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Bioengineering

組織組織の血栓溶解性の有効性と溶解薬を測定するインビトロシステム

Published: June 4, 2021 doi: 10.3791/62133
Automatic Translation
1, 2, 1,2
1Department of Radiology, University of Chicago, 2Graduate Program in Medical Physics, University of Chicago

Summary

肝トリプシー支援溶解性分娩またはリソトリプシーは、深部静脈血栓症の治療のために開発中である。この併用療法の有効性を評価するために、インビトロの手順をここに提示する。血栓モデル、画像ガイダンス、および治療有効性の評価のための主要なプロトコルについて議論する。

Abstract

深部静脈血栓症(DVT)は世界的な健康上の懸念事項です。臨界閉塞の血管再カナル化を実現する第一のアプローチは、カテーテル指向血栓溶解薬(CDT)です。苛性副作用と CDT に関連する長い治療時間を軽減するために, アジュバントと代替アプローチが開発中です。.そのようなアプローチの1つは、気泡雲核形成を介して組織をアブラレートする集中超音波療法であるヒストトリップシーである。前臨床試験は血栓分解のためのヒストルシーと血栓溶解薬の間の強力な相乗効果を実証した。本報告書は、組織虫補助血栓溶解療法、またはリソトリップスの有効性を評価するためのベンチトップ法を概説する。

新鮮なヒト静脈血から製造された血栓は、その寸法およびアクロスメカニカル特性が腸骨静脈を模倣する流路に導入された。チャネルは、血漿およびリコンビナント組織型プラスミノーゲン活性化剤と浸透した。バブル雲は、大腿静脈血栓の治療のために設計された焦点を当てた超音波源を有する血栓に生成された。電動ポジショナーは、血栓の長さに沿ってソースフォーカスを変換するために使用されました。各インソネーション位置では、バブル雲からの音響放出を受動的に記録し、受動的キャビテーション画像を生成するためにビーム形成された。治療効果を測定するための指標には、血栓質量損失(全体的な治療効果)、およびパーフューズ動物中のD-二量体(線維化症)およびヘモグロビン(血糖化)の濃度が含まれていた。このインビトロ設計には、生体内の副作用を評価する手段の欠如や血栓のlysesとしての流量の動的変化を含む制限があります。全体として、このセットアップは、DVTを治療するためのヒストトリップシーベースの戦略の有効性を評価するための効果的な方法を提供する。

Introduction

血栓症は、循環を妨げる健康な血管における血栓形成の状態である。静脈血栓塞栓症の医療費は年間7~100億ドルで、米国では375,000-425,000例です。肺塞栓症は肺動脈の閉塞であり、静脈血栓塞栓症の最も深刻な結果である。肺閉塞の主な原因は深部静脈血栓症であり、主に腸骨静脈セグメント4、5、6からである。深部静脈血栓症(DVT)は、痛み、腫れ、足の潰瘍、および四肢切断7、8、9をもたらす長期的な合併症を有する肺閉塞以外に固有の後遺症を有する。重大な閉塞の場合、カテーテル指向血栓溶解薬(CDT)は、血管再カナル化10の最前線のアプローチである。CDTの結果は、血栓の年齢、場所、サイズ、組成、病因、および患者リスクカテゴリ11を含む多くの要因に依存します。さらに、CDTは、血管損傷、感染症、出血合併症、および長時間の治療時間10と関連している。次世代デバイスは、血栓溶解薬(すなわち、薬力学的血栓切れ)12,13と機械的血栓切れを組み合わせることを目指す。これらの装置の使用は、出血合併症の減少につながる薬用量を低くし、かつCDTと比較して治療時間12、13、14を短縮した。これらのデバイスは、依然として出血性の副作用や慢性血栓15の不完全な除去の問題を保持しています。したがって、より低い出血合併症で血栓を完全に除去できるアジュバント戦略が必要です。

考えられるアプローチの1つは、リソトリップシーと呼ばれるヒストトリップ補助血栓溶解治療です。ヒストトリップスは、組織16の気泡雲を核とするために焦点を当てた超音波を使用する非侵襲的な治療モダリティである。気泡活性は外因性核を介して生成されるのではなく、血栓17、18を含む組織に固有の核を活性化するのに十分な緊張を有する超音波パルスの適用によって生成される。気泡雲の機械的振動は、血栓に歪みを与え、構造を無細胞の破片19に崩壊させる。ヒストトリップスバブル活性は、インビボおよびin vitro20、21、22の両方で、引き込まれた血栓と引き込みられていない血栓の効果的な分解を提供する。以前の研究では、23,24は、組織虫と組換え組織型プラスミノーゲン活性化剤(rt-PA)の組み合わせが、単独または組織単独と比較して治療効力を有意に増加させることが実証された。ヒストトリップスバブル活性に関連する2つの主要なメカニズムが改善された治療効果の原因であると仮定される:1)改善されたリンパ球の送達による線維化症の増加、および2)血栓内の赤血球の血糖分解。血栓質量の大部分は赤血球24で構成され、したがって、赤血球分解を追跡することは、サンプルのアブレーションのための良好な代理である。他の形成された血栓要素も、ヒストトリップスバブル活性下で崩壊する可能性が高いが、このプロトコルでは考慮されない。

ここでは、リソトリップスでインビトロでDVTを治療するためのベンチトップアプローチについて概説する。プロトコルは、ヒストトリップス源の重要な動作パラメータ、治療有効性の評価、および画像ガイダンスについて説明する。このプロトコルには、腸骨静脈セグメントを模倣する流路の設計と、ヒト全血栓の製造が含まれる。実験手順は、流路に配置された血栓に沿ってヒストトリップス露光を達成するために、ヒストトリップス源およびイメージングアレイの位置を概説する。血栓破壊を達成し、オフターゲットバブル活性を最小限に抑えるための関連インソネーションパラメータが定義されている。バブル活動の誘導および評価のための超音波画像の使用は24を例示する。血塊損失、D-二量体(線維化症)、およびヘモグロビン(血化)などの治療効果を定量化するための指標は、23、24、25、26、27を概説する。全体として、この研究は、DVTを治療するためのリソトリップシーの有効性を実行し、評価するための効果的な手段を提供する。

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Protocol

ここに示された結果については、静脈ヒト血液は、地元の内部審査委員会(IRB #19-1300)の承認後に血栓を形成するために引き出され、ボランティアドナー24によって提供された書面によるインフォームド・コンセントを形成した。このセクションでは、リソトリップの有効性を評価するための設計プロトコルの概要を説明します。プロトコルは、ボレンら24の以前の作業に基づいています。

1. クロットモデリング

注:血栓の安定性を確保し、最大の引き込み28を確保するために、2週間以内に、しかし、実験の日の3日以上前に血栓を準備します。地元の機関審査委員会の承認に従って血栓を準備してください。

  1. 血液を保存するためのホウケイ酸パスツールピペットを準備します(ピペットの仕様については 、材料表 を参照)。ホウケイ酸チューブは、血小板活性化および血塊の引き込みを促進する材料の親水性の性質のために使用される。ブンゼンバーナーの上に加熱してピペットの先端をシールします。
  2. 新鮮な人間の静脈血を描きます。アリコート所望の血栓当たり2mL単位で引き出された総血液をアリコートする。各2 mLアリコートを1つのパスツールピペットに移します。
    注:ピペットに移る前に血液が凝固しないように、約3分の血液の引き出しの中でステップ1.2を実行します。また、ボランティアドナーが凝固カスケードを変える可能性のある薬(例えば、血液シンナーまたは血小板阻害剤)にないことを確認してください。
  3. 37°Cで3時間水浴中のピペット内の血液アリコート(必要な血栓の数に等しい)をインキュベートする。
  4. 4 °Cでピペットを最低3日間保管して、血栓28の引き込みが可能です。血栓が後退するにつれて、血栓のピペット内の上部に血清が蓄積することが観察される。血栓のrt-PA応答は、引き込み28後2週間安定した状態を保つ。

2. 水槽の準備

  1. 逆浸透水で水タンクを充填します。治療または画像超音波パルスの反射を減らすために音響吸収材料でタンクの底面を並べてください。水の処理システムを使用して、気泡核を最小限に抑えるために水を脱気し、濾過します。
    注: 水をフィルタする方法の 1 つは、インライン フィルタを使用する方法です。代表結果の生成に使用するバッグの仕様は、 資料表に記載されています。
  2. タンクの底面に2つの加熱要素を配置します。水を37.3°Cに加熱して、最大の酵素活性30を達成する。
  3. 図 1Aに示すように、フロー チャネルを設定します。流路は、チューブ、骨骨状静脈を代表する材料と幾何学的特性を有するモデル容器、プラズマ用の貯水池、および貯蔵所の遠位端のシリンジ(材料表)から構成される。シリンジはポンプに接続され、実験中にチャネルを通る流れを調節します。
  4. 流路を水槽に手動で沈め、脱気/フィルタリング/加熱段階(ステップ2.1および2.2)中にチャネルを生理学的温度にします。

3. プラズマとrt-PA混合物の調製

  1. 実験日の前に
    注:-80 °Cで保存すると、プラズマは少なくとも2.5年31 年安定であり、rt-PAは少なくとも7年間安定している32年。したがって、2つのコンポーネントの安定性を確保するために、これらの期間内にステップ3.1をいつでも実行してください。
    1. 製造メーカーから得たrt-PAを粉末状に希釈し、滅菌水で1mg/mLにします。
    2. アリコート100 μLの希釈rt-PAを0.5 mL遠心分離チューブにし、-80°Cで保管します。
    3. 50 mL 遠心分離管でのヒト新鮮凍結型Oプラズマのアリコート35 mL。チューブは-80°Cで保管してください。
  2. 実験日に
    1. 冷凍庫からプラズマアリコートを取り出す。その日にテストされる血餅の数と同じ数のアリコートを取得します。凍結したアリコートを37°Cの水浴に浸して解凍(10分程度)にします。
    2. プラズマが解凍されたら、超純水で三度リンスされたビーカーに注ぎます。ビーカーの口を軽くアルミニウム箔で覆い、汚染を防ぎ、ビーカーを水浴に入れます。空気がプラズマに接触できるように、ホイルが十分に緩くなるようにします。
    3. プラズマは37°Cで最低2時間の大気圧に平衡化させる。
    4. 冷凍rt-PAバイアルを取り出し、必要になるまで氷の上に置き、実験を実行するたびに1つのバイアルを使用します。
    5. アガロースを超純水に溶解させることにより、50mLフラスコで低ゲル化アガロース(2%)を作ります。分析対象の各検体に約2mLが利用可能となるアガロース溶液の総量を選択します。溶出液を電子レンジで泡立つまで熱します。フラスコを防水ネジ蓋で固定します。プラズマと一緒に水浴中にフラスコを浸します。
      注:このステップは、アガロースがヒストトリップスのインソネーションに続くヒストロジー分析のために露出した血栓セグメントを確保するために利用可能であることを保証します。

4. ヒストトリップスソースとイメージングアレイの設定

  1. メーカーが提供する方向とコマンドを使用して、プログラミングプラットフォームの実行時環境から電動ポジショナーを制御できることを確認します。システムのモーターが、ランタイム環境でコンピュータの適切なポートに接続されていることを確認します。
  2. 図1Bに示すように、電動ポジショニングシステムにヒストトリップシーソースを取り付けます。
  3. ヒストトリップスのソースを、メーカーが指定した適切なコネクタ(BNCケーブルなど)を介して、その駆動エレクトロニクス(例えば、パワーアンプとファンクションジェネレータ)に接続します。
    注: ステップ 4.1 で使用されるランタイム環境を介して、ヒストトリップス ソースの駆動電子機器を制御できることを確認します。
  4. 図2に示すように、イメージングアレイをプローブカバーで覆い、図 2に示すように、ヒストトリップシー源の開口部にアレイを同軸に貼り付けます。ヒストトリップのソースの向きに対するイメージング平面の向きを理解してください。
  5. 画像アレイを超音波スキャンシステムに接続します。このシステムが、スキャナの製造元が提供するコマンドに従って、イメージングアレイの動作とトリガを制御し、イメージングデータを収集できることを確認します。
  6. 図 1Aに示すように脱ガスしながら、ヒストトリップソース/イメージングアレイをタンクに沈める。ヒストトリップスソースまたはイメージングアレイの表面からシリンジを使用して気泡をそっと取り除きます。
    注意:ヒストトリップスソースとイメージングアレイを操作前に完全に水中に浸してください。ヒストトリップのソースの表面に触れないようにしてください。
  7. イメージングアレイとスキャナの組み込みコマンドを使用して、毎秒20フレームのレートでBモード画像を取得します。イメージングウィンドウを調整して、これらのリアルタイム画像のヒストトリップのソースのフォーカスを可視化します。
    注:治療源の焦点領域の寸法が知られていることが前提とされている。
  8. 基本的な周波数(例えば、1.5MHz)、パルス繰り返し周波数(例えば、20〜100Hz)、パルス持続時間(例えば、パルス当たり1〜20サイクル)、および場所あたりのパルスの総数(例えば、100-2,000)18、23、24、33を含むヒストトリップシー源の動作パラメータを設定する。十分な血栓溶解が達成されない場合、またはバブル活性がモデル容器のルーメンを超えて広がる場合は、これらのパラメータを変更します。これらのパラメータを設定するには、ソースの製造元から提供されるプロトコルを使用するか、ソースと通信できるプログラミング プラットフォームを使用します (ステップ 4.3)。
  9. 手順 4.8 で使用した製造元のプロトコルまたはプログラミング プラットフォームを使用して、周囲の環境に障害物を与えることなく、脱気水の設定パラメータでヒストトリップのソースを実行します。バブル雲が形成されるまで、ヒストタシーソースに印加される電圧を上げます。
  10. ステップ4.7のリアルタイムイメージングを使用して、共焦点トランスデューサ開口部内の撮像アレイの位置を、画像ウィンドウの中央にバブル雲が配置されるまで調整します。バブル雲は、撮像平面の超エコーピクセルの領域である(図3)。ネジを締めて、トランスデューサの開口部にイメージングアレイをしっかりと保持します。
    注: アレイが正しく整列している場合、バブル雲の方位は、イメージング平面で約 0 mm にする必要があります。このイメージングアレイは、治療源の内面からわずかに射影され得るため、したがって、気泡雲の範囲位置は、ソースの焦点距離と異なる場合がある。
  11. イメージング平面内のバブル雲の位置を特定します。ヒストトリップのソースのフォーカスをバブルクラウドの中心として割り当てます (図 3)。
  12. 検出された焦点位置(ステップ 4.11)を撮像ウィンドウに記録します(図3)。焦点位置をマークする可能な方法は、イメージングプラットフォームで使用可能な場合、イメージングウィンドウ内の位置をメモするためにカーソルを配置することです。
  13. インソネーションを中止し、ヒストトリップス源に印加される電圧を0 Vに設定します。

