Generation och kvantitativ analys av Pulsed Low Frequency Ultraljud att bestämma Sonic Känslighet hos obehandlade och behandlade neoplastiska celler

Medicine
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Trendowski, M., Christen, T. D., Zoino, J. N., Acquafondata, C., Fondy, T. P. Generation and Quantitative Analysis of Pulsed Low Frequency Ultrasound to Determine the Sonic Sensitivity of Untreated and Treated Neoplastic Cells. J. Vis. Exp. (101), e53060, doi:10.3791/53060 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Ultraljud avser varje oscillerande ljudtrycksvågen med en frekvens som är högre än den övre gränsen för mänskliga hörsel kapacitet (~ 20 kHz) 1. Lågfrekvent ultraljud i 20-60 kHz har använts i laboratoriet som ett sätt att generera emulsioner, förbereder cellprov för nukleinsyra utvinning, för störningar vävnad, och en mängd andra tester. Nyttan av lågfrekvent ultraljud har också utökats till industriell miljö för svetsning, rengöring av olika material och i materialbearbetning. Kommersiellt tillgängliga ultraljudsgeneratorer kommer i frekvenser som sträcker sig från 18 till 60 kHz, och fullskalig wattal från 100-1,200 W.

Även ultraljud har länge använts i den kliniska inställningen för diagnostisk avbildning, har det använts som en terapeutisk modalitet först nyligen. Ultraljud ≥1 MHz kan på ett säkert sätt störa njursten (njursten) och gallstenar (stenar i the gallblåsan eller i levern) hos patienter för att minska symtomen 2,3. Denna metod som kallas extrakorposhockwave litotripsi (ESVL) är nu allmänt tillämpas på kliniken (mer än en miljon patienter behandlas årligen med ESVL i USA ensam 4), och erbjuder en modalitet av för att icke-invasivt bryta upp calculi med minimal collateral damage med hjälp av externt tillämpas, fokuserad, hög intensitet akustiska pulser 2-4.

På grund av de unika direkta skjuvkrafter samt kavitationsbubblor genereras av hög intensitet ultraljud, har dessa metoder undersökts i cancerterapi för behandling av hormonresistent prostatacancer och pankreas adenokarcinom i ett tillvägagångssätt som kallas hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU ) 5-8. På ett sätt som liknar ESVL använder HIFU flera ultraljud strålar och fokuserar dem på ett valt fokusområde för att generera temperaturer på 60 ° C eller highenne med hjälp av akustisk energi, inducerar koagulativ nekros i målvävnaden 5. Även om andra former av termisk ablation finns för närvarande (radiofrekvens ablation och mikrovågsugn ablation), erbjuder HIFU en klar fördel jämfört med dessa metoder i att det är den enda icke-invasiv hyper modalitet 5. HIFU har uppnått blandade resultat på kliniken och är för närvarande endast tillgänglig i kliniska prövningar 8-11. Ändå har den begränsade framgång den har uppnått, och mycket lovande in vivo-data som förvärvats från prekliniska modeller däggdjurs visat potentialen av ultraljud i cancerterapi.

I ett försök att förbättra HIFU, har forskare försökt att kombinera ultraljud med lämpliga cytostatika för att generera en form av sonochemotherapy. Sonodynamic behandling (SDT) är en lovande ny behandlingsform som har visat imponerande antineoplastisk aktivitet både in vitro och 1. Det har visat sig att ultraljud preferentiellt skadar maligna celler baserat på storleksskillnad mellan sådana celler och de med normal histologi 1,5. SDT innehåller specialiserade agenter kallas sonosensitizers att öka omfattningen av förmåns skador som utövas av ultraljud mot neoplastiska celler. Även terapeutiska tillämpningar av SDT har tidigare undersökt, ultraljud system som används använder typiskt högre frekvens ultraljud (≥1 MHz), och effekterna av låga kHz ultraljud har ännu inte helt utforskade. Lägre frekvenser av ultraljud är ofta mer skickliga på att producera tröghets kavitation, ett fenomen som resulterar i destruktion av celler på grund av den snabba kollaps av mikrobubblor, som inducerar fysikalisk skada 12-14. Denna skillnad i generering av tröghets kavitation mellan MHz och låg kHz ultraljud har tillskrivits det faktum att lägre vågfrekvenser möjliggör mikrobubblors mer tid att växa med renad diffusion i expansionshalvcykel, därför producera mer våldsamma kollapsar under följande kompressionshalvcykeln 12.

Vi har tidigare visat att U937 humana monocytiska leukemiceller är känsliga för lågfrekvent ultraljud (23,5 kHz), och att denna känslighet kan markant ökas genom tillämpning av antineoplastiska medel som stör cytoskelettet 15. Vidare har vi visat att celler preferentiellt skadad baserat på storlek, med större celler som uppvisar högre ultraljuds känslighet. Dessutom, normala humana hematopoetiska stamceller (hHSCs) och leukocyter vid jämförbara cellstorlekar är mycket mer resistenta mot sonikering än deras neoplastiska motsvarigheter 15, preliminärt antyder att lågfrekvent ultraljud kan användas för att företrädesvis skada elakartade celler i närvaro av normal vävnad.

För att ytterligare undersöka den unika propheter av lågfrekvent ultraljud för potentiell terapeutisk användning, har vi utvecklat rengörings- och stabiliserings förfaranden för att öka effektiviteten och tillförlitligheten hos en av våra nuvarande sonication system, Branson Model SLPe 150 W, 40 kHz Cell Disrupter, utrustad med en 20 mm horn monterad in i en 7,62 cm kopp. Dessutom har vi kunnat fastställa exakt prov kavitation energi, samt konsekventa vågformer och amplitud inom 40 kHz med hjälp av en kavitation mätare och oscilloskop med hydrofon. Genom raffinering och systematisera våra protokoll, har vi kunnat etablera konsekvens i våra experimentella sonications, vilket tillåter oss att kvantitativt jämföra ljud känsligheten hos neoplastiska och normala celler av olika histogenetic linjerna. Vår protokoll för 40 kHz system presenteras i omfattande detalj för att berörda laboratorierna att kunna utföra jämförbara experiment, och att utvärdera våra resultat av de antineoplastiska effekter framkallas avlågfrekvent ultraljud. Dessutom undersöker vi beroende effekter dos av metyl-β-cyklodextrin (MeβCD, Figur 1), en kolesterolnedbrytande medel, om att öka ultraljuds känslighet U937 och THP1 humana monocytiska leukemiceller.

Protocol

1. Rengöring Cell Sonifier System

  1. Rengör facket mellan hornet och omvandlare med användning av kloroform och en bomullstopp av bomull. Applicera en lätt olja eller mineralolja på gängorna på hornet och omvandlare för att ytterligare avlägsna ansamling av metallspån, rost eller oxidation.
  2. Använd kloroform för att avlägsna den olja och andra föroreningar från unionen efter torka gängorna med olja.

2. Sätta ihop Cell Sonifier och Ställa in systemet

  1. Sätt tillbaka hornet till omvandlaren. För att korrekt dra åt systemet, ta bort den sammansatta omvandlaren och horn från koppenheten genom att dra hornet ur botten av koppen (Figur 2A). Placera en slits nyckel inne i en av de tre små hål nära toppen av konvertern (Figur 2B). Därefter, positionera en vridmomentnyckel försedd med en ½ tum galande fot på den slitsade delen av hornet (figur 2B). Dra i standard medurs tills moment mätaren visar 54,23 N m. (Figur 2C), vridmomentet som rekommenderas av tillverkaren 16. Montera åtdragna omvandlare och horn tillbaka i koppen, och montera hornet och omvandlare till ett ringstativ i upprätt läge. Åter omvandlaren till strömförsörjningen innan du ställer in systemet för experimentell puls dosering.
  2. Ställ in systemet för puls dosering med användning av 1 sekund av ultraljudsbehandling med 1 sekund mellan pulserna. Olika doseringsmodeller kan användas för andra experimentella betingelser. Många variabler, såsom vattenvolym och horn diameter skulle potentiellt kräva ändringar i dosering. Använda ovannämnda cellprovstyper, volym och koncentration, har empiriska uppgifter och observation ledde till utformningen av denna dosering.
  3. Anpassa systemet till den önskade amplituden. I detta protokoll använder 33% och 50% amplitud för att förhindra fullständig celldestruktion, som skulle göra effekten av sonosensitizers svåra eller omöjliga att mäta.
    OBS: I denna studie amplituderna jämförs.

3. Bedöma System Intensitet och funktion

  1. Håll kavitation mätaren vid 1,5 cm, vilket är den nivå av provet sonikering. Notera avläsningarna att bedöma om systemet körs på en förväntad intensitet. Använda det nuvarande systemet och vattennivåer, förväntar mellan 100-110 W / cm2 för 33% amplitud och 115-125 W / cm2 för 50% amplitud. Notera kavitation mätaravläsningar från mätarens display som representerar kavitation energi i W / cm2 direkt. Ta dessa värden på vattenytan, och se till att inga bubblor finns på framsidan av mätare sonden.
    OBS: Det är viktigt att notera att dessa förfaranden gjort utan lock för tillträde ovanför horn. De behöver inte upprepas efter varje sonikering. I stället bör de endast utföras efter rengöring, återmontering, och inrättandet av systemet. Placera hydrofonen i en provflaska innehållande 12,5 ml vatten för att helt fördjupa hydrofongivaren. Suspendera hydrofonen med ringstativet.
  2. Fäst hydrofon till ingången av oscilloskopet för att bedöma vågformen egenskaper. Undersök oscilloskopet en tydlig sinusvåg, som avvikande vågor kan ändra frekvensen i systemet från tillverkarens specifikationer. Både kavitation mätare och oscilloskop ger en frekvens läsning, men bara oscilloskopet visar avvikande vågor som indikerar en felaktig system eller felaktig montering.

