härma Phantom tillverkning
Obs: En fördjupad analys av de akustiska egenskaperna för optiskt genomskinlig vävnad-härma Fantomen används för alla exponeringar i denna studie kan hittas i Choi, o.a. 24
Obs: Varje phantom mögel innehåller cirka 50 mL lösning, och för varje parti sammanlagt fem formarna är fyllda. Således är sammanlagt 250 mL phantom lösning beredd.
- Lägg till 148,2 mL (60% v/v) avjoniserat, filtrerade och avgasade vatten till en 500 mL glasbägare och lämna temperera vid rumstemperatur. Tillsätt 75 mL 40% (vikt/volym) akrylamid/Bis-akrylamid lösning (30% v/v) i bägaren som glas, följt av 25 mL 1 M TRIS buffert, pH 8 (10% v/v) och 2.15 mL 10% ammonium persulfatoxidation (APS; 0,86% v/v).
- Placera glasbägaren inuti en vakuumkammare som ligger på en magnetomrörare tallrik och placera en 40 mm lång polytetrafluoreten (PTFE) magnetisk omrörning bar inuti bägaren. Med ett medium omrörning hastighet (dvs. säkerställa bra blandning utan för bildandet av vortex i vattnet), Tillsätt långsamt 22,5 g (9% w/v) bovint serumalbumin (BSA) pulver.
- När alla BSA har lagts till lösningen, Stäng vakuumkammare och slå på vakuumpumpen. Upprätthålla ett vakuum av 80 mBar/H och Fortsätt röra i ytterligare 60 minuter, efter vilken release vakuum. På denna punkt bör lösningen vara klar med en liten gul nyans.
- Metoden ovan är samma för fantomer gjort både med och utan nanopartiklar. Om nanopartiklar krävs, tillsätt 10 µL (koncentration på 1 x 108 np/mL) av nanorör som har en ytan plasmon resonans (SPR) 850 nm och en diameter på 40 nm.
- Slutligen tillsätt 125 µL av tetramethylethylenediamine (TEMED) att katalysera polymerisation av Fantomen. Vänta ytterligare 5 minuter för blandning, då Häll 5 individuella formar phantom lösningen och vänta 20 min att ställa. När set, ta bort dem från innehavarna och förvara i en lufttät behållare fram till användning. Använd fantomer inom 24 timmar efter tillverkningen.
2. kalibrering av HIFU givare fritt fält akustiska trycket
Obs: Denna del av protokollet är inte nödvändigt innan varje lesioning/imaging experiment. Det är en kalibrering ska utföras med jämna mellanrum att säkerställa akustiska systemet är korrekt.
- Fyll en akryl vattenbehållaren (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L avjoniserat och avgasade vatten. Montera HIFU givaren på en fast position post i ena änden av tanken, inåt. Parallellt med detta, montera en kalibrerad (utförs av de nationella laboratorier som fysisk) membran hydrofon till en tre-axeln manuell mikrometer scenen på ungefärliga brännpunkten i HIFU givaren (63 mm).
- Anslut HIFU givaren (geometriska fokusera 63 mm) till impedans matchning krets, sedan slutsteg (som visas i figur 1). Anslut sedan den membran hydrofon direkt till datainsamlingssystemet, säkerställa att en trigger signal tillhandahålls från den funktionsgenerator kopplad till effektförstärkaren (figur 1).
- Ange den tillverkade spänningen av funktionsgenerator till 30 mV, med en 10 cykel 3.3 MHz sinuskurva puls upprepning frekvensen 100 Hz.
- Med hjälp av mätning programvara (se Tabell för material) för att visualisera den upptäckta akustisk signalen och mikrometer scenen, placera den upptäckta akustisk pulsen vid rätt tid för flygning (42,5 µm). Använder endast en radiell riktning i taget på Mikrometern scenen, maximera den upptäckta akustisk signalen. När övertygad om detta har uppnåtts, stänga programmet och lämna den membran hydrofon i dess aktuella position.
- Variera den tillverkade spänningen av funktionen generatorn från 20-400 mV 20 mV ökningar. Vid varje spänning nivå och använda signaler programvaran förvärvet MatLab, posten hydrofon. Förvärva 100 pulser på varje nivå och konvertera från spänning data i tryck med hjälp av den medföljande kalibreringsdata. Genomsnitt data och mäta både de positiva och negativa toppvärden för alla utdata spänningsnivåer. Detta ger kalibreringsdata för fritt fält peak undertryck som ska användas för både pulsen och fortsätter våg studier.
3. Konfigurera experimentell apparat för båda pulsade och kontinuerlig våg studierna
- Fyll en akryl vattenbehållaren (280 x 141 x 132 mm) med 4,5 L avjoniserat och avgasade vatten. Montera HIFU givaren och den samtidig justerad bredband hydrofon till en tre-axeln manuell mikrometer scenen. Sedan, helt dränka den givaren och hydrofon i vattenbehållaren. En schematisk bild av detta visas i figur 1.
- Anslut HIFU givaren till en impedans matchning krets, att kunna drivas på dess tredje övertonen (3,3 MHz). Denna krets är ansluten direkt till produktionen av en RF förstärkare. En digital funktionsgenerator är ansluten till ingången på effektförstärkaren och programmerad distans.
- Före exponeringar i phantom material, använda en kalibrerad differentiell membran hydrofon för att mäta peak undertryck som genereras från detta system för en viss inspänning på funktion generatorn som beskrivs i 2. Använd dessa referensvärden för spänning Ställ erforderligt tryck på den digital funktionsgenerator.
- Anslut den bredband hydrofon (geometriska fokusera 63 mm) som ligger i centrala bländaren HIFU givarens direkt till ett högpassfilter på 5 MHz. Anslut den sedan till en 14-bitars data förvärv kort (DAQ) via en 40 dB förförstärkare. Kontrollera att filtret högpass är ansluten med rätt bias.
Obs: Detta kort installerades i en stationär dator och används för att styra all maskinvara (till exempel denna programvara kan hittas som kompletterande filer) och spara data för off-line bearbetning under denna studie. - Ansluta en transistor-transistor logic (TTL) digital delay pulsgenerator med bajonett Neill-Concelman (BNC) kablar till båda pulsad laser system och funktion generatorn att säkerställa synkroniseringen mellan dessa system, som kommer att säkerställa att 7 ns laser pulsen är sammanfallande i målregionen under fjärde förtunning toppen från HIFU givaren.
- Med den metod som beskrivs i 1, utelämna den BSA och nanopartiklar att göra en justering phantom, vilket är standard phantom material som innehåller ett 1 mm sfärisk metalliska mål (ett kullager). För att uppnå detta, Häll 25 mL av phantom material i en form och Lägg till 62,5 μl TEMED katalysator, sedan vänta ca 20 min att ställa. Sedan placera metalliska målet centralt i Fantomen och lägga till ytterligare 25 mL av phantom lösning följt av 62,5 μl TEMED katalysatorn och ytterligare 20 minuter vänta.
- Placera justeringen phantom i den 3D-utskrivna hållare6, montera på en automatiserad 3D-scenen och ungefärligt placera så att metalliskt målet är vid fokal toppen av HIFU givaren.
- Använda HIFU givaren för att skicka ut en kort varaktighet 10 cykel brast (3 µs) och den hydrofon ta emot (ansluten direkt till DAQ kortet), är position i förhållande till målet för justering optimerad genom puls-ekolod. Realtid upptäckt signal visas på datorn. Justera tiden för flygningen och signalen amplituden använder manuell mikrometer scenen som den HIFU givaren och hydrofon är monterad på. När flygtiden är inställd på 85 µs (en enda tur och retur) och signalen amplituden har maximerats i båda radiella riktningar, kommer detta system att anpassas.
- Par optiska energin från den optiska parametrisk oscillatorn (OPO) pumpas av 532 nm nanosekund pulsade färgämneslaserförstärkare i phantom använder en 2 mm fiber bundle. Montera denna fiber till en andra mikrometer steg och placera i en vinkel av 45˚ från den akustiska axeln framför Fantomen (figur 1). Våglängden av laserljuset är inställd på 680 nm ska vara synlig för justering. När synliga, placera laser belysning med mikrometer scenen så att målet för justering är central i en 15 mm diameter laser plats.
