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.
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.
Ultrason insan işitme kapasiteleri üst sınırından daha yüksek bir frekansa (~ 20 kHz) 1 ile herhangi bir salınım ses basınç dalgası değinmektedir. 20-60 kHz aralığında düşük frekanslı ultrason doku hasarı için, nükleik asit çıkarma hücre örneklerinin hazırlanması, emülsiyonlar üretilmesi için bir araç olarak laboratuarda kullanılan ve diğer testler için çeşitli edilmiştir. Düşük frekanslı ultrason yarar çeşitli temizlik malzemeleri, kaynak için endüstri ayara genişletilmiş ve malzeme işleme edilmiştir. Piyasada mevcut ultrason jeneratörleri 100-1,200 W. gelen elektrik gücü miktarı 18-60 kHz arasında değişen frekanslarda gelir ve tam ölçekli
Ultrason uzun tanısal görüntüleme için klinik ortamda kullanılmasına rağmen, ancak son zamanlarda bir tedavi yöntemi olarak uygulanmaktadır. Ultrason ≥1 MHz th güvenle idrar taşlarının (böbrek taşları) ve safra taşı kesintiye (taş yeteneğine sahiptirHastaların e safra kesesi veya karaciğer) semptomları 2,3 azaltmak için. Ekstrakorporeal shockwave litotripsi (ESWL) olarak bilinen bu yaklaşım, günümüzde yaygın kliniğe (bir milyondan fazla hastada sadece ABD'de ESWL ile yılda 4 tedavi edilir) uygulanan ve bir modalite sunuyor hangi non-invaziv ile taşı kırmak olduğunu dışarıdan uygulanan, odaklanmış, yüksek yoğunluklu akustik bakliyat 2-4 kullanımı yoluyla asgari teminat hasar.
Nedeniyle yüksek yoğunluklu ultrason tarafından oluşturulan benzersiz doğrudan kesme kuvvetlerinin yanı sıra kavitasyon baloncukları ile, bu metodolojiler yüksek yoğunluklu olarak bilinen bir yaklaşım içinde kastrasyon dirençli prostat karsinomu ve pankreas adenokarsinomu tedavisi için kanser terapisinde incelenmiştir odaklanmış ultrason (HIFU ) 5-8. ESWL'nin çok benzeyen bir şekilde, HIFU'nun çok ultrason dalgalarının kullanır ve 60 ° C ya da HIG sıcaklıkları oluşturmak için seçilen bir fokal alanına bunları odaklanıronun hedef dokuda 5 koagülasyon nekrozuna neden olan akustik enerji kullanımı ile. Termal ablasyon diğer yöntemler şu anda (radyofrekans ablasyonu ve mikrodalga ablasyon) mevcut olmasına rağmen, HIFU sadece non-invaziv bir yöntemdir hipertermik 5 olması bu yöntemleri üzerinde ayrı bir avantaj sunuyor. HIFU klinikte karışık sonuçlar elde ve şu anda klinik çalışmalarda 8-11 yalnızca kullanılabilir olmuştur. Bununla birlikte, elde edilen sınırlı başarı, ve klinik öncesi memeli modellerinde elde edilen in vivo veriler, çok umut verici bir kanser terapisi ultrason potansiyelini göstermiştir.
HIFU geliştirmek için bir çaba olarak, araştırmacılar sonochemotherapy bir form oluşturmak için uygun bir antineoplastik ajanlar ile birlikte ultrason birleştirmek için çalışılmıştır. Sonodynamic terapi (SDT) in vitro ve hem de etkileyici antineoplastik aktiviteyi göstermiştir umut verici bir roman tedavi yöntemidir <em> In vivo çalışmalar 1. Bu zarar verir, tercihen, bu hücrelerin normal histoloji 1,5 arasındaki boyutu farkı göre malign hücreler bu ultrason gösterilmiştir. SDT neoplastik hücrelere karşı ultrason tarafından uygulanan tercihli hasarının derecesini arttırmak için sonosensitizers olarak bilinen özel maddeler içermektedir. SDT terapötik uygulamalar önceden incelenmiş olsa da, kullanılan ultrasonik sistemler tipik olarak daha yüksek frekanslı ultrason (≥1 MHz) istihdam ve düşük kHz frekans ultrason etkileri henüz tam olarak keşfedilmeyi vardır. Ultrason alt frekansları nedeniyle fizikokimyasal hasar 12-14 uyaran mikrokabarcıkların hızlı çökmesi, genellikle atalet kavitasyon, hücrelerin imha sonuçlanan bir fenomen üretmek daha yetkin. MHz ve düşük kHz ultrason arasındaki atalet kavitasyon nesil bu fark daha düşük dalga frekansları Kabarcığa olanak gerçeği atfedilmiştirAşağıdaki sıkıştırma yarım döngüsü 12 sırasında dolayısıyla daha şiddetli çökme üreten, genişleme yarım çevriminde rektifiye difüzyonla büyümek için daha fazla zaman s.
Biz daha önce U937 insan monositik lösemi hücreleri düşük frekanslı ultrason (23.5 kHz) duyarlı olduğunu göstermiştir ve bu duyarlılık belirgin hücre iskeleti 15 karıştırmayı antineoplastik ajanlar uygulaması ile arttırılabilir. Ayrıca, biz hücreler tercihen yüksek ultrasonik hassasiyeti gösteren büyük hücreler, boyutuna göre hasarlı olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak, benzer hücre boyutlarına de normal insan hematopoietik kök hücreler (hHSCs) ile lökositler geçici olarak düşük frekanslı ultrason tercihan normal doku varlığında malign hücrelere zarar için kullanılabilir olduğunu düşündürmektedir, bunların neoplastik meslektaşları 15 daha sonikasyon çok daha dirençlidir.
Ayrıca benzersiz pervane incelemek içinPotansiyel terapötik kullanım için düşük frekanslı ultrason erties, bizim şimdiki sonication sistemlerinden biri etkinliğini ve güvenilirliğini artırmak için temizlik ve istikrar prosedürlerini geliştirdik, bir 20 mm boynuz ile donatılmış Branson Model SLPe 150 W, 40 kHz Hücre Parçalayıcı, hazır 7.62 cm'lik kabına. Ayrıca, hidrofon bir kavitasyon metre ve osiloskop kullanarak 40 kHz aralığında doğru örnek kavitasyon enerjileri yanı sıra tutarlı dalga formları ve genlik belirlemek mümkün olmuştur. Rafine ve protokolleri sistematize ederek, bize nicelik farklı histogenetik soy neoplastik ve normal hücrelerin sonik hassasiyetlerini karşılaştırmak için izin, bizim deneysel sonikasyon tutarlılık kurmak mümkün olmuştur. 40 kHz sistemi için protokol ilgilenen laboratuarlar için sipariş karşılaştırılabilir deneyler yeteneğine sahip olması ve ortaya çıkardığı antineoplastik etkileri bizim bulgularının değerlendirilmesi için geniş detaylı sunulmuşturDüşük frekanslı ultrason. (Şekil 1 MeβCD), bir kolesterol tüketen maddesi, U937 ultrasonik duyarlılık ve THP1 insan monositik lösemi hücreleri artan ek olarak, metil-β-siklodekstrin doza bağlı etkileri incelenmiştir.
Optimum sonuçlar elde etmek için, özel bakım dikkatle örnek yerleştirin ve dönüştürücü-boynuz birliğini temizlemek için önlemler alınmalıdır. boynuz numunenin yerleştirilmesi boynuz mesafeyi değiştirerek Örnek maruz enerjisini değiştirir, bu nedenle akustik odaklar değiştirebilir ve gibi, uyumlu hücre yıkımı elde edilmesi için önemlidir. fincan boynuzu içinde akustik enerji, maksimum kavitasyon konumunu bulmak için kavitasyon ölçer kullanılarak eşlenebilir. Buna ek olarak, osiloskop ile birlikte kavitasyon metre, hücreler maruz ediliyor ses yoğunluğunu yanı sıra dalga homojenliğini belirlemek için hayati öneme sahiptir. Bu nedenle, bu enstrümanlar sistemi ile ilgili sorunları tespit ve giderme sistem kararsızlığına düzeltmek için gerekli olabilir belirlemek yardımcı olmak için kullanılmalıdır.
Daha önce belirtildiği gibi, düşük frekans sistemi aday değilse deney boyunca daha gaz çıkışına su hareket edebilirsonication örnek birkaç dakika önce. Bu ilk çalıştırma deneyleri sırasında nispeten gazı alınmış sonikasyon orta ve böylece tutarlı sonuçlar elde etmek için yapılmalıdır. Sensitizasyon gerçek ölçüde değerlendirilmesi zor olurdu, sonosensitizers etkinliğini değerlendirmek Buna ek olarak, hücreler ya da maksimum genlik yakınındaki sonikasyona tabi olmamalıdır. 40 kHz sistemi üzerinde% 33 genlik kullanarak bu önemli hasar üretir, ideal bir ayardır, ancak U937 ve THP1 hücreleri (Şekil 7) karşı MeβCD ile gösterildiği gibi, onların etkinliğini göstermek için sonosensitizers bol bol yer sağlar. Bu veriler aynı zamanda MeβCD doza bağımlı bir şekilde, düşük frekanslı ultrason birden fazla lösemi hatları karşı duyarlı olduğunu teyit etmektedir.
Sonikasyon 17-19 aracılığıyla oluşturulan zar içi Kavitasyon kabarcıklarının göstergesi olan 8 MHz 0.75 MHz aralığında daha yüksek frekans ile yapılan bir dizi deney yapılmıştır. Bununla birlikte, questioHala ultrason kaynaklı hücre parçalama 18 tam mekanizması açısından kalır ns. Biz düşük frekanslı ultrason 15, diğer laboratuvarlar 20, gösterdiği bir olguyu kullanarak hücre iskeletinin akışkan hale arasında bir bağ olduğunu göstermiştir ve sonik hassasiyet artmıştır 21. Ayrıca, bu tür sitokalasin B olarak microfilament bozucu maddeler birden fazla lösemi ultrasonik hassasiyetini potansiyalize bulduk aktin polimerizasyonu engellediği fikrini hatları, ancak hHSCs veya 22 lökositleri, özellikle ilgi çekici bir sonosensitizing mekanizması olabilir. Ayrıca belirgin şekilde, akut miyeloid lösemi, kronik miyeloid lösemi, akut lenfoid lösemi dahil olmak üzere, in vitro olarak, farklı lösemi tipleri ultrasonik hassasiyeti artar, vinkristin, tübülin polimerizasyonunu 23, 24 inhibe eden bir mikrotübül bozucu ajan gözlemledik. Buna karşılık, iskelet parçaları stabilize iskelet yönlendirilmiş ajanlar (paklitaksel bird jasplakinolid) hücre parçalama 22 daha düşük oranlarda yansıyan, sonication hücrelerine karşı dirençli hale getirmek için görünür. Birlikte ele alındığında bu veriler, neoplastik hücrelerin sitoskeletal komponentleri akışkanlaştırma hipotezi gerçekten de SDT 25 etkinliğini artırmada önemli bir faktör olduğunu destekler. Bu çalışma aynı zamanda, kolesterol tükenmesi MeβCD ile muamele edilmiş U937 hücreleri belirgin 40 kHz ultrasona duyarlı olarak ayrıca neoplastik hücrelerin ultrasonik duyarlılığını güçlendirme hangi bir yöntem olabilir göstermektedir.
Bizim sonikasyon protokolleri, in vitro olarak belirgin antineoplastik aktivite göstermiştir birlikte, mevcut metodoloji, sonication için kullanılan şişelerde uyabileceğini kültürü ve küçük omurgalı modellerinde çalışması ile sınırlıdır. Bu güvenli bir şekilde palslı düşük frekanslı ultrason (20 kHz) kullanılarak sonikasyona tabi tutulmuş olabilir zebrafish göstermiştir ve kemoterapötik maddelere karşı toleransı kantitatif karşılaştırılabilir olduğunutümör taşıyan zebrafish öne murin modellerinde 26 tarafından tolere doz, bu protokollerin in vivo antineoplastik aktiviteyi değerlendirmek için, ön araştırmalarda kullanılabilir. Bununla birlikte, önceden memeli modelleri sonication, kemoterapötik ajanların verilmesini MHz aralığında 1 'de rapor edilmiştir ve bu protokoller muhtemelen düşük frekanslı ultrason gibi kolesterol-tüketici değildir ve sitoskeletal yönelik maddeleri de kapsayacak şekilde genişletilebilir.
SDT bu tür potansiyel klinik uygulamaları antineoplastik ajanlar intravenöz (iv), kan önce sonikasyon 25 kaldırılmakta ki ekstrakorporal kan sonikasyon içerebilir. Bu yöntem, insan anatomisi yarattığı potansiyel ses engelleri kaldırır ve solid tümörlerin gelen lösemili patlamaları yanı sıra metastazları zarar için etkili bir yol olabilir. O kolesterol tüketen ve iskelet yönettiği ajanlar olabilir de mümkündürZaten, bu tedavi yönteminin etkinliğini arttırmak amacıyla klinikte incelenmektedir HIFU'nun protokollerinde kullanılabilir.
Bu çalışmada tarif edilen yöntemler, bu yardımcı arttırabilmektedir potansiyel sonosensitizers değerini ve ayrıca sistem arıtma değerlendirmek yeteneğine sahiptir. Ancak, güç kaynağı kalitesi, akustik odaklar ve dönüştürücüler arasında bireysel varyasyon dahil olmak üzere bu ultrasonik vasiyetler, kullanırken dikkat edilmesi gereken pek çok değişken bulunmaktadır. Bu nedenle, gelecekteki araştırmalar sonik dalgalar görselleştirilmesi ve sonuçları üzerinde nüfuzlarını anlamak üzerinde durulacak. SDT in vitro hücre lizizine arttırdığı gösterilmiştir ve elde edilen memeli modellerinde in vivo veriler daha fazlası, klinik olarak uygulanabilir olduğunu kanıtlayabilir. Birden çok maddeleri ve ultrason kapsayan kötü huylu hücrelerin diğer potansiyel olarak işletilebilir özelliklerinin yanı sıra, çeşitli kombine yöntemleri inceleyen deneyler laboratuvarda devam etmektedir.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |