Yöntem makalesi

Kavitasyon yüksek yoğunluklu arttırmak için Plazmonik altın nano tanecikleri üzerinden kontrol edilebilir çekirdekleşme ultrason uygulamaları odaklı

DOI:

10.3791/58045

⸱

5 Ekim 2018

1School of Electronic and Electrical Engineering, University of Leeds, 2Leeds Institute of Cancer and Pathology, University of Leeds

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu iletişim kuralı kavitasyon jel hayaletler, yakın kızılötesi lazer ışık ve yüksek yoğunluklu odaklı ultrason (HIFU) eşzamanlı maruz üzerinden kontrol edilebilir çekirdekleşme gösterir. Kavitasyon etkinlik HIFU görüntüleme ve/veya terapötik kullanımı arttırmak için daha sonra kullanılabilir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmada, Plazmonik altın nano tanecikleri aynı anda yakın kızılötesi lazer odaklı ışık ve yüksek yoğunluk ultrason (HIFU) doku taklit eden jel hayaletler kavitasyon kontrol edilebilir çekirdekleşme sinin. Bu vitro protokolü her iki geliştirme kanser için görüntüleme ve tedavi uygulamaları için bu yaklaşımın fizibilite göstermek için geliştirilmiştir. Aynı cihazı HIFU sistem pozlama süresi değişen tarafından görüntüleme ve tedavi uygulamaları için kullanılabilir. Kısa süreli pozlama (10 µs) için geniş bant akustik emisyon altın nano tanecikleri çevresinde atalet kavitasyon kontrollü çekirdekleşme aracılığıyla oluşturulan. Bu emisyonların nano tanecikleri doğrudan yerelleştirme sağlar. Gelecekteki uygulamalarda bu parçacıklar moleküler hedefleme antikorlar (örneğin meme kanseri için anti-HER2) ile functionalized ve rutin Tanı ultrason görüntüleme tamamlayıcı kanserli bölgelerin hassas yerelleştirme sağlar. Sürekli dalga (CW) pozlama için kavitasyon etkinliği büyük termal hasar jel hayaletler sonuçlanan HIFU Etkilenmeler gelen yerelleştirilmiş Isıtma artırmak için kullanılmıştır. Atalet kavitasyon aktivitesinden bu CW pozlama sırasında oluşturulan akustik emisyon izlenen kavitasyon faaliyet geribildirim sağlamak için bir pasif kavitasyon algılama (PCD) sistemi kullanarak. Artan yerelleştirilmiş Isıtma sadece nano tanecikleri, lazer ışık ve HIFU benzersiz birleşimi elde edildi. Bu teknikte önceden klinik kanser modelleri daha fazla doğrulama gereklidir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yüksek yoğunluklu ultrason (HIFU), odaklı veya ultrason cerrahi (FUS) odaklı, subkutan doku1termal ablasyon için kullanılan İyonlaştırıcı olmayan ve non-invaziv bir tekniktir. Yumuşak doku tümörleri2tedavisinde ana HIFU kullanmaktır ama kemik tümörleri3 veya nörolojik koşulları4tedavi gibi diğer uygulamalar için kullanmaya başladı. HIFU klinikte yaygın kullanımını sınırlar iki ana faktör vardır: Birincisi, tedavi rehberlikte zorluklar ve ikinci olarak, uzun tedavi5kez. HIFU, lazer aydınlatma ve Plazmonik altın nanorods bu yöntem tarafından açıklanan birleşimi HIFU6için mevcut kısıtlamaları aşmak için bir yol sağlayabilir.

HIFU pozlama sırasında baskın doku ablasyon, termal hasar mekanizmadır. Ancak, kavitasyon etkinlik-ebilmek da oyun rol8. HIFU pozlama sırasında meydana gelen kavitasyon etkinlik hem mekanik olarak ve/veya termal aracılı kavitasyon oluşabilir. Mekanik aracılı kavitasyon genellikle akustik kavitasyon7daha fazla ya da eylemsizlik sigara veya atalet9 davranış geçiren kabarcıklar subcategorized, olarak adlandırılır. Termal aracılı kavitasyon eski çözüm veya buharlaşma, gaz cepleri oluşumu olduğunu ve çok'10kaynar' olarak adlandırılır. Kavitasyon etkinliği, en yaygın olarak atalet kavitasyon, kanıtlanmıştır oranları HIFU Etkilenmeler11 ulaşılabilir Isıtma termal geliştirmek ve böylece adres anahtar sınırlamaları biri yardımcı. Ancak, oluşumu ve faaliyet kavitasyon HIFU pozlama sırasında öngörülemeyen olabilir ve kurşun olumsuz etkileri gibi bölgeler veya asimetrik termal ablasyon12aşırı tedavi. Kavitasyon etkinlik HIFU pozlama sırasında kontrol edebilmek için dış çekirdek tanıtımıyla soruşturma. Bunlar microbubbles13, faz kaymalı nanoemulsions14 veya Plazmonik nano tanecikleri15şeklinde alabilir. Microbubbles ve nanoemulsions sinyal gürültü için görüntüleme ve geliştirilmiş termal ablations artırmak için gösterilmiştir. Ancak, onların geçici yapısı üzerinde tekrarlanan HIFU Etkilenmeler işlevsellik sınırlı sahip anlamına gelir. Kavitasyon etkinliğini izlemeye HIFU pozlama sırasında yapılır ya da aktif ya da pasif kavitasyon algılamayı kullanma (ACD veya PCD, sırasıyla). Olarak HIFU Etkilenmeler ile aynı anda gerçekleştirilen ve spektral içerik bilgi sağlar PCD kavitasyon algılama için tercih edilen bir tekniktir. Bu spektral içeriği daha fazla16meydana gelen kavitasyon faaliyet türünü belirlemek için çözümlenebilir. Beri bu emisyonların atalet kavitasyon10 varlığı için benzersiz ve11Isıtma gelişmiş HIFU bağlı olan geniş bant akustik emisyon kullanılır.

Photoacoustic (PAI) görüntüleme tekniği1718Imaging ultrason yüksek çözünürlüklü lazer uyarma seçicilik spektral birleştirir, Imaging klinik bir ortaya çıkan var. Daha önce HIFU Etkilenmeler19rehberlik için kullanılmıştır ama bu görüntüleme tekniği lazer ışık penetrasyon derinliği ile sınırlıdır. Plazmonik altın nano tanecikleri 'kontrast ajanlar lazer ışık yerel emilimini ve daha sonra photoacoustic emisyon20genliği artan' hareket için kullanılabilir. Yeterince yüksek lazer fluences için son derece lokalize görüntüleme21için kullanılabilir mikroskobik buharı kabarcıklar nesil neden mümkündür. Ancak, bu maruz kalma düzeyleri genellikle lazer insanlar22yılında ışık kullanımı için izin verilen maksimum etkiyi sınırını aşan ve böylece kullanımı sınırlı sahip. Bu çalışmada istihdam yöntemi daha önce aynı anda her iki lazer için Plazmonik nano tanecikleri açarak aydınlatma ve HIFU, lazer akım ve akustik basınç bu küçük buharı kabarcıklar nucleate için gerekli önemli ölçüde azaltılmış göstermiştir, ve görüntüleme için sinyal-gürültü oranı artan23' tür. Bir yöntem lazer ve HIFU Etkilenmeler çekirdekleşme ve etkinlik buharı baloncuklar için son derece kontrol edilebilir bir tekniği için Plazmonik nano tanecikleri birleştirme için burada kullanılmıştır.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. doku hayalet üretimi taklit

Not: Bu çalışmada tüm pozlama için kullanılan optik saydam doku taklit eden hayalet akustik özellikleri ayrıntılı bir analizini-ebilmek bulunmak Choi, vd. 24

Not: Her hayalet kalıp yaklaşık 50 mL çözeltisi içeren ve her toplu işlem için toplam beş kalıp doldurulur. Böylece, toplam 250 mL hayalet çözeltisi hazırlanır.

  1. 500 mL Cam kabı ve oda sıcaklığında equilibrate ayrılmak 148.2 mL (% 60 v/v) deiyonize, filtre uygulanmış ve degassed su ekleyin. 75 mL % 40 (ağırlık/hacim) akrilamid/Bis-akrilamid çözüm (% 30 v/v) cam kabı için 25 mL (% 10 v/v) 1 M TRIS arabelleği, pH 8 ve 2,15 mL % 10 amonyum Persülfat (İlişkilendir; %0.86 v/v) tarafından takip ekleyin.
  2. Cam kabı bir manyetik karıştırıcı plaka üzerinde yer alan bir vakum odası içine yerleştirin ve 40 mm uzun politetrafloroetilin (PTFE) manyetik karıştırma çubuğu kabı yerleştirin. Hız karıştırarak bir orta ile (Yani, emin olun iyi olmadan girdap su oluşumu için karıştırma), yavaş 22.5 gram (% 9 w/v) Sığır serum albumin (BSA) tozu ekleyin.
  3. Tüm BSA için çözüm eklendikten sonra vakum odası ve vakum pompası. 80 mBar/h bir vakum korumak ve bir daha fazla 60 dk için hangi yayımlanmasından sonra vakum karıştırarak devam edin. Bu noktada çözüm bir hafif sarı renk hafif renk ile açık olmalıdır.
  4. Yukarıdaki metodoloji ile ve nano tanecikleri olmadan yapılan hayaletler için aynıdır. Nano tanecikleri gerekiyorsa, 10 µL (1 x 108 np/mL konsantrasyonu) yüzey plasmon rezonans (SPR) 850 var nanorods ekleyin nm ve çapı 40 nm.
  5. Son olarak, tetramethylethylenediamine (TEMED) polimerizasyon Hayalet'in katalizler 125 µL ekleyin. Karıştırma için izin vermek için daha fazla 5 dakika bekleyin sonra 5 bireysel kalıplara hayalet solüsyonu dökün ve ayarlamak için 20 dakika bekleyin. Bir kere ayarlandıktan sonra çıkarmak onları--dan sahipleri ve hava geçirmez bir kap içinde kullanmak kadar saklamak. Hayaletler üretim 24 saat içinde kullanın.

2. HIFU dönüştürücü ücretsiz alan akustik basınç kalibrasyonu

Not: Bu bölüm iletişim kuralının her lesioning/görüntüleme deneme önce gerekli değildir. Bu sistemin akustik çıkış sağlamak için düzenli aralıklarla yapılması için bir kalibrasyon prosedürü doğru olmasıdır.

  1. Bir Akrilik su deposu (280 x 141 x 132 mm) 4,5 litre deiyonize ve degassed su ile doldurun. HIFU dönüştürücü bir sabit pozisyon sonrası içinde karşı karşıya tank, bir ucundaki bağlama. Bu, bağlama için bir kalibre edilmiş (Ulusal fiziksel laboratuvarları tarafından yapılır) paralel membran hidrofon HIFU dönüştürücü (63 mm) yaklaşık odak noktası, üç eksenli manuel mikrometre sahneye.
  2. HIFU dönüştürücü bağlanmak (geometrik 63 mm odak) empedans Uyarlayıcıları devre sonra güç amplifikatör ( Şekil 1' de gösterildiği gibi). Bir tetikleyici sinyal güç amplifikatör (Şekil 1) bağlı işlev jeneratörden sağlanmaktadır sağlanması doğrudan veri toplama sistemi, membran hidrofon bağlanın.
  3. İşlev üreteci çıkış voltajı 30-ayarla 10 döngüsü 3.3 MHz sinüs dalga darbe tekrarlama frekansı 100 Hz, mV.
  4. Ölçüm yazılımı kullanarak (görmek Tablo malzemeleritespit edilen akustik sinyal ve mikrometre sahne görselleştirmek, uçuş (42,5 µm) doğru zamanda tespit edilen akustik darbe pozisyon için). Mikrometre sahne alanı'nda bir seferde yalnızca tek bir radyal yönde kullanarak, tespit edilen akustik sinyal en üst düzeye çıkarmak. Kendine güvenen bir kez bu elde, belgili tanımlık bilgisayar yazılımı kapatın ve membran hidrofon geçerli konumunda bırakın.
  5. İşlev üreteci 20-400 mV 20 mV artışlarla üzerinden çıkış voltajı değişmektedir. Her gerilim seviyesi ve kullanma MatLab satın alma yazılımı, kayıt hidrofon sinyalleri. 100 bakliyat her düzeyde kazanmak ve gerilim veri sağlanan kalibrasyon verileri kullanarak basınç dönüştürmek. Verileri ortalama ve her iki en yüksek pozitif ve negatif değerleri tüm çıkış voltajı düzeyleri için ölçmek. Bu her iki nabız için kullanılacak ücretsiz alan en yüksek negatif basınç kalibrasyon verileri verir ve dalga çalışmaları devam ediyor.

3. yapılandırma deneysel cihazları, her iki darbeli ve sürekli dalga çalışmaları için

  1. Bir Akrilik su deposu (280 x 141 x 132 mm) 4,5 litre deiyonize ve degassed su ile doldurun. HIFU dönüştürücü ve Co hizalanmış geniş bant hidrofon üç eksenli manuel mikrometre sahne üzerine monte. O zaman, tam olarak dönüştürücü ve hidrofon su tankında daldırın. Bu bir şematik resim 1' de gösterilen.
  2. HIFU dönüştürücü onun üçüncü harmonik (3,3 MHz) tahrik üzere etkinleştirmek için bir empedans Uyarlayıcıları devre bağlayın. Bu devrenin RF Amplifikatör çıkışı doğrudan bağlı. Dijital işlevi jeneratör güç amplifikatörü girişine bağlı ve uzaktan programlanmış.
  3. Hayalet malzeme pozlama önce kalibre edilmiş fark membran hidrofon bu sistem işlev jeneratör 2'de açıklandığı gibi belirli bir giriş gerilimi için üretilen en yüksek negatif basınç ölçmek için kullanın. Bu referans voltaj değerleri dijital fonksiyon jeneratörü gerekli basınç düzeyi ayarlamak için kullanın.
  4. Geniş bant hidrofon bağlanmak (geometrik 63 mm odak) HIFU dönüştürücü 5 MHz yüksek geçiş filtresi için doğrudan merkezi diyafram içinde yer. O zaman bir 14-bit veri alma kartı (DAQ) 40 dB pre amplifikatör ile bağlayın. Yüksek geçiren filtre ile doğru önyargı bağlı olduğundan emin olun.
    Not: Bu kart bir okul sırası PC yüklü ve tüm donanım (Bu bilgisayar yazılımı-ebilmek bulunmak ek dosyalar olarak örnekler) kontrol etmek için kullanılır ve bu çalışma sırasında çevrimdışı işleme verileri kaydetmek.
  5. Bu 7 sağlayacaktır bu sistemler arasındaki emin olmak için her iki lazer sistemi ve işlev jeneratör süngü Neill-Concelman (BNC) kabloları ile bir transistör transistör mantık (TTL) dijital gecikme darbe jeneratör bağlanmak ns lazer Nabız hedef bölgede HIFU dönüştürücü üzerinden dördüncü rarefaction zirve sırasında çakışık olduğunu.
  6. 1'de açıklanan yöntemi kullanarak, BSA ve bir 1 mm küresel metalik hedef (bir rulman) içeren standart hayalet malzeme olan bir hizalama hayalet, yapmak için nano tanecikleri atlayın. Bunu başarmak için hayalet malzeme 25 mL bir kalıba dökün ve 62.5 µl TEMED katalizör ekleyin, sonra ayarlamak için yaklaşık 20 dakika bekleyin. O zaman metalik hedef merkezi olarak Operadaki hayalet içinde yerleştirin ve hayalet Çözüm 62.5 µl TEMED katalizör ve bir daha da 20 dk ardından bir daha fazla 25 mL ekleyin bekleyin.
  7. Hizalama 3-b yazdırılan sahibi6' hayalet yerleştirin, otomatik bir 3-b sahnede monte ve metalik hedef HIFU dönüştürücü odak zirvesinde böylece yaklaşık konumlandırmak.
  8. HIFU dönüştürücü (3 µs) patlama ve hidrofon almak için (doğrudan DAQ kartına bağlı) kısa bir süre 10 döngüsü göndermek için kullandığı, göre hizalama hedef konuma nabız-yankı konumu ile optimize edilmiştir. Gerçek zamanlı sinyal-ecek var olmak göstermek üstünde bilgisayar algılandı. HIFU dönüştürücü ve hidrofon üzerine monte manuel mikrometre sahne kullanarak uçuş ve sinyal genlik zamanını ayarlayın. Bir kez uçuş süresi 85 µs (bir tek yuvarlak gezi) için ayarlanır ve sinyal genlik radyal her iki yönde de ekranı, bu sistem uyumlu hale getirilmesi.
  9. Çift Optik parametrik osilatör (OPO) optik enerji 532 nm nanosaniye lazer tarafından 2 mm fiber paket kullanarak hayalet pompalanır. Operadaki hayalet (Şekil 1) önünde akustik eksenden bir ikinci mikrometre sahne ve bir açıyla konumunu 45˚ üzerine bu fiber bağlayın. Dalga boyu lazer ışık 680 için ayarlanır hizalama için görünür olmasını nm. Hizalama hedef bir 15 mm çap lazer nokta merkezi vardır öyle ki sonra görünür, mikrometre sahne ile lazer aydınlatma getirin.
  10. 20-90 x dijital mikroskop konumlandırın (çalışma 90 mm mesafe) ve su deposu HIFU dönüştürücü yayma uçak dikey karşı taraflarında bir beyaz ışık kaynağı. Mikroskop küçük mikrometre sahnede monte edilir. Öyle ki hedef metalik hizalama merkezi ve odak kendi görüş alanı içinde (5 x 6 mm) getirin.
    Not: Yukarıdaki yordamı tamamlandıktan sonra tüm öğeler bu sistemin (HIFU dönüştürücü, hidrofon, lazer ve aydınlatma mikroskop) şimdi belirli bir konuma Co hizalanır. Hayalet hizalama şimdi çalışma için kullanılan doku taklit eden hayaletler ile değiştirilebilir. Hayalet bir 3-b konumlandırma sistemine bağlı bir tutucu monte edilmiş gibi farklı bölgelerde hizalama muhafaza ederken hedeflenebilir.

4. kavitasyon eşik algılama Pulsed HIFU Etkilenmeler

Not: Aşağıdaki yordam hayaletler ile ya da ezelî nano tanecikleri için aynıdır ve üç kez yinelenmelidir.

  1. Hizalama işlemi için kesilmeden 3.8 içinde özetlenen sonra PCD sistem bağlı olduğundan emin olun ve lazer dalga boyu nano tanecikleri SPR için tune. Bir özel denetim programı kullanarak, lazer sistemi ile senkronize bir 10 döngüsü (3 µs) HIFU patlama üretmek için işlev üreteci ayarlayın. Ayrıca bu program flash lamba ateş ve Q-switch açılış lazer sistemi harekete geçirilmesine karşılık arasındaki zamanlama değiştirme rağmen bir lazer akım 0,4, 1.1, 2.1 veya 3,4 mJ/cm2 ayarlamak için kullanın.
  2. HIFU sistem 10 mm fokal zirvesine hayalet derinliklerine ve dikey yönde 5 mm tarafından aralıklı 13 benzersiz konumlarda hedef. Bu yerlerin her 4.2 içinde belirtilen dört lazer fluences ile Riziko tek en yüksek negatif HIFU basınç altında gerçekleştirin.
  3. Kullanım aralığı en yüksek negatif baskıları aşağıdaki çekim koşulları için 0, 0,91, 1.19, 1.43, 1,69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53, 2,71, 2.83, 3.00 ve 3.19 MPa: lazer üzerinde nanopartikül ücretsiz hayalet, hayalet bir nanopartikül kapalı lazer ve lazer üzerinde bir nanopartikül hayalet. 'Sahte' lazer benzetimini yapmak için pozlama, sistem olarak açıklanan ama manuel çekim OPO çıkışını durdurmak. Bu yaklaşım herhangi bir RF gürültü oluşturulan hala PCD sisteme mevcut olacaktır sağlayacaktır.
  4. Program tüm ayarları ve pozlama pozisyonlar denetim programı içine, o zaman bu ölçümler gerçekleştirmek için yürütmek. PCD veriler sayısallaştırılmış ve doğrudan post-processing için veri alma kartı kullanarak depolanır. Her pozlama parametresi için alınan6Etkilenmeler vardır 500 yineleyin.
  5. McLaughlan ve ark. tarafından ayrıntılı tekniği kullanarak hayaletler içine kısa süreli HIFU Etkilenmeler PCD sistemden tarafından algılanan geniş bant emisyon işlemek (2017) 6.

5. Termal denatürasyon üzerinden sürekli dalga HIFU Etkilenmeler

Not: Aşağıdaki yordam hayaletler ile ya da ezelî nano tanecikleri için aynıdır ve üç kez tekrar.

  1. 3.4 mJ/cm2 ve (lazer nabzı her 330.000 döngüsü seri çekim senkronize) CW poz vermek için işlev üreteci bir akım vermek için lazer sistemi ayarlayın. 11 benzersiz mekanlar içinde hayalet, 0.20, 0,62, 0,91, 1.19, 1.43, 1,69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53 veya 2,71 MPa en yüksek negatif basınç seçin.
  2. 17 toplam çekim hızı kullanmak s 1s temellerin önce ve sonra hayalet bir 15 s CW HIFU pozlama elde etmek için. Bu toplam pozlama süresi sırasında veri toplama sistemi PCD veri kaydediyor. Mikroskop denetimine PC bağlıdır ve görüntü kareleri termal lezyon oluşumu doğrudan bir görselleştirme sağlamak için bu süre içinde kaydedilir.
  3. 4.3 sürecinde 4.4 içinde belirtilen tüm farklı çekim koşulları için yineleyin.
  4. Her poz için atalet kavitasyon doz25 hesaplamak için devre dışı tüm PCD verileri işlemek.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Darbeli HIFU Etkilenmeler kavitasyon algılama

Pasif kavitasyon algılama sistemi HIFU aralığı ve lazer Etkilenmeler gerilim/saat verilerini her iki hayaletler ve nano tanecikleri olmadan kaydedildi. Şekil 2 Etkilenmeler temsilcisi sonuçlarını bir aralığı için gösterir. Bu araziler üzerinde zaman ölçekleri nerede geniş bant akustik emisyon, bu emisyonların uçuş süresi nedeniyle beklenir bölgeleri vurgulamak için kesiliyor. Şekil 2 gösterir sadece nano tanecikleri, bir arada olduğunda öyle HIFU pozlama ve lazer aydınlatma geniş bant emisyon tespit edilir. Şekil 2 h için akustik daha düşük basınçta geniş bant emisyon algılanamadı gibi ancak, hala bir eşik fenomen bu. Bu emisyonların süresi genellikle bu çalışmada yaklaşık 10 µs yapıldı HIFU pozlama uzunluğu karşılık gelir.

Termal denatürasyon CW HIFU maruz kalma

Şekil 3 kare bir dizi evrensel seri veri yolu (USB) kamera (olan/olmayan lazer aydınlatma ve/veya nano tanecikleri) üç farklı Etkilenmeler türleri için lazer aydınlatma ile tek bir HIFU pozlama sırasında alınan gösterir. Bu rakam termal lezyonlar oluşumu örneği jel hayaletler bu durumlardan her biri için gösterir. Bu görünümde HIFU pozlama soldan sağa oluşur. Tepe Şekil 3 ' te gösterilen örnek için negatif basınç 2.53 MPa, ne bu çalışmada kullanılan üst kenarına olan oldu.

Atalet kavitasyon doz (ICD) CW HIFU Etkilenmeler üzerinden kayıt

Şekil 4 temsilcisi ICD CW HIFU pozlama sırasında kaydedilen hesaplama sonuçlarını gösterir. Bu veri üzerinden pozlama sırasında PCD sistem tarafından kaydedilen emisyon işlenen bir mesaj oldu. Rakamlar 4a, 4 c ve 4e bir daha düşük en yüksek negatif basınç, geniş bant yok emisyonları, rakamlar 4b, d ve f ICD pozlama kaydedildi nerede görüneceğini tespit edildi olduğunu gösterir. En yüksek ICD sinyalleri olarak HIFU ve lazer pozlama (4f rakam) ile nano tanecikleri içeren bir jel pozlama sırasında tespit edildi.

figure-results-1
Şekil 1. Bu çalışmada kullanılan deneysel cihazları şematik gösterimi. Netlik için USB mikroskop ve ışık kaynağı göz ardı edilir ama görünüm bölgesi mavi bir kesikli kutu tarafından gösterilmiştir. CNC - bilgisayar sayısal kontrolü, AuNR - altın nanorods. McLaughlan ve ark. adapte şekil (2017) 6. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-2
Şekil 2. Gerilim izleri örneği kısa HIFU pozlama, / aynı anda lazer aydınlatma olmadan sırasında pasif kavitasyon algılama sistemi ile kaydedilen. Kullanıldığında, lazer akım 2.1 mJ/cm2 en yüksek negatif basınç (a-c) 3.0 ile (d-f) 2.13 ve (g-ı) 1.43 MPa yapıldı. LS - lazer, NR - nano tanecikleri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-3
Şekil 3. Birey USB mikroskop tarafından kaydedilen bir HIFU pozlama sırasında zaman zaman 0, 5, 10 ve 15 s kare. Lazer akım 3.4 mJ/cm2 ve en yüksek negatif basınç 2.53 MPa yapıldı. Sıra (a) lazer pozlama ile ve nano tanecikleri olmadan bir hayalet vardı, (b) lazer pozlama olmadan ve nano tanecikleri içeren bir hayalet olduğunu ve (c) lazer aydınlatma hem de nano tanecikleri içeren bir hayalet vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-4
Şekil 4. Atalet kavitasyon ile pozlama sırasında (a, b, e ve f) kaydedilen doz (ICD) ve (c & d) lazer aydınlatma hesaplanan. En yüksek negatif basınç yapıldı ya (a, c & e) 0.91 veya (b, d ve f) 2.53 MPa. Operadaki hayalet kullanılan (bir & b) herhangi bir nano tanecikleri içermiyordu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu iletişim kuralı doku taklit eden hayalet için CW Etkilenmeler termal olarak oluşturulan denatürasyon üretmek için onlara imalatı açıklayan dört ayrı bölümlere ayrılmıştır. Hayaletler bu denatürasyon yumuşak doku HIFU1' e maruz yaşadığı termal olarak oluşturulan koagülasyon nekrozu taklit eder. Kendi üretim süreci çok hızlı bir şekilde katalizler değil öyle ki APS ve TEMED oranı olduğundan emin olmak önemlidir. Bu işlemin ne kadar hızlı bu oranı, yüksek sıcaklık25 ulaştı ekzotermik ve böylece pozlama önce BSA proteinler denatüre gibi. Bu meydana öyle ki, ancak kalıpları buzlu suda daha fazla bu olasılığı en aza indirmek için jel polymerizing sırasında yerleştirilmiş olabilir TEMED için APS oranı bu protokolündeki ayarlandı.

Bu iletişim kuralı nano tanecikleri, lazer aydınlatmaları ve HIFU pozlama, birleştirerek kavitasyon çekirdekleşme üzerinde duruluyor gibi jel hayaletler üretiminde önemli bir adım onları en az 30 dk vakum altında degas eklemektir. Termal bir lezyon olmasaydı bile HIFU (özellikle CW Etkilenmeler), maruz kez önceden varolan çekirdek önlemek için jel hayaletler taze bir konumda hedeflemek önemlidir. Operadaki hayalet bilgisayarı kullanarak hareket çeviri sistemi kontrol zaman HIFU odak (ve böylece hizalanmış bölge) derinliği tutarlı olmasını sağlamak önemlidir. Bu HIFU basınç ve lazer akım düzeyleri her belirli pozlama parametresi için Tekdüzen olmasını sağlar. Bu iletişim kuralı için hayalet sahibinin ilk yerleştirme sonrası, bu o zaman sadece dikey eksen çevrilir.

Termal bir lezyon oluşumu izlemek için görsel bir mekanizmaya gibi doku taklit eden sıcaklığa duyarlı jelleri HIFU araştırma topluluk25tarafından yaygın olarak kullanılır. Bu çalışmada onları nano tanecikleri ile birleştirerek ve lezyon oluşumu kontrollü kavitasyon faaliyetleri ile sağlanan geliştirme gösteren ilk örnek oldu. Doku taklit eden onların tepki için sıcaklık olarak sınıflandırılır, ancak, hem kendi optik ve akustik zayıflama değildir. Jelleri lezyon oluşumunda görselleştirmek için ihtiyaç nedeniyle hayaletler vardır yakın: şeffaf, hafif sarı renk hafif renk. Lazer akım hesabınıza bunun için ayarlanır gibi hedef bölge aydınlatıcı lazer ışığı diffusive için normal doku olacak gibi collimated yerine olduğu anlamına gelmez. Böylece birden fazla aydınlatma için klinik çevirisine izin ver için kaynakları yeterli dozda yüzeyi sağlamak için gerekli olacaktır. Şu anda bu eser cilde maruz kaldığında lazerler güvenli kullanımı için kurallar22 bağlı kalır. Bu derinlikte ulaşılabilir en yüksek lazer akım sınırlandırır; Böylece, bu teknik başlangıçta meme, ya da baş ve boyun gibi yüzeysel kanserleri tedavi için uygun. Ayrıca, bu tür kanserler için yüzey reseptörlerinin hedefleyen Plazmonik nano tanecikleri tedavisine artan seçicilik sağlayabilir. Ancak, bu araştırmanın son derece etkin bir alan olsa bile, bu tür parçacıklar Şu anda klinik kullanım için onaylanır.

Hayaletler nano tanecikleri ile akustik zayıflama 0.7±0.2 dB/cm6olmak ölçülür ise, 3-4 dB/cm yumuşak doku değeri ile karşılaştırıldığında, önemli ölçüde düşüktür. Böylece, bu jellerin HIFU poz Isıtma yumuşak dokuda gözlenen daha düşük olacaktır. Cam boncuk jel için eklenmesi için yumuşak doku25benzer zayıflama seviyeleri artar kanıtlanmıştır. Bu boncuklar çekirdekleşme kaynakları kavitasyon aktivitesi nano tanecikleri yokluğunda bile için hareket, ve böylece kavitasyon eşik yanlış Ancak, bu uygulamada, bu yaklaşım mümkün değildir. Ne zaman çalışma sonuçları ile Isıtma verimliliği Choi ve ark. tarafından karşılaştırma (2013) 25, termal lezyonlar en yüksek basınç aralıklarına 14-23 MPa oluşturulan (değil belirtilen Eğer bu en yüksek pozitif veya negatif basınç). Bu 1.1 MHz de yapılmıştır, zayıflama hayaletler Bu çalışmada kullanılan daha düşük oldu. Yine de, bu çalışmada nanopartikül parçalanmayabilir yaklaşım bu hayaletler baskıları 1,19 3.19 MPa, böylece gösteren bir verimlilik artışı üzerinde mevcut metodolojiler arasında değişen, termal lezyonlar elde edebilecektir.

Bu metodoloji tümör azaltma, doku perfüzyon, nano tanecikleri ve ilgili akustik zayıflama parametreleri hedefleme moleküler dahil etmek için in vivo modelinde yapılmalıdır için gelecekteki test.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazar ifşa etmek hiçbir şey vardır.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser EPSRC tarafından desteklenen hibe EP/J021156/1. Yazar bir erken kariyer Leverhulme Bursu (ECF-2013-247) destek kabul etmek istiyorum.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Tek Elemanlı HIFU dönüştürücüSonic ConceptsH-102
55dB Güç AmplifikatörüE & IA300
Fonksiyon JeneratörüKeysight Teknolojileri33250A
Diferansiyel Membran HidrofonHassas Akustik Ltd
TTL Darbe JeneratörüKuantum Bestecileri9524
Nd:YAG Darbe LazerSürekliSurelit I-10
OPO PlusSürekliSüalit
Fiber PaketiThorlabs IncBF20LSMA01
Enerji SensörüThorlabs IncES145C
NanorodsNanopartzA12-40-850
Geniş bant dedektörüSonic ConceptsY-102
5 MHz yüksek geçiren filtreAllen Avionics
40dB preamplifikatörSpectrum GmbHSPA.1411
14 bit veri toplama kartıSpectrum GmbHM4i.4420x8
Deiyonize Filtrelenmiş SuMilliQ
Akrilamid/Bis-akrilamid çözeltisiSigma AldrichA9927
1 mol/L TRIS TamponuSigma AldrichT2694
Amonyum PersülfatSigma AldrichA3678
Sığır serumu albuminSigma AldrichA7906
TEMEDSigma AldrichT9281
3D yazıcıCEL-UKRobox
3 eksenli konumlandırma sistemiZolix
Dijital MikroskopDino-liteAM4113TL
Su DeposuMujiAkrilik Tank
Optik BileşenleriThorlabs IncÇeşitli
Optomekanik BileşenlerThorlabs IncÇeşitli
RS
Masaüstü PCÖzel Yapım
Ocak Gözü KarıştırıcıFisher
SBench6Spectrum GmbHÖlçüm yazılımı
BNC Kabloları

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ter Haar, G. Ultrasound focal beam surgery. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).
  2. Kennedy, J. E. High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours. Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Neppiras, E. A. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).
  8. 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).
  9. Leighton, T. The Acoustic Bubble. , Academic Press. (2012).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).
  19. 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).
  20. Li, W., Chen, X. Gold nanoparticles for photoacoustic imaging. Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).
  21. 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).
  22. ANSI. Z136. 1. American national standard for the safe use of lasers. , American National Standards Institute, Inc. New York. (2007).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Kavitasyon ekirdeklenmesiLazer UltrasonuDoku Taklit Eden FantomlarPasif Kavitasyon TespitiTermal Lezyon Olu umuGeni Bantl Akustik EmisyonlarNanopartik l FonksiyonalizasyonuKanser Tedavisi yile tirme

İlgili makaleler