4. Framställning av celler och medium

  1. Bered mediet genom att använda 240 ml Iscoves modifierade Dubecco medium (IMDM) och 50 ml fetalt bovint serum. Tina inte fetalt bovint serum i ett varmt vattenbad, såsom en snabb ökning av temperaturen kan leda till en kompromiss i serumstabilitet. Kombinera 240 pl gentamicin 50 mg / ml och 5 ml penicillin/ Streptomycin 100x i en vanlig odlingskolv, och lägg till mediet. Förvara mediet vid 4 ° C.
  2. Seed U937-celler vid ~ 4 x 10 4 celler / ml i en 25 cm 2 kolv med användning den framställda mediet. Bedöm celler för koncentration och lönsamhet med hjälp av en TC20 celltalsräknare och trypanblåttuteslutning genom att placera 15-20 il av celler och 15-20 il trypanblått in i en mikro-centrifugrör och blanda innehållet. Pipette15-20 il av denna blandning i en TC20 provtagnings rutschbana, och initiera räknas genom att placera bilden i TC20 celltalsräknare.
  3. Inkubera cellerna vid 37 ° C och 5% CO 2, och kontrollera cellviabiliteten med hjälp trypanblåttuteslutning och TC20 celltalsräknare. När cellerna är i en lämplig koncentration och / eller har behandlats med sonosensitizers för en lämplig tidsram, överförings 3 ml celler från odlingskolven till en 20 ml glasskintillationsflaska. I detta protokoll, växa U937-celler under 48 timmar, och sedan behandla med 0,5, 1,eller 5 mM MeβCD för 30 min för att tillräckligt utarma kolesterol av celler före sonikering.

5. Cell Sonikering

  1. Degas avjoniserat, destillerat vatten med hjälp av ett vakuum och Buchner-kolv. Överför vattnet till koppen hornet, och fyll till en nivå av 15 mm ovanför toppen av hornet. Den ultraljudsprocessen orsakar ytterligare avgasning av vattnet under en period av några minuter, och kan leda till inkonsekvenser under loppet av experimentet om systemet inte körs före provultraljudsbehandling. Därför köra systemet för ~ 7 min före provultraljudsbehandling.
  2. Fäst scintillationsflaska innehållande cellerna till hållaranordningen. Anslut sedan hållaranordningen till toppen av koppen hornet och inställd på en höjd av 15 mm från toppen av hornet (vid vattenytan med hjälp av glidande mekanismen).
  3. Cellerna är typiskt sonikerades med tre 1 sek pulser av ultraljud, med 1 sek mellanrum mellan var och en av dessa pulser. För dettaprotokoll, Sonikera celler vid 33% och 50% amplitud med användning av nämnda pulsdosering.

6. Bedöma celler för skada efter ultraljudsbehandling

  1. Bedöma de suspenderade cellerna för skador och lönsamhet med hjälp av trypanblått och TC20 celltalsräknare. Dessutom analyserar provet med en Z2 räknare. För Z2 disk analys, pipett 100 ul cellsuspension i 20 ml isoton koksaltlösning (200: 1 ratio). Före analys, spola öppningen i Z2 partikelanalysator minst två gånger med användning av isotonisk saltlösning. Placera Z2 provet i räknaren hållaren, och höj plattformen till öppningen innan du initierar räknas.
  2. Skaffa data från TC20 och Z2 räknare med hjälp av programvara som tillhandahålls av tillverkaren. Analysera dessa data för cellskada, livskraft, och skapandet av cellrester från ultraljudsbehandling.

7. XTT analys för att bestämma cellviabiliteten och mitokondrie-aktivitet hos behandlade U937 och THP1 Celler

  1. Prior till XTT analyser, växer U937 och THP1 celler under samma betingelser. Förbehandla celler med samma koncentrationsområde av MeβCD för 30 min före sonikering. Använd samma ultraljud parametrar som tidigare förutom att cellerna nu sonikeras hjälp av en rad 1-3 en sekund pulser åtskilda sek varandra för att utveckla en rad skador för XTT kit för att bedöma.
    Obs: Många av dessa åtgärder vidtas direkt från XTT satsen handboken och endast upprepas för att underlätta för de berörda laboratorierna.
  2. Samla cellerna genom centrifugering vid 200 xg under 10 minuter. Resuspendera cellpelleten i tillväxtmediet som beskrivits tidigare. Resuspendera celler vid ~ 1 x 10 5 celler / ml. Seed U937-celler på 100 pl per brunn i en flatbottnad 96-brunnars mikrotiterplatta i tre exemplar, och sedan upprepa för THP1 celler med hjälp av en separat 96-brunnar. Inkludera 3 kontrollbrunnar innehållande 100 pl ensam som komplett odlingsmedium tomma absorbansavläsningar. Sedan Inkubera de inokulerade plattorna under 24 tim.
  3. Tina två alikvoter av XTT reagenset och aktiveringsreagens vid 37 ° C före användning. Swirl portioner försiktigt tills klara lösningar erhålls. Lägg 0,1 ml av aktiveringsreagens till 5,0 ml av XTT-reagens, som bildar tillräckligt aktiverad XTT-lösning för en 96-brunnars mikrotiterplatta analysen. Upprepa processen för den andra plattan.
  4. Lägg 50 pl av den aktiverade-XTT-lösning till varje brunn. Återför plattan till cellkulturen CO2-inkubator under 2 h. Skaka försiktigt plattan efter inkubationsperioden för att jämnt fördela den orange färgen i de positiva brunnarna. Mät absorbansen hos analys brunnar innehållande cellerna och de tomma bakgrundskontrollbrunnarna vid en våglängd mellan 450-500 nm våglängd med användning av en mikrotiterplattläsare.
  5. Antingen noll mikrotiterplattläsare med hjälp av tomma kontrollbrunnar eller subtrahera sitt medelvärde från de specifika resultat. Mät absorbansen hos alla analysbrunnar igen vid ett wavelength mellan 630-690 nm och subtrahera värdena från 450-500 nm värden som erhålls. Obs: Denna andra absorbans beslutsamhet hjälper till att eliminera ospecifika avläsningar från analysresultaten. XTT-analysen upprepades fyra gånger för båda cellinjerna.

Representative Results

Systemstabilitet är av största vikt att få repeterbara och tillförlitliga resultat. Korrekt vridmoment specifikation av 54,23 N. M uppnått korrekt koppling av omvandlaren och sonotroden 2, med konsistensen av vågformen utvärderas med hjälp av ett oscilloskop och hydrofon (figur 3A). Figur 3B visar mätningar inne i provflaskan, och Figur 3C bedömer stabiliteten i koppen horn. Som väntat var amplituden något reducerad på grund av att en del energi absorberas av glaset. Dock vågformen inte störs eller förvrängs antingen panel B eller C, vilket är nödvändigt för tillförlitlig leverans av ljudenergi till provet. En vågform som inte visas som en klar singular sinusvåg indikerar en felaktig givare eller felaktig inställning. Detta uttrycks i figur 3D, som visar flera avvikande vågor, en tydlig frånvaro av en sinusvåg, och en frekvens läsning nejt förväntas med ett väl fungerande system. Den kavitation mätare används för att mäta kavitation energi som genereras (Figur 4) fann ljudintensiteten att vara 100-110 W / cm 2 vid 33% amplitud, och 125-130 W / cm 2 vid 50% amplitud.

När 40 kHz systemet lämpligt kalibrerad och monteras i sin helhet (Figur 5), var tillförlitliga celldestruktion lätt uppnås, som bestäms av både TC20 och Z2 räknare (Figur 6). Som väntat, var mer omfattande cellskador observerades i cellpopulationer sonikerade vid 50%, i stället för vid 33% amplitud. Ändå är 33% amplitud användbar som en utgångspunkt för att upptäcka eventuella ljud sensibiliserande effekt av administrerade medel, eftersom det ger märkbara skador, men lämnar utrymme för mer skada på att upptäckas när medel tillförs för att bedöma deras förstärkning av ultraljuds känslighet. Detta demonstreras i figur 7A, därdosberoende effekter av MeβCD på potentiering ultraljuds känsligheten hos U937-celler presenteras. Även icke-sonikerade MeβCD-behandlade celler var mycket lika i lönsamheten för icke-sonikerad, obehandlade celler, lönsamheten markant föll efter tre pulser med 1 sek 40 kHz ultraljud har tillämpats. Dessutom tycks minskningen i viabilitet efter sonikering för att ha varit dosberoende, som 5 mM MeβCD producerade den största nedgången i celltalet, följt av 1 mM, och sedan 0,5 mM MeβCD.

Liknande effekter på cellviabilitet och mitokondriell aktivitet observerades i både U937 och THP1 celler som behandlades med varierande koncentrationer av MeβCD före ultraljudsbehandling, som utvärderats med XTT kit (Figur 7B). Även THP1 celler verkar vara något mer sonic resistent än U937-celler, är både humana leukemilinjerna skadats på ett dosberoende sätt. Högre koncentrationer av MeβCD och fler pulser av ultraljuds produced den lägsta minskningen av XTT till en löslig, ljust färgad apelsin derivat för både U937 och THP1 celler, motsvarande lägre cellviabiliteten och mitokondriell aktivitet.

Figur 1
Figur 1. Molekylstruktur för metyl- β-cyklodextrin. (A) Fullständig struktur av metyl-β-cyklodextrin (MeβCD). (B) MeβCD är en polymer av sju repeterande enheter med en R-grupp av antingen H eller CH 3. Molekylformel: C 56 H 98 O 35. Molekylvikt = 1331,36.

Figur 2
Figur 2. Korrekt torqueing den 40 kHz ultraljudssystemet. (A) horn och omvandlaren avlägsnas från koppen prieller att torqueing. (B) Placera facket skiftnyckel och momentnyckel vid sina respektive positioner. (C) Applicera 54,23 N. M vridmoment medurs innan du sätter tillbaka hornet och omvandlare till koppen.

Figur 3
Figur 3. Användning av ett oscilloskop för att karakterisera vågformen av ultraljudssystemet. (A) Ett oscilloskop med hydrofon kan användas för att utvärdera amplitud och vågform konsistens. (B) En inspelning tas med koppen direkt ovanför hornet på 1.5 cm och ställs in på 33% amplitud. (C) Vågformen på bilden är från en läsning förvärvas när hydrofon placeras inom 20 ml glasscintillationsbehållare. Flaskan är placerad vid 1,5 cm ovanför horn och återigen satt till 33% amplitud. (D) Ett oscilloskop skärmdump ofa systemet med avvikande frekvenser som kan förväntas med ett defekt system eller felaktig koppling av hornet omvandlaren unionen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Användning av en kavitation mätare för att karakterisera ljudintensitet av ultraljudssystemet. Den kavitation mätaren sett här används för att representera kavitation energi i W / cm 2. Detta är ett mycket viktigt instrument för att bedöma överensstämmelsen mellan energi i förhållande till provet.

Figur 5
Figur 5. Viktiga komponenter i 40 kHz ultraljudssystemet. Ultraljudssystemet visas komplett med kopp horn ( (B), omvandlaren (C), och provpositioneringsmekanism (D). Denna design medger enkel positionering av provet (E) ovan hornet (F).

Figur 6
Figur 6. Effekter av olika amplitud på ultraljuds lys av U937-celler med hjälp av TC20 och Z2 räknare. Celler sonikerades med 40 kHz-cell Dismembrator vid 33% amplitud (100-110 W / cm 2) eller 50% amplitud (125-130 W / cm 2) med användning av tre 1 sek pulser av ultraljud, med en sek mellanrum mellan varje av dessa pulser. (A) En skärmbild från Z2 räknaren programvara visar effekten av ultraljudsbehandling på U937-celler. (B) Uppgifter från TC20 disken har sammanställts i en graf för att visa reproducerbarhet av resultatets. Dessa data inkluderar den totala och levande celltal, liksom trypanblått bedömas cellviabilitet. Barer återspeglar standardfelet av medelvärdet (SEM) för 4 oberoende cellpopulationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7
Figur 7. Effekter av metyl- β-cyklodextrin på potentiering ultraljuds känslighet U937 och THP1-celler. (A) U937 celler behandlades med varierande koncentration av MeβCD under 30 minuter innan de sonikerades med 40 kHz ultraljud (105 W / cm 2 ) med tre 1 sek pulser åtskilda 1 sek mellanrum. Cellpopulationer grupperades i ≥12 pm och ≥17 pm. (B) U937 eller THP1 celler åter behandlades med varierande concentransoner av MeβCD under 30 minuter innan de sonikerades med 40 kHz systemet med 1-3 pulser med 1 sek ultraljud avstånd 1 sek mellanrum. Cellviabilitet och mitokondriell aktivitet bedömdes med XTT kit. 100 ul av celler såddes per brunn i en flatbottnad 96-brunnars mikrotiterplatta. Plattan inkuberades under 24 h före tillsatsen av XTT-lösning. Cellerna inkuberades därefter under ytterligare 2 h före våglängden avlästes. Barer speglar SEM för 4 oberoende cellpopulationer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

För att uppnå optimala resultat, bör särskild försiktighet iakttas för att noggrant positionera provet och rengör omformar horn union. Placeringen av provet i hornet är viktigt för att få en konsekvent celldöd, som att ändra avståndet från hornet kommer att förändra den akustiska fokus, och därmed förändra energi provet utsätts för. Den akustiska energi i koppen horn kan kartläggas med hjälp av kavitation mätaren för att hitta positionen för maximal kavitation. Dessutom kavitation mätaren, tillsammans med oscilloskop är avgörande för bestämning av ljudintensitet cellerna utsätts för, samt homogeniteten av vågformen. Därför bör dessa instrument användas för att upptäcka problem med systemet, och hjälpa till att avgöra vad felsökning kan behövas för att korrigera systemet blir instabilt.

