जनरेशन और स्पंदित कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड के मात्रात्मक विश्लेषण नियोप्लास्टिक कोशिकाओं इलाज की ध्वनि संवेदनशीलता का निर्धारण और इलाज के लिए
Summary
Selective damage of human leukemia cells can be achieved through a novel approach of applying low frequency ultrasound both with and without chemotherapeutic pretreatment of leukemic and normal hematopoietic cells.
Abstract
Low frequency ultrasound in the 20 to 60 kHz range is a novel physical modality by which to induce selective cell lysis and death in neoplastic cells. In addition, this method can be used in combination with specialized agents known as sonosensitizers to increase the extent of preferential damage exerted by ultrasound against neoplastic cells, an approach referred to as sonodynamic therapy (SDT). The methodology for generating and applying low frequency ultrasound in a preclinical in vitro setting is presented to demonstrate that reproducible cell destruction can be attained in order to examine and compare the effects of sonication on neoplastic and normal cells. This offers a means by which to reliably sonicate neoplastic cells at a level of consistency required for preclinical therapeutic assessment. In addition, the effects of cholesterol-depleting and cytoskeletal-directed agents on potentiating ultrasonic sensitivity in neoplastic cells are discussed in order to elaborate on mechanisms of action conducive to sonochemotherapeutic approaches.
Introduction
अल्ट्रासाउंड मानव श्रवण क्षमता की ऊपरी सीमा से अधिक आवृत्ति (~ 20 किलोहर्ट्ज़) 1 के साथ किसी भी दोलन ध्वनि दबाव लहर को दर्शाता है। 20-60 kHz के रेंज में कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड ऊतक विघटन के लिए, न्यूक्लिक एसिड निकासी के लिए सेलुलर नमूने की तैयारी, emulsions पैदा करने का एक साधन के रूप में प्रयोगशाला में उपयोग किया है, और अन्य परीक्षणों की एक किस्म के लिए किया गया है। कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड की उपयोगिता भी विभिन्न सामग्रियों की सफाई, वेल्डिंग के लिए औद्योगिक सेटिंग के लिए बढ़ा दिया, और सामग्री प्रसंस्करण में किया गया है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अल्ट्रासाउंड जनरेटर 100-1,200 डब्ल्यू से wattages 18-60 kHz से लेकर आवृत्तियों में आते हैं, और पूर्ण पैमाने पर
अल्ट्रासाउंड लंबे नैदानिक इमेजिंग के लिए नैदानिक सेटिंग में इस्तेमाल किया गया है, यह केवल हाल ही में एक चिकित्सकीय साधन के रूप में लागू किया गया है। अल्ट्रासाउंड ≥1 मेगाहर्ट्ज वीं में सुरक्षित रूप से मूत्र पथरी (गुर्दे की पथरी) और पित्त पथरी में खलल न डालें (पत्थर के लिए सक्षम हैरोगियों में ई पित्ताशय की थैली या जिगर में) लक्षण 2,3 कम करने के लिए। एक्स्ट्रा Shockwave Lithotripsy (ESWL) के रूप में जाना जाता है यह दृष्टिकोण अब व्यापक रूप से क्लिनिक (एक लाख से अधिक रोगियों को संयुक्त राज्य अमेरिका अकेले में ESWL साथ सालाना 4 इलाज कर रहे हैं) में आवेदन किया है, और एक साधन प्रदान करता है जिसके द्वारा गैर invasively साथ कैलकुली को तोड़ रहा है बाहर से लागू, ध्यान केंद्रित, उच्च तीव्रता ध्वनिक दालों 2-4 के उपयोग के माध्यम से कम से कम जमानत के नुकसान।
कारण उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पन्न अद्वितीय प्रत्यक्ष बाल काटना बलों, साथ ही cavitation बुलबुले के लिए, इन तरीकों उच्च तीव्रता के रूप में जाना एक दृष्टिकोण में बधिया प्रतिरोधी प्रोस्टेट कार्सिनोमा और अग्नाशय ग्रंथिकर्कटता के इलाज के लिए कैंसर के उपचार में जांच की गई है अल्ट्रासाउंड ध्यान केंद्रित (HIFU ) 5-8। ESWL करने के लिए बहुत समान तरीके से, HIFU कई अल्ट्रासाउंड मुस्कराते हुए उपयोग करता है और 60 डिग्री सेल्सियस या hig के तापमान उत्पन्न करने के लिए एक चयनित फोकल क्षेत्र पर उन्हें अपना ध्यान केंद्रितउसके लक्षित ऊतक 5 में coagulative नेक्रोसिस उत्प्रेरण ध्वनिक ऊर्जा के उपयोग के माध्यम से। थर्मल पृथक की अन्य रूपरेखा वर्तमान में (रेडियोफ्रीक्वेंसी पृथक और माइक्रोवेव पृथक) मौजूद हैं, HIFU यह केवल गैर इनवेसिव hyperthermic साधन 5 में है कि इन तरीकों पर एक विशिष्ट लाभ प्रदान करता है। HIFU क्लिनिक में मिश्रित परिणाम प्राप्त कर ली है और वर्तमान में क्लिनिकल परीक्षण 8-11 में ही उपलब्ध है। फिर भी, यह हासिल किया है सीमित सफलता, और preclinical स्तनधारी मॉडल से प्राप्त कर लिया विवो डेटा में बहुत ही होनहार कैंसर के उपचार में अल्ट्रासाउंड की क्षमता का प्रदर्शन किया है।
HIFU सुधार करने के प्रयास में, शोधकर्ताओं ने sonochemotherapy के एक फार्म उत्पन्न करने के लिए उपयुक्त Antineoplastic एजेंटों के साथ अल्ट्रासाउंड गठबंधन करने का प्रयास किया है। Sonodynamic थेरेपी (SDT) इन विट्रो में और दोनों में प्रभावशाली Antineoplastic गतिविधि का प्रदर्शन किया है कि एक होनहार उपन्यास उपचार के साधन है <em> Vivo में पढ़ाई 1। यह नुकसान को प्राथमिकता ऐसी कोशिकाओं और सामान्य ऊतक विज्ञान 1,5 के उन लोगों के बीच आकार अंतर के आधार पर घातक कोशिकाओं कि अल्ट्रासाउंड दिखाया गया है। SDT नियोप्लास्टिक कोशिकाओं के खिलाफ अल्ट्रासाउंड द्वारा लगाए जाने वाले तरजीही क्षति की सीमा को बढ़ाने के लिए sonosensitizers के रूप में जाना विशेष एजेंटों को शामिल किया गया। SDT की चिकित्सीय अनुप्रयोगों पहले से जांच की गई है, वहीं इस्तेमाल किया अल्ट्रासोनिक प्रणाली आम तौर पर उच्च आवृत्ति अल्ट्रासाउंड (≥1 मेगाहर्ट्ज) को रोजगार, और कम kHz आवृत्ति अल्ट्रासाउंड के प्रभाव को अभी तक पूरी तरह से पता लगाया जा चुका है। अल्ट्रासाउंड के कम आवृत्तियों के कारण भौतिक क्षति 12-14 उत्प्रेरण microbubbles का तेजी से गिर करने के लिए अक्सर जड़त्वीय cavitation, कोशिकाओं के विनाश में परिणाम है कि एक घटना के उत्पादन में और अधिक कुशल हैं। मेगाहर्ट्ज और कम किलोहर्ट्ज़ अल्ट्रासाउंड के बीच जड़त्वीय cavitation की पीढ़ी में यह अंतर कम लहर आवृत्तियों microbubble सक्षम तथ्य यह है कि जिम्मेदार ठहराया गया हैनिम्नलिखित संपीड़न आधा चक्र 12 के दौरान फलस्वरूप अधिक हिंसक गिर उत्पादन, विस्तार आधा चक्र में सुधारा प्रसार द्वारा विकसित करने के लिए और अधिक समय है।
हम पहले U937 मानव monocytic ल्यूकेमिया कोशिकाओं कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड (23.5 kHz) के प्रति संवेदनशील हैं कि पता चला है, और कहा कि इस संवेदनशीलता स्पष्ट रूप से cytoskeleton 15 उपद्रव कि Antineoplastic एजेंटों के आवेदन के माध्यम से बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा, हम कोशिकाओं को प्राथमिकता उच्च अल्ट्रासोनिक संवेदनशीलता का प्रदर्शन बड़े कोशिकाओं के साथ, आकार के आधार पर क्षतिग्रस्त हो रहे हैं कि प्रदर्शन किया है। इसके अलावा, तुलनीय सेल आकार में सामान्य मानव hematopoietic स्टेम कोशिकाओं (hHSCs) और ल्यूकोसाइट्स अंतरिम रूप से कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड को प्राथमिकता सामान्य ऊतकों की उपस्थिति में घातक कोशिकाओं को नुकसान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, सुझाव है कि उनके नियोप्लास्टिक समकक्षों के 15 की तुलना में sonication के लिए बहुत अधिक प्रतिरोधी रहे हैं।
आगे अद्वितीय सहारा की जांच करने के लिएसंभावित चिकित्सीय उपयोग के लिए कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड के erties, हम अपने वर्तमान sonication के प्रणालियों में से एक की प्रभावकारिता और विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए साफ सफाई और स्थिरीकरण प्रक्रियाओं को विकसित किया है, एक 20 मिमी सींग के साथ सुसज्जित ब्रैनसन मॉडल SLPe 150 डब्ल्यू, 40 किलोहर्ट्ज़ सेल disrupter, फिट एक 7.62 सेमी कप में। इसके अलावा, हम हाइड्रोफ़ोन के साथ एक cavitation मीटर और आस्टसीलस्कप का उपयोग 40 किलोहर्ट्ज़ सीमा के भीतर सटीक नमूना गुहिकायन ऊर्जा है, साथ ही लगातार waveforms और आयाम निर्धारित करने में सक्षम किया गया है। रिफाइनिंग और हमारे प्रोटोकॉल systematizing करके, हम हमें मात्रात्मक अलग histogenetic प्रजातियों के नियोप्लास्टिक और सामान्य कोशिकाओं की ध्वनि संवेदनशीलता की तुलना करने की अनुमति देता है, हमारे प्रयोगात्मक sonications में स्थिरता स्थापित करने में सक्षम किया गया है। 40 किलोहर्ट्ज़ प्रणाली के लिए हमारी प्रोटोकॉल रुचि प्रयोगशालाओं के लिए आदेश तुलनीय प्रयोगों प्रदर्शन करने में सक्षम होने के लिए, और द्वारा हासिल Antineoplastic प्रभाव से हमारे निष्कर्ष का मूल्यांकन करने में व्यापक विस्तार से प्रस्तुत किया हैकम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड। (; चित्रा 1 MeβCD), एक कोलेस्ट्रॉल घट एजेंट, U937 की अल्ट्रासोनिक संवेदनशीलता और THP1 मानव monocytic ल्यूकेमिया कोशिकाओं को बढ़ाने पर इसके अतिरिक्त, हम मिथाइल-β-cyclodextrin की खुराक निर्भर प्रभाव की जांच।
Protocol
Representative Results
Discussion
इष्टतम परिणाम प्राप्त करने के लिए, विशेष देखभाल ध्यान से नमूना स्थिति और कनवर्टर-सींग संघ साफ करने के लिए लिया जाना चाहिए। सींग में नमूना की नियुक्ति के सींग से दूरी बदलते नमूना के संपर्क में है ऊर्जा बदल इसलिए ध्वनिक foci बदल जाएगा, और के रूप में, लगातार सेल विनाश को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। कप सींग भीतर ध्वनिक ऊर्जा अधिकतम गुहिकायन की स्थिति को खोजने के लिए गुहिकायन मीटर का उपयोग मैप किया जा सकता है। इसके अलावा, आस्टसीलस्कप के साथ गुहिकायन मीटर, कोशिकाओं के संपर्क में किया जा रहा है ध्वनि तीव्रता है, साथ ही तरंग की एकरूपता का निर्धारण करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। इसलिए, इन उपकरणों की व्यवस्था के साथ समस्याओं का पता लगाने, और समस्या निवारण प्रणाली अस्थिरता दूर करने के लिए आवश्यक हो सकता है क्या पता लगाने में मदद करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए।
जैसा कि पहले उल्लेख, कम आवृत्ति प्रणाली के लिए भाग नहीं अगर प्रयोग भर में आगे देगास करने के लिए पानी में कार्य कर सकतेsonication के नमूने के लिए कई मिनट पहले। यह प्रारंभिक रन प्रयोगों के दौरान एक अपेक्षाकृत degassed sonication के मध्यम और इस तरह अनुरूप परिणाम उपज के लिए किया जाना चाहिए। संवेदीकरण की हद तक सच का आकलन करना मुश्किल होगा, के रूप में sonosensitizers की प्रभावकारिता का आकलन करते समय इसके अलावा, कोशिकाओं में या अधिकतम आयाम के पास sonicated नहीं किया जाना चाहिए। 40 किलोहर्ट्ज़ सिस्टम पर 33% आयाम का उपयोग करते हुए यह उल्लेखनीय क्षति पैदा करता है, के रूप में एक आदर्श स्थापित है, लेकिन U937 और THP1 कोशिकाओं (चित्रा 7) के खिलाफ MeβCD के साथ प्रदर्शन के रूप में, अपने प्रभाव का प्रदर्शन करने के लिए sonosensitizers पर्याप्त जगह उपलब्ध कराता है। ये आंकड़े भी MeβCD एक खुराक निर्भर तरीके से कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड करने के लिए कई ल्यूकेमिया लाइनों sensitizes की पुष्टि करें।
Sonication के 17-19 के माध्यम से उत्पन्न किया जा रहा intramembrane cavitation बुलबुले के सबूत दिखा 8 मेगाहर्ट्ज के लिए 0.75 मेगाहर्ट्ज की रेंज में उच्च आवृत्ति के साथ किया प्रयोगों की एक नंबर दिया गया है। हालांकि, questioअभी भी अल्ट्रासाउंड प्रेरित सेल 18 की सटीक व्यवस्था के संबंध में रहना एन एस। हम कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड 15 अन्य प्रयोगशालाओं 20, द्वारा प्रदर्शन एक घटना का उपयोग कर cytoskeleton fluidizing के बीच एक कड़ी दिखाया गया है और ध्वनि के प्रति संवेदनशीलता बढ़ गई हैं 21। इसके अलावा, हम इस तरह के cytochalasin बी के रूप में microfilament में खलल न डालें एजेंटों कई ल्यूकेमिया में अल्ट्रासोनिक संवेदनशीलता शक्ति प्रदान पाया है कि actin के polymerization की कि निषेध का सुझाव लाइनों, लेकिन नहीं hHSCs या 22 leukocytes, विशेष रूप से ब्याज की एक sonosensitizing तंत्र हो सकता है। हम यह भी स्पष्ट रूप से तीव्र myeloid लेकिमिया, क्रोनिक माइलॉयड ल्यूकेमिया, और तीव्र ल्य्म्फोइड ल्यूकेमिया सहित इन विट्रो में अलग ल्यूकेमिया प्रकार की अल्ट्रासोनिक संवेदनशीलता बढ़ जाती है, कि विन्क्रिस्टाईन, ट्यूबिलिन polymerization के 23, 24 को रोकता है कि एक सूक्ष्मनलिका में खलल न डालें एजेंट मनाया है। इसके विपरीत, cytoskeletal घटकों को स्थिर कि cytoskeletal निर्देशित एजेंट (Paclitaxel एकडी jasplakinolide) सेल 22 की कम दर से परिलक्षित, sonication के लिए कोशिकाओं के लिए प्रतिरोधी बनाने के लिए दिखाई देते हैं। साथ में ले ली, इन आंकड़ों नियोप्लास्टिक कोशिकाओं की cytoskeletal घटकों fluidizing परिकल्पना है कि वास्तव में SDT 25 की प्रभावकारिता को बढ़ाने में एक महत्वपूर्ण कारक है समर्थन करते हैं। वर्तमान अध्ययन में यह भी कोलेस्ट्रॉल कमी MeβCD इलाज U937 कोशिकाओं स्पष्ट रूप से 40 किलोहर्ट्ज़ अल्ट्रासाउंड को अवगत कर रहे हैं के रूप में आगे, नियोप्लास्टिक कोशिकाओं की अल्ट्रासोनिक संवेदनशीलता शक्ति प्रदान करने के लिए है जिसके द्वारा एक और तरीका हो सकता है कि यह दर्शाता है।
हमारे sonication के प्रोटोकॉल के लिए इन विट्रो में चिह्नित Antineoplastic गतिविधि का प्रदर्शन किया है, जबकि मौजूदा कार्यप्रणाली sonication के लिए इस्तेमाल किया शीशियों में फिट करने में सक्षम हैं कि संस्कृति और छोटे कशेरुकी मॉडल में काम करने के लिए सीमित है। हम सुरक्षित रूप से स्पंदित कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड (20 किलोहर्ट्ज़) का उपयोग sonicated जा सकता है कि zebrafish से पता चला है, और एजेंटों के लिए अपनी सहिष्णुता के लिए मात्रात्मक तुलनीय है किकि ट्यूमर असर zebrafish सुझाव दे murine मॉडल 26 द्वारा सहन खुराक, इन प्रोटोकॉल के vivo Antineoplastic गतिविधि का आकलन करने के लिए प्रारंभिक जांच में इस्तेमाल किया जा सकता है। फिर भी, पूर्व स्तनधारी मॉडल के sonication के लिए एजेंटों का प्रबंध मेगाहर्ट्ज रेंज 1 में बताया गया है, और इस तरह के प्रोटोकॉल की संभावना कम आवृत्ति अल्ट्रासाउंड, साथ ही कोलेस्ट्रॉल घट और cytoskeletal निर्देशित एजेंटों को शामिल करने के लिए बढ़ाया जा सकता है।
SDT के इस फार्म के संभावित नैदानिक अनुप्रयोगों Antineoplastic एजेंटों नसों के द्वारा प्रशासित रहे हैं (चार) खून करने से पहले sonication के 25 के लिए हटाया जा रहा है, जिसमें बाह्य रक्त sonication के शामिल हो सकता है। इस विधि को मानव शरीर रचना विज्ञान से उत्पन्न संभावित ध्वनि अवरोध को हटा, और ठोस ट्यूमर से ल्यूकेमिक विस्फोटों, साथ ही मेटास्टेसिस को नुकसान करने के लिए एक प्रभावी तरीका हो सकता है। ऐसा लगता है कि कोलेस्ट्रॉल घट और cytoskeletal निर्देशित एजेंट सकता भी संभव हैपहले से ही इस उपचार के साधन की प्रभावकारिता में सुधार करने की कोशिश में क्लिनिक में जांच की जा रही है कि HIFU प्रोटोकॉल में इस्तेमाल किया जाएगा।
वर्तमान अध्ययन में वर्णित विधि इस उपयोगिता को बढ़ाने सकता संभावित sonosensitizers के मूल्य, और आगे प्रणाली शोधन का आकलन करने में सक्षम हैं। हालांकि, बिजली आपूर्ति की गुणवत्ता, ध्वनिक foci, और कन्वर्टर्स के बीच व्यक्तिगत भिन्नता सहित ऐसे अल्ट्रासोनिक devises, का उपयोग करते समय विचार किया जा करने के लिए कई चर रहे हैं। इसलिए, भविष्य के अनुसंधान ध्वनि तरंगों visualizing और परिणामों पर उनके प्रभाव को समझने पर ध्यान दिया जाएगा। SDT इन विट्रो में सेल बढ़ाने के लिए दिखाया गया है और अर्जित कर रहे हैं स्तनधारी मॉडल में विवो डेटा में अधिक अगर चिकित्सकीय रूप से व्यवहार्य साबित हो सकता है। कई एजेंटों और अल्ट्रासाउंड से जुड़े घातक कोशिकाओं के अन्य संभावित दोहन विशेषताओं, साथ ही विभिन्न संयुक्त तौर तरीकों की जांच प्रयोगों हमारी प्रयोगशाला में जारी है।
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the staff of the Syracuse University Department of Physics workshop for their innovative assistance in matters relating to our system design.
Materials
| 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/ 1000mL 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 50mg/mL | Sigma-Aldrich | G1397 | |
| Trypan Blue Solution | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| Falcon 50mL & 25mL Vented Culture Flasks | Fisher Scientific | 353082 | |
| Lonza L-Glutamine 200mM 0.85% NaCl | Lonza | 17-605C | |
| Seal-Rite 1.5 mL Microcentrifuge Tubes | USA Scientific | 1615-5510 | |
| Beckman-Coulter Accuvette ST 25mL Vials and caps | Beckman-Coulter | A35473 | |
| AccuJet Pro Auto Pipet | BrandTech Scientific | 26330 | |
| USA Scientific 10mL Disposable Serological Pipets | USA Scientific | 1071-0810 | |
| Tip One 100uL and 1000uL Filter Tips | USA Scientific | 1120-1840, 1126-7810 | |
| 100uL Micropipette | Wheaton | 851164 | |
| 1000uL 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 250mL Flasks | Sigma-Aldrich | Z364827 | |
| 20mL 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 |
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