5. 血栓の準備

  1. 密閉された端をプライヤーで切って、ピペットから血栓を取り除く。血栓をセラムと一緒にペトリ皿に滑り込ませます。血栓が外れていない場合は、静かに血栓を除去するためにサリンフラッシュを介してピペットの他の端からの圧力を適用します。
  2. メスを使って血栓を1cmの長さに切り、中央から均一な部分を目指します(すなわち、ピペットの上部または下部に形成された血栓のセクションから離れる)。
  3. 洗浄ワイプを使用して、血栓の切断部分をやさしくしみ、余分な液体を取り除きます。
  4. ピンセットを使用して、血栓セクションを計量スケールにそっと置き、重量を記録します。
  5. 手動で水タンクから流路を上げ、流路からモデル容器を取り外します。
  6. ピンセットを使用してモデル容器に血栓を配置し、モデル容器を流路に再度取り付けます。
    注:ナイロンロッドは、フローのために血栓が下流に移動するのを防ぐために、モデル容器内に配置することができます。
  7. 貯蔵所に対するステージの近位端が遠位側に比べて低くなるような方法でタンクに流路を下げる。このようにしてステージの釣りは、ステップ6.1で流路を通してプラズマが引かれると、モデル容器内の気泡のトラップを防ぐ。
  8. ピペットを使用して30mLのプラズマを貯留槽に加え、36°C以上になるまで温度を監視します。
  9. ピペットを使用して、rt-PA(プラズマ30mL、2.68 μg/mL)をプラズマ貯留槽に分配します。ピペットでプラズマをかき混ぜて、貯留層内の均一なrt-PA分布を確保します。

6. フローチャネルのプライミング

  1. プラズマがモデル容器を満たすまで、シリンジポンプを介して貯蔵所から流路にプラズマを引き込みます。
    注:血栓がナイロンロッドでフラッシュされていない場合は、60 mL/minで短いポンプを使用して、血栓の下流にプラズマを強制するか、手動でシリンジを通して引き出します。このプロセスで引かれるプラズマの量を制限するか、または流路内の30 mLの溶液を確保するために、追加のプラズマ/rt-PAを使用してリザーバを補充してください。
  2. 電動ポジショナーを使用して、イメージングスクリプトを使用して、イメージングアレイを血栓の長さに平行に位置合わせします(ステップ4.7)。平行な位置合わせはユーザーが目視的に血栓の適切な配置およびモデル容器内の気泡の不在を保障することを可能にする。
  3. モデル容器を手動で平準化し、イメージングウィンドウを使用して気泡が存在しないように視覚的に確認します(ステップ4.7)。

7. 実験手順

  1. 前処理
    注:このステップは、血栓の長さに沿って均一なヒストトリップス露光のためのヒストトリップソース/イメージングアレイのパスを計画することです。
    1. 撮影平面が血栓の断面に平行になるように(すなわち、ステップ6.2で説明した方向に垂直)するように、電動ポジショナを使用してイメージングアレイを位置合わせします。
    2. イメージングウィンドウ(ステップ4.7)を介した指導の下で、電動ポジショナを使用して、貯蔵所に対する血栓の近位端にヒストトリップシー源を移動します。この時点で、ステップ 4.12 のマークされた焦点が血栓の中心に合うように、ヒストトリップのソース位置を調整します。
    3. 血栓の長さに沿って、インソネーションパスを決定します。このパスを定義するには、血栓の長さに沿って3つのウェイポイント(すなわち、ヒストトリップバブル活性が血栓内に含まれるモーターの位置)を5mmずつ設定する。パスに沿ったヒストトリップのソースの全体的な動きがシステム内の流れと一緒に進んでいるようにウェイポイントを合わせます(すなわち、第1のウェイポイントは、貯水池に対する血栓の最も近位の端にあり、第3のウェイポイントは貯水池に対する遠位位置にあります)。
    4. 各ウェイポイントを確定する前に、ステップ4.8と同じインソネーションパラメータを持つヒストトリップスソースからの火災テストパルスが、全体の露出を10の合計パルスに減らします。必要に応じて電動ポジショナーを使用してヒストトリップスソースの位置を調整し、血栓内の気泡活動を含めます。
    5. 各ウェイポイントで、手順 4.1 と同様に、製造元が提供するコマンドを使用してモーターの位置を保存します。
  2. 処遇
    注: このステップは、処理前のステップで定義されたパスに従って、その長さに沿って血栓を処理する手順を定義します。
    1. 0.65 mL/minでシリンジポンプを実行し、プラズマの半月板が動くのを待ちます。この流速は、腸骨血管系24,34の近い総閉塞を模倣する。
    2. ステップ 7.1.3 で作成したパスを、固定ステップ サイズ (0.5 mm など) で確立されたウェイポイント間の中間ステップで補間します。ステップサイズは、血栓の長さ(イメージングアレイの標高方向)に沿って測定される焦点領域の幅の半分以下に選択されます。ステップ 4.8 で定義されたインソネーション パラメータを使用して、各パス位置で電動ポジショナーを使用してヒストトリップソースを移動します。
    3. イメージングウィンドウを使用して、各パス位置でのヒストトリップスパルスの適用中に、モニタ/画像バブルの活動(ステップ4.7)。方位角と範囲の 15 mm をカバーする画像のサイズで、ヒストトリップのフォーカスに画像を中央に配置します。各場所でヒストトリップパルスを適用する前に、Bモード画像を取得して、プログラミングプラットフォームでスクリプトを作成することにより、血栓とモデル容器の視覚化を提供します。スクリプトが製造元のコマンドを使用してスキャナーと通信することを確認します。
    4. ヒストトリップスパルスの適用中に、ステップ7.2.3のスクリプトで音響放出の取得を実施し、ホック35後に受動的キャビテーション画像を形成する。10個の処理パルスごとに1つの受動キャビテーション画像を取得します。イメージング深度の終わりまで8増分深度で50のフラットタイムゲイン補正を適用します。血栓からの信号全体が、窓35によるエネルギーの最小損失でキャプチャされるような適切な取得ウィンドウサイズを選択してください。
    5. オフターゲットの気泡雲が存在する場合は、電動ポジショナで、その場でトランスデューサの位置を調整します。
      注: イメージングアレイのトリガが見つからないか監視します。取得したイメージングデータセットの数を調整して、後続のトリガの前にデータの保存が完了するようにします。

8. 実験後の手順

  1. 手動で水槽からモデル船を上げ、重力によってパーフューズを排出します。フロー チャネルを平準化して、水流の間に血栓が下流に移動したり、モデル容器から外れないようにしてください。
  2. 非常に低い流量でシリンジポンプを通して流路からプラズマ溶液を描画することによって、小さなビーカー(図4A)でさらなる分析のために全体のパーフューズを収集します。
  3. モデル容器を外し、血栓を取り外します。必要に応じて、少量の生理弾をモデル容器に注入して、血栓を静かに取り外します。
  4. ステップ 1.2.3 と同様の血栓を拭きます。血栓質量損失を評価するための計量スケールで血栓を計量します。
  5. D-ダイマー含有量を分析するには、マイクロ遠心分離管に100mgのアミノカプロ酸を加え、その後に1mLのペルフューズを加え、ピペットを使用してよく混ぜます。ラテックス免疫濁測定アッセイを実施して、試料36内のDダイマーを定量化する。
  6. 溶出を評価するには、遠心分離管に1mLの透過液を加え、610 x g(3,500 rpm)で10分間回転し、0.5mLの上清(濃縮物)を0.5 mLのドラブキン溶液と組み合わせ、残りを室温で15分間混合させます。 図4Bに示すように、ウェルプレートに200 μLを移します。プレートリーダーを用いて、540nmで吸光度を読み取り、図4C(ドラブキンアッセイ37)。.
  7. 神学評価
    1. メスで長さ約2~3mmの血栓の中心から切り取ります。
    2. カセットにセクションを追加します。ヒストトリップスパルス伝搬方向に対する断面の向きを維持する。
    3. ステップ3.2.5で調製した低ゲル化アガロース溶液の2mLをカセットに加え、血栓を所定の位置に固定します。
    4. サンプルを10%ホルマリンで24時間固定します。サンプルを24時間後に70%アルコールに入れ、標準ヘモトキシリン-エオジン染色38を行う。

9. 受動キャビテーション画像解析

  1. 図示励起(ステップ7.2.4)の間に撮像アレイから取得した信号を、堅牢なカポンビームフォーマ39 に基づくアルゴリズムを用いて処理し、各処理場所で気泡雲によって発生する音響放出の画像を作成する。
    注:定量画像を生成するには、Haworthら35に記載されている手順に従います。それ以外の場合、画像内の各ピクセル値は、対応する各位置における相対バブルクラウド音響エネルギー(V2単位)を表す必要があります。
  2. 手順 7.2.3 で取り上げた B モードイメージをセグメント化して、血栓を表すピクセルとモデル容器を区別します。
  3. 図5Bに示すように、受動キャビテーション画像をBモード画像と共に登録する。曝露期間35の血栓内の音響エネルギーを合計する。

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Representative Results

本研究で概説されているプロトコルは、DVTのインビトロセットアップにおける静脈血栓モデリング、血栓破壊のためのリソトリップ、および超音波イメージングの詳細を強調している。採用された手順は、rt-PAとヒストトリップスバブルクラウド活動の組み合わせによる血栓破壊を評価するために必要な手順を示しています。ベンチトップのセットアップは静脈の腸骨静脈の特徴を模倣するように設計されていた。 図1A は、骨位静脈の音響、機械的、幾何学的特性を有するモデル容器を示す。血栓は、部分的に閉塞性血栓を模倣するためにモデル容器の中に配置されます。血栓は0.65 mL/minの速度で貯留層から引き出される血漿およびrt-PAと浸透する。この速度は、非常に閉塞した容器34における遅い流量と一致する。

楕円的に集線型のトランスデューサは、9cmの長軸、7cmの短軸、および6cmの焦点距離を有する1.5MHz基本周波数(図2A)が図1Bに記されているように、測位システムに取り付けられている。超音波ゲルとラテックスカバー(図2B、C)で覆われたイメージングアレイは、図1Aに示すように、ヒストタプシー源の中央の開口部を介してトランスデューサと共に取り付けられる。電動ポジショナーは、モデル容器内の血栓長に沿って治療トランスデューサ/イメージングアレイを翻訳するために使用されました(図1)。ヒストトリップス源に十分な電圧を印加すると、図3に示すように、トランスデューサの焦点領域に気泡雲が生成され、超音波画像を介して可視化される。焦点位置は、撮像平面を使用してバブルクラウドの中心として定義されます(ステップ4.10~4.11)。

図4Aは、2つの異なる治療条件について収集されたパーフューズを示す。コントロールとして標識されたビーカーには、プラズマに曝露された血栓の透過物が含まれています。処置として標識された第2ビーカーは、リソタクシー処理血栓のパーフューズを含む。収集されたパーフューズは、プロトコルで規定されているアッセイを通してヘモグロビン(ヘモ糖の指標)およびD-ダイマー(フィブリノーライシスの指標)の含有量を評価するために使用されます。ペルファストの色の違いは、光吸光度を介して定量することができるヘモグロビン濃度の変動性を示す。吸光度値とヘモグロビン濃度の関係は、較正曲線を通じて決定することができる。0(ブランク測定)から180mg/mLまでの範囲の既知のヘモグロビン含有量を有する溶液は、ウェルプレートに配置され、吸光度はプレートリーダーを用いて三重化で決定される(図4B、C)。プレートリーダーの上側吸光度限界は、様々であり、ウェルプレートに溶液を作る前に知られていない場合があります。このように、180mg/mLまでのヘモグロビン濃度は、ウェルプレート、図4Bで作られる。しかし、ここで使用されるプレートリーダーは、最大23mg/mLの濃度に対する吸光度を読み取ることができます(図4C)。

図5A は、ステップ7.2.3で規定されるヒストトリップス露光前のBモードイメージングを介したモデル容器内の血栓の可視化を示す。この画像は、受動キャビテーション画像のセグメンテーションのための血栓位置を決定するために取得される。 図5B は、ヒストトリップス露光前に取得したBモード画像と共に登録された受動キャビテーション画像を示す。この図は、ヒストトリップス曝露中に主に血栓内に音響エネルギーが含まれていることを確認している。

ヒストトリップおよびリティックによる典型的な血栓破壊を図6に示す。図6A,Bは、それぞれ未処理およびリソトリップス処理血栓画像を示す。ヒストトリップスにさらされたサンプルの場合、破壊は主に血栓中心に限定され、受動的キャビテーションイメージングで追跡された気泡活動の観測位置と一致する(図5B)。しかし、リティックを添加すると、凝固塊の周囲に近い領域でも質量損失が生じる。この追加の質量損失は、気泡活性の下での、その流動性の混合が強化されたためであると仮定される。流体混合は、血栓へのリティックの分布および浸透深さを増加させる。リティックは線維化症40を担うため、質量損失は増加する。フィブリノーゼシスは、パーフューズ41中のDダイマー含有量を測定することによって定量することができる。

Figure 1
図1:ヒト血栓のリソトリップの実験設定(A)設定の構成要素は、(1)楕円形の幾何学的形状を有するヒストトリップス源、(2)ラテックス被覆画像アレイ、(3)流路に取り付けられたモデル容器、(4)流れチャネル、(5)貯留槽、(6)音響吸収材料、(7)水質および水を加熱した水を含む水を含む(イメージング平面の方位角寸法は、(ページ内の) 標高寸法と範囲寸法に対して垂直です。(B) 電動ポジショニングシステムに取り付けられたヒストトリップスソース。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:超音波源および画像化コンポーネント(A)焦点を合わせるヒストトリップス源、(B)イメージングアレイ、および超音波ゲルおよびラテックスカバーを有する(C)イメージングアレイの個々のズーム画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:画像アレイを用いて可視化されたヒストトリップスバブルクラウド バブル雲はヒストタシーソースの焦点ゾーンに生成され、イメージングアレイを使用して画像化されます。十字として示される指定された焦点は、治療計画のために保存される。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:血栓リシスによる放出ヘモグロビンの定量化(A)血漿単独での対照研究(ヒストトリップやリティックなし)、治療アーム、ヒストトリップ(例えば、35MPaピーク陰圧、5サイクルパルス持続時間、1.5MHzの基本周波数)、および2.68μg/mLの陰性の分析を行った。(B)180mg/mL(上段、左端隅)から0mg/mL(一番下の行、右端)までの範囲の既知のヘモグロビン濃度の希釈を含むウェルプレート。矢印はヘモグロビン濃度の低下を指しています。(C)これらのサンプルは、分光光測定によるヒストトリップス露光のために生成されたヘモグロビンを定量化するための標準曲線を作成するために使用される。より高い濃度の分析におけるプレートリーダーの制限により、0〜23mg/mLの範囲のヘモグロビン濃度の吸光度曲線が得られる。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5: 処理中の血栓の画像(A)モデル容器内の血栓位置を示す処理パルス開始前に取得したBモード画像。(B)ヒストルシーパルスの適用前に取得した血栓のBモード画像と共に登録されたホットカラーマップで示される受動的キャビテーションイメージングから算出された音響エネルギー放出のポストホック可視化。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:異なる治療条件下でのアブラト血栓のヒストロジー (A)治療なしのコントロール血栓。(B)リソトリップスで処理されたクロット(例えば、35 MPaピーク負圧、単一サイクルパルス持続時間、1.5MHz基本周波数)。この画像では、ヒストトリップスパルスが上から下に伝播しました。血栓の長さに沿ったヒストトリップのソースのパス(つまり、ここで示す画像の平面に垂直)は、ステップ7.2.3で定義されます。顕微鏡写真のスケールは2mmです。ここで達成される血栓破壊の程度は、パルス持続時間が24の長いインソネーションスキームと比較して減少することに注意してください。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

提案されたプロトコルは、リソトリップスの治療効果を定量化するモデルを提示する。重要な詳細については説明しましたが、このプロトコルの成功には、いくつかの重要な側面を考慮する必要があります。rt-PAの酵素活性は、アレニウス温度依存性30を有する。温度は水や組織の音速にも寄与する要因であり、温度の変化は焦点域の幾何学的形状のわずかな変化を引き起こす可能性があります。したがって、水温は37°Cで慎重に調整する必要があります。プロトコルで使用されるrt-PAの用量(2.68 μg/mL)は、他の薬力学的血栓切除戦略42のために臨床的に採用されたものと一致する。ステップ5.8では、30mLのプラズマがリザーバに移され、35mLアリコートがステップ3.1.3に記載されている。この追加のプラズマは、大気圧に平衡させるために37°Cに加えた時間の経過に伴う蒸発によるプラズマの損失を占めています。

焦点距離、絞り幅、および治療トランスデューサの周波数は、焦点領域のサイズと深さを決定します。したがって、トランスデューサは、これらの特性が目標血管の直径および深さ(例えば大腿静脈:深さ2〜4cm、直径0.6〜1.2cm)43に合うように選択されるべきである。機械的なアブレーションの範囲は、バブル雲の範囲に制限されています。したがって、ヒストトリップスバブルクラウドの動作を変更する際に、インソネーションパラメータが果たす役割を理解することは、重要な33、44、45です。音響分野の周波数と強度は、媒体および中間材料(例えば、モデル容器)による減衰の大きさを示す選択されるべきである。ターゲット容器との気泡活動の閉じ込めを確実にするために、焦点域を監視するために適切な撮像窓を選択する必要があります。トランスデューサの動作パラメータは、機械的な血栓の破壊を最大化しながら、ターゲットの影響を回避するために選択する必要があります。このプロトコルにおいて、質量損失は治療有効性の主要な指標と考えられた。ピーク負圧またはヒストトリップパルスの持続時間が24,46に増加し、最大観測質量損失は94%となるため、質量損失の増加が観察されています。調査された治療用アームの残留血栓の存在は、治療効果の比較を容易にする。しかし、血栓の全除去を確実にする不総化スキームも考案することができる。

音響インピーダンス(約1.58 MRayl47,48)とモデル容器の幾何学的特性(直径0.6~1.2cm)は、骨状静脈血管系を代表する必要があります(詳細は材料表参照)。ポリジメチルシロキサンおよびポリウレタンは、そのアユースト機械的特性に基づいて静脈系をモデル化するのに適した他の材料の一部である。ステップ7では、モデル容器からすべての気泡を除去し、血栓をヒストトリップ露出から遮蔽しないようにすることが重要です。疎水性物質のモデル容器の場合、気泡雲は血栓の中心ではなく容器壁の近くに優先的に形成され得る。したがって、バブル雲の連続的な監視は、超音波画像を介した治療中に行われるべきであり、必要に応じてトランスデューサを再配置する必要があります。パイロット研究は、最終的な意図された血栓破壊を達成する組織上の組織の不一調パラメータ(例えば、パルス持続時間およびピーク圧力)を決定するために行われるべきである。

イメージングアレイは、Bモード画像と受動キャビテーション画像をキャプチャして、治療ビジュアライゼーションを行い、バブルの活性を定量化するために使用されます。Bモードイメージングは、モデル容器と血栓の可視化を可能にし、かつ受動的キャビテーションイメージングは、血栓アブレネーション24、49に関連する気泡活動のエネルギーを測定する。イメージングアレイの帯域幅は、望ましいバブルクラウドのアクティビティと高い信号対雑音比で合わせる必要があります。雲内の気泡の慣性崩壊に関連する純粋な広帯域信号を得るためには、アレイの帯域幅は、トランスデューサ50、51の基本周波数と一致してはならない。ヒストトリップスパルスは非線形52と非常に高く、受信信号には基本周波数の高調波が存在する可能性が高い。画像処理システムは、インソネーション全体で完全な受動キャビテーションイメージングデータの収集を確実にするために、ソースからフォーカルゾーンへのヒストトリップシーパルスの既知の飛行時間に基づいてトリガするようにプログラムする必要があります。これらのシグナルは、プロトコルのステップ 7.2.3 および 9 で説明されているように、ポスト・ホックで処理する必要があります。

なお、血栓の取り扱いに対しては、血化の量が敏感である。したがって、治療前に血栓の損傷を最小限に抑えるために注意する必要があります。再現性を確保するために、クロットモデリング(ステップ1)と前処理時間(ステップ6および7.1)は、ヒストトリップス暴露の有無にかかわらず治療されるすべての血栓について同じであるべきである。血化アセスメントの後処理工程では、プラズマは独自の吸光度を有することに留意すべきである。従って、標準曲線を形成するために用いられる希釈剤(例えば、光吸光度対ヘモグロビン)は、流路内のパーフューズ剤と同じ流体を用いて形成されるべきである(例えば、本研究では、プラズマを希釈剤として使用して標準曲線を形成した)。

このプロトコルは、人間の全血栓を治療するためのリソトリップの有効性を測定するためのベンチトップセットアップを提供することを目的としています。セットアップの体外の性質のために生じる特定の制限があります。このプロトコルに使用される急性血栓は、主に赤血球とフィブリンで構成され、リソトリップのアプローチはDVTに有効である。しかしながら、血栓の後期段階は、rt−PAのフィブリン特異的性質のためにリソトリップス治療に抵抗し得る硬いコラーゲン性ネットワーク53を発症し得る。インビボで治療する場合、治療効果の主要な臨床エンドポイントは、流れの回復である。質量損失は、ここで説明するインビトロプロトコルにおける治療有効性の主要な指標であった。このプロトコルではフローは評価されなかったが、色ドップラーイメージングは、ステップ7.2.4のパッシブキャビテーションイメージングと共に追加的に組み込んで流れの修復を監視することができる。このプロトコルのセットアップでは、ステップ 7.2 の処理全体で、高度に閉塞した血管の流量を模倣した固定流量を使用します。生体内では、治療中に血栓が崩壊するにつれて血管の流れが増加する。増加流量に関連する追加のせん断応力は、血栓劣化プロファイル54を強調する。インビボのオフターゲット効果は、このセットアップでは、例えば、リンパ55の全身投与による出血、気泡雲活動22による血管壁損傷または血管れん縮に起因する出血を確認できない。この研究の体外の性質はまた、治療後の血管の愛着や再血栓症などの長期的な結果を評価する能力を制限する。この研究における溶解の投与は全身血栓溶解を模倣し、一方カテーテル指向の溶解薬は静脈血栓症7、14に対する好ましい介入である。組織の減衰は、生体内研究のための組織ストリップの分野と画像の質に影響を与える可能性がありますが、ここでの音響経路は主に脱気水を介してです。堅牢なカポンビームフォーマ(プロトコルのステップ9)を用いたキャビテーション放出データの処理は計算上高価であり、ポストホック解析のためにオフラインで行った。他のビームフォーマー(例えば、遅延と合計35または角スペクトル56)は、範囲分解能を低下させるにもかかわらず、リアルタイムのフィードバックを提供するために代替的に操作することができる。

要約すると、このプロトコルは、ヒト血栓の深部静脈血栓溶解を達成するための非侵襲的アプローチを提示する。このプロトコルは、血栓のモデリング、リソトリップでの治療、および治療中の同時イメージングのための便利で簡単に複製可能な手順を確立します。組織ストリップジ気泡雲生成、治療計画、画像誘導を規定するプロトコルステップは、乳房腫瘍、膵腫瘍、および良性前立腺過形成のインビトロ治療を調査するためにさらに使用することができ、そこでは、組織足引きが標準的な手順57,58と比較してより効果的であることが示されている。このプロトコルにおけるrt-PAの使用は、そのような腫瘍の治療に使用される他の薬物または薬物キャリアに一般化され、組織上の組織と共に、その薬効を高める。

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Disclosures

著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgments

この研究は、国立衛生研究所、グラントR01HL13334によって資金提供されました。著者らは、ドラブキンのアッセイを支援してくれたケビン・ハワース博士と、プロトコルの設計を支援してくれたヴィクトル・ボレン博士に感謝したいと考えています。著者らはまた、ヒストトリップシーソースの設計に関する彼の指導のためにアダム・マクスウェル博士に感謝しています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Absorbing sheets Precision acoustics F28-SMALL-M 300mm x 300 mm x 10 mm
Borosilicate Pasteur pippettes Fisher Scientific 1367820A 14.6 cm length, 2 mL capacity
Centrifuge tubes Eppendorf 22364111 1.5 mL capacity
Drabkin's assay Sigma Aldrich D5941-6VL
Draw syringe Cole-Parmer EW-07945-43 60 mL capacity
Filter bags McMaster-Carr 5162K111 Remove particle size upto 1 microns
Flow channel tubing McMaster-Carr 5154K25 Polyethylene-lined EVA plastic tubing (Outer diameter: 3/8", Inner diameter: 1/4"
Heating elements Won Brothers HT 300 Titanium Titanium rods placed at the bottom of tank
Imaging array Verasonics L11-5v 128 element with sensitivity from -55 to -49 dB
Low gelling agarose Millipore Sigma A9414
Model vessel McMaster-Carr 5234K98 6.6 cm length, 0.6 cm inner diameter, 1 mm thickness
Nanopure water Barnstead Nanopure Diamond ASTM type I, 18 Mohm-cm resistivity
Plasma Vitalant 4PF000 Plasma frozen within 24 hours
Plate reader Biotek Synergy Neo HST Plate Reader For haemoglobin quantification
Probe cover Civco 610-362
Programming platform MATLAB (the Mathworks, Natick, MA, USA)
Recombinant tissue-type plasminogen activator (rt-PA) Genentech Activase
Reservoir Cole-Parmer EW-07945-43 60 mL capacity
Syringe pump Cole-Parmer EW-74900-20 pump attached to the syringe to draw the flow in the flow channel at a pre-determined fized rate
Transducer In-house customized Eight-element, elliptically-focused transducer (9 cm major axis, 7 cm minor axis and 6 cm focal length), powered by custom designed and built class D amplifier and matching network
Ultrasound scaning system Verasonics Vantage Research Ultrasound System
Water tank Advanced acrylics C133 14 x 14 x 12, 1/2"

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バイオエンジニアリング、問題172、ヒストトリップ、リソトリプシー、血栓溶解、血球溶解、深部静脈血栓症、受動キャビテーションイメージング、集中超音波、音響キャビテーション
組織組織の血栓溶解性の有効性と溶解薬を測定するインビトロシステム
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Bhargava, A., Hendley, S. A., Bader, K. B. An In vitro System to Gauge the Thrombolytic Efficacy of Histotripsy and a Lytic Drug. J. Vis. Exp. (172), e62133, doi:10.3791/62133 (2021).

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