- Placera den 20-90 x digitala mikroskopet (arbeta avstånd 90 mm) och en vit ljuskälla på motsatta sidor av vattentanken vinkelrätt mot förökningen symmetriplan HIFU givaren. Mikroskopet är monterad på en liten mikrometer scen. Placera den så att metalliskt justeringen riktade är central och i fokus i dess synfält (5 x 6 mm).
Obs: Efter proceduren ovan är klar, alla delar av detta system (HIFU givaren, hydrofon, laser belysning och Mikroskop) nu samtidig anpassas till en specifik plats. Anpassningen phantom kan nu ersättas med vävnad-härma phantoms används för studien. Som Fantomen är monterade i en hållare som bifogas ett 3D-positioneringssystem, kan olika regioner riktas samtidigt justering.
4. kavitation tröskel upptäckt från pulsade HIFU exponeringar
Anmärkning: Följande procedur gäller för fantomer med eller utan nanopartiklar och bör upprepas tre gånger.
- Kontrollera att systemets PCD är ansluten efter kopplas till justering förfarandet beskrivs i 3,8 och finjustera laser våglängd att SPR av nanopartiklar. Använder en anpassad kontrollprogram, ange den funktionsgenerator att producera en 10 cykel (3 µs) HIFU burst, som synkroniseras med lasersystem. Använda detta program ställa en laser fluence 0,4, 1.1, 2.1 eller 3.4 mJ/cm2 men ändra tidpunkten mellan utlösning av blixt lampa bränning och Q-switch öppning i lasersystem.
- Rikta fokal toppen av HIFU systemet 10 mm djupt i Fantomen, och på 13 unika platser, fördelade med 5 mm, i vertikal riktning. I alla dessa platser att utföra en exponering vid en enskild topp HIFU undertryck, med de fyra laser influenser anges i 4.2.
- Användning spänna av peak negativa tryck 0, 0.91, 1.19, 1,43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2,53, 2,71, 2,83, 3.00 och 3.19 MPa för följande exponering villkor: laser på i en nanopartikel gratis phantom, laser off i en nanopartikel phantom och laser på i en nanopartikel Phantom. För att simulera en 'falsk' laser exponering, köra systemet som beskrivs, men stänga manuell slutaren på produktionen av OPO. Detta tillvägagångssätt kommer att se till att RF buller genereras fortfarande kommer att närvara i PCD-systemet.
- Programmera alla inställningar och exponering positioner i kontrollprogrammet, och sedan köras för att utföra dessa mätningar. PCD data digitaliseras och lagras direkt med förvärvet datakortet för efterbearbetning. För varje exponering parameter upprepa 500 exponeringar är förvärvade6.
- Bearbeta de bredbandsstrålning som upptäcks av PCD systemet från de kortvariga HIFU exponeringarna i phantoms med hjälp av teknik som beskrivs av McLaughlan o.a. (2017) 6.
5. termisk denaturering från kontinuerlig våg HIFU exponeringar
Obs: Följande procedur är samma för fantomer med eller utan nanopartiklar och upprepades tre gånger.
- Ställa in Lasersystemet ge en fluence 3,4 mJ/cm2 och den funktionsgenerator att ge en CW exponering (varje 330.000-cykel burst synkroniseras till en laserpuls). 11 unika platser i Fantomen, Välj en peak undertryck av 0.20, 0,62, 0.91, 1.19, 1,43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2,53 eller 2,71 MPa.
- Använda en totala exponeringstiden 17 s för att förvärva 1s av baslinje före och efter en 15 s CW HIFU exponering i Fantomen. Under denna totala exponeringstiden registrerar datainsamlingssystemet PCD data. Mikroskopet är ansluten till en styr-PC och de bild ramarna registreras under denna tid att ge en direkt visualisering av termiska lesion bildande.
- Upprepa processen i 4.3 för alla de olika exponering villkor som beskrivs i 4.4.
- Bearbeta alla PCD data offline att beräkna tröghetsbaserad kavitation dos25 för varje exponering.
Representative Results
Kavitation upptäckt från pulsade HIFU exponeringar
Upptäckande av passiv kavitation registrerade den spänning och tid för de utbud av HIFU och laser exponeringarna i båda fantomer med och utan nanopartiklar Figur 2 visar de representativa resultat för en rad av exponeringar. Tidrymden på dessa tomter avkortas för att markera de regioner där bredband akustiska utsläpp skulle förväntas, på grund av flygtiden för dessa utsläpp. Figur 2 visar att det är endast när det är en kombination av nanopartiklar, HIFU exponering och laser belysning att bredbandsstrålning upptäcks. Detta är dock fortfarande en tröskel fenomen, som på lägre akustiska trycket för figur 2 h bredbandsstrålning inte upptäcktes. Varaktigheten av dessa utsläpp motsvara vanligtvis längden på HIFU exponering, vilket var cirka 10 µs i denna studie.
Termiska denaturering från en CW HIFU exponering
Figur 3 visar en serie bildrutor förvärvats från universal serial bus (USB) kamera under en enda HIFU exponering med laser belysning, för tre olika exponeringar typer (med/utan laserbestrålning eller nanopartiklar). Denna figur visar ett exempel på bildandet av termisk lesioner i gel phantoms för vart och ett av dessa villkor. I den här vyn i HIFU sker exponering från vänster till höger. För exemplet som visas i figur 3 toppen var undertryck 2,53 MPa, vilket den övre kanten av vad användes i denna studie.
Inspelning tröghetsbaserad kavitation dos (ICD) från CW HIFU exponeringar
Figur 4 visar representativa resultat från beräkningen av ICD som noterats under CW HIFU exponeringar. Dessa data var post bearbetas från utsläppen inspelad av PCD systemet under exponeringen. Figurerna 4a, 4 c, och 4e visar att vid en lägre topp undertryck, ingen bredbandsstrålning upptäcktes, där figurerna 4b, d, och f visar att ICD spelades under hela exponeringen. De högsta ICD-signalerna observerades under exponeringen i en gel som innehåller nanopartiklar med både HIFU och laser exponeringar (figur 4f).
Figur 1. En schematisk representation av den experimentella apparat som används i denna studie. För tydlighetens skull den USB-mikroskop och ljuskälla utelämnas, men regionen view illustreras av en blå streckad ruta. CNC - dator numerisk styrning, AuNR - guld nanorör. Figur anpassad från McLaughlan o.a. (2017) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 2. Ett exempel på spänning spår inspelade med upptäckande av passiv kavitation under korta HIFU exponeringar, med eller utan samtidig laserbestrålning. När används, var den laser fluence 2,1 mJ/cm2 med en peak undertryck (a-c) 3.0, (d-f) 2.13 och (g-i) 1,43 MPa. LS - laser, NR - nanopartiklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Enskilda ramar ibland 0, 5, 10 och 15 s under en HIFU exponering inspelad av USB-mikroskopet. Den laser fluence var 3,4 mJ/cm2 och peak undertryck på 2,53 MPa. Sekvens (a) var med laser exponering och i en phantom utan nanopartiklar, (b) är utan laser exponering och i en fantom som innehåller nanopartiklar och (c) har både laserbestrålning och en fantom som innehåller nanopartiklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Beräknas tröghetsbaserad kavitation dos (ICD) som inspelade under exponeringar (a, b, e och f) med och (c & d) utan laserbestrålning. Topp undertryck var antingen (a, c & e) 0,91 eller (b, d och f) 2,53 MPa. Phantom används i (en & (b) inte innehöll någon nanopartiklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Detta protokoll är indelad i fyra separata sektioner, som beskriver tillverkningen av vävnad-härma phantom genom att CW exponeringarna i dem att producera termiskt genererade denaturering. Denna denaturering av phantoms simulerar termiskt genererade koagulering nekros upplevs av mjuk vävnad utsätts för HIFU1. I sin tillverkning är det viktigt att se till att förhållandet mellan APS och TEMED är sådan att processen inte katalysera alltför snabbt. När denna process är exoterm, ju snabbare denna kurs, desto högre temperaturen nått25 och således kunde denaturera BSA proteinerna före exponering. Förhållandet mellan APS till TEMED i detta protokoll har ställts in så att detta inte bör ske, men formarna kan placeras i isvatten under de polymeriserande gel att ytterligare minimera denna möjlighet.
Eftersom detta protokoll fokuserar på kärnbildning av kavitation genom att kombinera nanopartiklar, laser illuminations och HIFU exponering, är ett viktigt steg i tillverkningen av gel phantoms att lufta dem under vakuum i minst 30 min. När utsätts för HIFU (särskilt CW exponeringar), även om en termisk lesion inte var närvarande, är det viktigt att rikta ett färskt läge i gel phantoms att undvika redan existerande atomkärnor. När flytta phantom använder datorn kontrollerade översättningssystem är det viktigt att se till att djupet av HIFU fokus (och thus justerad regionen) hålls konsekvent. Detta säkerställer att HIFU trycket och laser fluence nivåerna är enhetlig för varje specifik exponering-parameter. För detta protokoll och efter den inledande placeringen av innehavaren av phantom, är det endast sedan översättas i den lodräta axeln.
De temperaturkänsliga vävnad-härma gelerna används mycket av de HIFU forskning gemenskap25, eftersom de ger en visuell mekanism för övervakning av bildandet av en termisk lesion. Denna studie var det första exemplet på att kombinera dem med nanopartiklar och demonstrera den förstärkning som ges till lesion bildning genom kontrollerad kavitation aktivitet. Även om de klassificeras som vävnad-härma för deras svar på temperatur, finns både deras optiska och akustiska dämpning dock inte. På grund av behovet av att visualisera lesion bildandet i gelerna, är phantoms nära transparent, med en liten gul nyans. Den laser fluence är justerad till konto för detta, betyder det att laserljuset lysande målregionen är kollimerad i stället för diffus som skulle vara för normal vävnad. Därför för att möjliggöra kliniska översättning flera belysning källor skulle behövas för att säkerställa tillräckligt fluence på ytan. För närvarande följer detta arbete de riktlinjer22 för säker användning av lasrar när de utsätts huden. Detta skulle begränsa den maximala laser fluence uppnåbara på djup; Denna teknik skulle således inledningsvis vara lämpade för behandling av ytliga cancerformer som bröstcancer, eller huvud och hals. Plasmoniska nanopartiklar riktade till yta receptorer för dessa typer av cancer kan dessutom ge ökad selektivitet i behandlingar. Men även om detta är ett mycket aktivt forskningsområde, är inga sådana partiklar för närvarande godkända för klinisk användning.
Akustisk dämpning av phantoms med nanopartiklar var mäts för att vara 0.7±0.2 dB/cm6, och, jämfört med värdet för mjuk vävnad på 3-4 dB/cm, det är betydligt lägre. Uppvärmning från HIFU exponeringar i dessa geler skulle därför bli lägre än skulle observeras i mjuk vävnad. Det har visats att tillägg av glaspärlor till gelen ökar dämpning nivåerna liknar mjuk vävnad25. I denna ansökan är detta tillvägagångssätt dock inte möjligt eftersom dessa pärlor skulle agera en kärnbildning källor för kavitation aktivitet även i avsaknad av nanopartiklar, och därmed förvränga tröskeln kavitation. När man jämför värmeeffekten för med resultaten från studien av Choi o.a. (2013) 25, thermal lesioner genererades på peak tryckområden 14-23 MPa (det anges inte om detta var peak positivt eller negativt tryck). Som detta utfördes 1,1 MHz, var dämpning i phantoms lägre än används i denna studie. Metoden nanopartikel-nucleated i denna studie var dock kunna generera termisk lesioner i dessa fantomer vid tryck alltifrån 1.19 till 3.19 MPa, vilket visar att ökad effektivitet över nuvarande metoder.
Framtida tester för denna metod bör ske i en in-vivo -modell att införliva tumör minskning, vävnadsperfusion, molekylär inriktning av nanopartiklar och relevanta akustisk dämpning parametrar.
Disclosures
Författaren har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av EPSRC bevilja EP/J021156/1. Författaren vill erkänna stöd från en tidig karriär 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).