Såsom tidigare nämnts kan den låga systemfrekvensen agera för att ytterligare avgasa vattnet genom hela experimentet om inte köra förflera minuter före prov sonikering. Denna första körningen måste utföras för att ge en relativt avgasad ultraljudsmedium och därmed konsekventa resultat under experiment. Dessutom bör celler inte sonikeras vid eller nära den maximala amplituden vid bedömningen av effekten av sonosensitizers, eftersom den verkliga omfattningen av sensibilisering skulle vara svårt att bedöma. Använda 33% amplitud på 40 kHz-systemet är en idealisk miljö, eftersom det ger betydande skador, men ger sonosensitizers gott om utrymme att visa sin effektivitet, vilket framgår med MeβCD mot U937 och THP1 celler (Figur 7). Dessa uppgifter bekräftar också att MeβCD sensibiliserar flera leukemi linjer till lågfrekvent ultraljud på ett dosberoende sätt.

Det har förekommit ett antal experiment gjorda med högre frekvens i intervallet 0,75 MHz till 8 MHz som visar tecken på intramembrane kavitationsbubblor genereras genom ultraljudsbehandling 17-19. Emellertid questioNS fortfarande när det gäller den exakta mekanismen för ultraljud-inducerad cellysis 18. Vi har visat ett samband mellan fluidisering cytoskelettet och ökad ljudkänslighet med användning av lågfrekvent ultraljud 15, ett fenomen framgår av andra laboratorier 20, 21. Dessutom har vi funnit att mikrofilastörande medel, såsom cytokalasin B potentiera ultraljuds känslighet vid multipel leukemi linjer, men inte hHSCs eller leukocyter 22, vilket tyder på att inhibering av aktin polymerisation kan vara en sonosensitizing mekanism av särskilt intresse. Vi har också konstaterat att vinkristin, ett mikrotubuli störande medel som hämmar tubulinpolymerisation 23, 24, markant ökar ultraljuds känslighet olika leukemityper in vitro inklusive akut myeloisk leukemi, kronisk myeloisk leukemi och akut lymfatisk leukemi. Däremot cytoskeletala riktad medel som stabiliserar cytoskelettala komponenter (paklitaxel end jasplakinolid) tycks göra cellerna resistenta mot ultraljudsbehandling, vilket återspeglas av lägre priser för cellys 22. Sammantaget dessa data stöder hypotesen att fluidisera cytoskelettala komponenter i neoplastiska celler är verkligen en viktig faktor för att öka effekten av SDT 25. Föreliggande studie visar också att kolesterol utarmning kan vara en annan metod för att ytterligare förstärka den ultraljuds känsligheten hos neoplastiska celler, såsom MeβCD-behandlade U937-celler markant sensibiliserats för 40 kHz ultraljud.

Medan våra sonication protokoll har visat markant antineoplastisk aktivitet in vitro, är den nuvarande metoden begränsad till arbete i modeller kultur och små ryggradsdjur som kan passa in i flaskorna som används för ultraljudsbehandling. Vi har visat att zebrafisk säkert kan sonikeras med användning pulsad lågfrekvent ultraljud (20 kHz), och att deras tolerans mot kemoterapeutiska medel är kvantitativt jämförbar meddoser tolereras av musmodeller 26, vilket tyder på att tumörbärande zebrafisk kan användas i förundersökningar för att bedöma den antineoplastiska aktiviteten hos dessa protokoll in vivo. Ändå administrera kemoterapeutiska medel före sonikering av däggdjursmodeller har rapporterats i MHz-området 1, och sådana protokoll kan sannolikt utsträckas att inkorporera lågfrekvent ultraljud, samt kolesterol-nedbrytande och cytoskelett-riktade medel.

Potentiella kliniska tillämpningar av denna form av SDT kan innebära extrakorporeal blodultraljudsbehandling där antineoplastiska medel administreras intravenöst (iv) innan blodet tas bort för ultraljudsbehandling 25. Denna metod tar bort eventuella ljud hinder som mänsklig anatomi, och kan vara ett effektivt sätt att skada leukemiblaster, samt metastaser från solida tumörer. Det är också möjligt att kolesterol nedbrytande och cytoskeletala riktad medel kundeanvändas i HIFU protokoll som redan undersöks på kliniken i ett försök att förbättra effektiviteten av denna behandlingsform.

De metoder som beskrivs i den aktuella studien är kapabla att bedöma värdet av potentiella sonosensitizers, och ytterligare ett system förfining kan förstärka detta verktyg. Men det finns många variabler att ta hänsyn till när man använder sådana ultraljuds apparatur, inklusive strömförsörjning kvalitet, akustisk fokus, och individuell variation bland omvandlare. Därför kommer framtida forskning fokuserar på att visualisera ljudvågorna och förstå deras påverkan på resultat. SDT har visat sig öka cellysis in vitro och kan visa sig vara kliniskt genomförbar om mer in vivo-data i däggdjursmodeller förvärvas. Experiment undersöker andra potentiellt utvinningsbara egenskaper hos maligna celler, liksom olika kombinerade modaliteter som involverar flera agenter och ultraljud fortsätter i vårt laboratorium.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Iscove's Modified Dulbecco's Medium w/ NaHCO3 & 25mM Hepes  Life Technologies 12440079
Amphotericin B Solution  Sigma-Aldrich A2942 
Penicillin/Streptomycin 100x Solution  Life Technologies 10378-016
Fetal Bovine Serum Sigma-Aldrich 12105
Branson SLPe 40kHz Cell Disruptor with 3" (25mm) Cuphorn Branson Ultrasonics 101-063-726 sonication device
Brisk Heat SDC Benchtop Digital temperature Controler w/ 1000 ml Beaker Heater Brisk Heat SDCJF1A-GBH1000-1 heater used for temperature control
Beckman-Coulter Z2 Cell Sizer with AccuComp® Software Beckman-Coulter 6605700
Bio-Rad TC20 Automated Cell Counter Bio-Rad 145-0102
Gentamicin 50 mg/ml Sigma-Aldrich G1397 
Trypan Blue Solution Sigma-Aldrich T8154
Falcon 50 ml & 25 ml Vented Culture Flasks Fisher Scientific 353082
Lonza L-Glutamine 200 mM 0.85% NaCl Lonza 17-605C 
Seal-Rite 1.5 ml Microcentrifuge Tubes USA Scientific 1615-5510
Beckman-Coulter Accuvette ST 25 ml Vials and caps Beckman-Coulter  A35473
AccuJet Pro Auto Pipet  BrandTech Scientific 26330
USA Scientific 10 ml Disposable Serological Pipets USA Scientific 1071-0810
Tip One 100 μl and 1,000 μl Filter Tips USA Scientific 1120-1840, 1126-7810
100 μl Micropipette  Wheaton 851164
1,000 μl Micropipette Wheaton 851168
BioRad Dual Chamber Counting Slides Bio-Rad 145-0015
Forma Scientific Dual chamber water jacketed Incubator Forma Scientific 3131
Tektronix  DPO 2002B Digital Phosphor Oscilloscope Tektronix DPO2002B used to measure the ultrasonic waveform
PPB MegaSonics Model PB-500 Ultrasonic Energy Meter PPB Megasonics PB-500  used to assess the sound intensity in W/cm2
Teledyne RESON TC4013-1 Hydrophone Teledyne TC4013-1  connects to the oscilloscope 
Wheaton 250 ml Flasks Sigma-Aldrich Z364827
20 ml Glass Scintillation Vials  Sigma-Aldrich Z190527
Beckman-Coulter Isotonic Saline Solution  Beckman-Coulter N/A diluent for Z2 counter
Chloroform 99% Sigma-Aldrich C2432
Ethanol 200 Proof Anhydrous  Sigma-Aldrich 459836
Mineral Oil N/A
XTT Cell Proliferation Assay Kit ATCC 30-1011K
96-Well Microplate Reader Cole-Palmer  EW-13055-54
U937 Human Monocytic Leukemia Cells ATCC CRL­1593.2
THP1 Human Monocytic Leukemia Cells ATCC TIB-202

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Trendowski, M. The promise of sonodynamic therapy. Cancer Metastasis Rev. 33, (1), 143-160 (2014).
  2. Semins, M. J., Trock, B. J., Matlaga, B. R. The effect of shock wave rate on the outcome of shock wave lithotripsy: A meta-analysis. J Urol. 179, (1), 194-197 (2008).
  3. Pace, K. T., Ghiculete, D., Harju, M., Honey, R. J. Shock Wave Lithotripsy at 60 or 120 shocks per minute: A randomized, double-blind trial. J Urol. 174, (2), 595-599 (2005).
  4. McClain, P. D., Lange, J. N., Assimos, D. G. Optimizing shock wave lithotripsy: a comprehensive review. Rev Urol. 15, (2), 49-60 (2013).
  5. Mitragotri, S. Healing sound: the use of ultrasound in drug delivery and other therapeutic applications. Nat Rev Drug Discov. 4, (3), 255-260 (2005).
  6. Cordeiro, E. R., Cathelineau, X., Thüroff, S., Marberger, M., Crouzet, S., de la Rosette, J. J. High-intensity focused ultrasound (HIFU) for definitive treatment of prostate cancer. BJU Int. 110, (9), 1228-1242 (2012).
  7. Li, P. Z., et al. High-intensity focused ultrasound treatment for patients with unresectable pancreatic cancer. Hepatobiliary Pancreat Dis Int. 11, (6), 655-660 (2012).
  8. Xiaoping, L., Leizhen, Z. Advances of high intensity focused ultrasound (HIFU) for pancreatic cancer. Int J Hyperthermia. 29, (7), 678-682 (2013).
  9. Lukka, H., et al. High-intensity focused ultrasound for prostate cancer: a systematic review. Clin Oncol (R Coll Radiol). 23, (2), 117-127 (2011).
  10. So, A. I. HIFU ablation is not a proven standard treatment for localized prostate cancer). Can Urol Assoc J. 5, (6), 424-426 (2011).
  11. Crouzet, S., et al. Whole-gland ablation of localized prostate cancer with high-intensity focused ultrasound: oncologic outcomes and morbidity in 1002 patients. Eur Urol. 65, (5), 907-914 (2014).
  12. Tezel, A., Mitragotri, S. Interactions of inertial cavitation bubbles with stratum corneum lipid bilayers during low-frequency sonophoresis. Biophys J. 85, 3502-3512 (2003).
  13. Tang, H., Wang, C. C., Blankschtein, D., Langer, R. An investigation of the role of cavitation in low-frequency ultrasound-mediated transdermal drug transport. Pharm Res. 19, (8), 1160-1169 (2002).
  14. Ueda, H., Mutoh, M., Seki, T., Kobayashi, D., Morimoto, Y. Acoustic cavitation as an enhancing mechanism of low-frequency sonophoresis for transdermal drug delivery. Biol Pharm Bull. 32, (5), 916-920 (2009).
  15. Trendowski, M., Yu, G., Wong, Y., Aquafondata, C., Christen, T., Fondy, T. P. The real deal: Using cytochalasin B in sonodynamic therapy to preferentially damage leukemia cells. Anticancer Res. 34, (5), 2195-2202 (2014).
  16. Sonifier Cell Disrupter Model SLPeEDP. Branson Ultrasonics Corporation. Available from: http://www.emersonindustrial.com/en-US/documentcenter/BransonUltrasonics/Sonifier_Brochure.pdf (2010).
  17. Lagneaux, L., et al. Ultrasonic low-energy treatment: A novel approach to induce apoptosis in human leukemic cells. Exp Hematol. 30, (11), 1293-1301 (2002).
  18. Krasovitskia, B., Frenkelb, V., Shohama, S., Kimmel, K. Intramembrane cavitation as a unifying mechanism for ultrasound-induced bioeffects. Proc Natl Acad Sci USA. 108, (8), 3258-3263 (2011).
  19. Sundaram, J., Mellein, B. R., Mitragotri, S. An experimental and theoretical analysis of ultrasound-induced permeabilization of cell membranes. Biophys J. 84, (5), 3087-3101 (2003).
  20. Mizrahi, N., et al. Low intensity ultrasound perturbs cytoskeleton dynamics. Soft Matter. 8, (8), 2438-2443 (2012).
  21. Chen, X., Leow, R. S., Hu, Y., Wan, J. M., Yu, A. C. Single-site sonoporation disrupts actin cytoskeleton organization. J R Soc Interface. 11, (95), 20140071 (2014).
  22. Trendowski, M., et al. Preferential enlargement of leukemia cells using cytoskeletal-directed agents and cell cycle growth control parameters to induce sensitivity to low frequency ultrasound. Cancer Lett. In press, (2015).
  23. Dumontet, C., Sikic, B. I. Mechanisms of action of and resistance to antitubulin agents: Microtubule dynamics, drug transport, and cell death. J Clin Oncol. 17, (3), 1061-1070 (1999).
  24. Verrills, N. M., Kavallaris, M. Improving the targeting of tubulin-binding agents: lessons from drug resistance studies. Curr Pharm Des. 11, (13), 1719-1733 (2005).
  25. Trendowski, M. The inherent metastasis of leukaemia and its exploitation by sonodynamic therapy. Crit Rev Oncol Hematol. In press, (2014).
  26. Trendowski, M., Wong, V., Wellington, K., Hatfield, S., Fondy, T. P. Tolerated doses in zebrafish of cytochalasins and jasplakinolide for comparison with tolerated doses in mice in the evaluation of pre-clinical activity of microfilament-directed agents in tumor model systems in vivo. In Vivo. 28, (6), 1021-1031 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics