JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engenharia

התגרענות לשליטה של קוויטציה מן Plasmonic חלקיקי זהב לשיפור בעוצמה גבוהה ממוקד יישומים אולטרסאונד

Published: October 05, 2018
doi:
10.3791/58045
1School of Electronic and Electrical Engineering,University of Leeds, 2Leeds Institute of Cancer and Pathology,University of Leeds

Summary

פרוטוקול זה מדגים את התגרענות לשליטה של קוויטציה ב פנטומים ג’ל, באמצעות חשיפה סימולטני-סגול אור פעמו לייזר והן בעוצמה גבוהה, ממוקדת אולטרסאונד (HIFU). הפעילות קוויטציה יכול לשמש לאחר מכן לשיפור השימושים HIFU הדמיה ו/או טיפולית.

Abstract

במחקר זה, חלקיקי זהב plasmonic נחשפו בו זמנית פעמו לייזר אינפרא אדום בהיר וגבוה בעוצמה מרוכזת אולטראסאונד (HIFU) עבור התגרענות לשליטה של קוויטציה ב מחקה רקמות פאנטום ג’ל. פרוטוקול זה במבחנה פותחה כדי להדגים את הכדאיות של גישה זו, עבור שני שיפור של הדמיה ויישומי הטיפולית לסרטן. המנגנון זהה יכול לשמש עבור הדמיה ויישומי טיפולית על ידי שינוי משך החשיפה של המערכת HIFU. עבור חשיפות משך קצר (10 µs), פס רחב פליטת אקוסטית נוצרו דרך התגרענות מבוקרת של אינרציה קוויטציה סביב חלקיקי זהב. פליטות אלה מספקים לוקליזציה ישירה של חלקיקים. עבור יישומים עתידיים, החלקיקים עשויים להיות functionalized עם נוגדנים מולקולרית פילוח (למשל אנטי-HER2 לסרטן השד), מספקים לוקליזציה מדויק של אזורים סרטני, משלימים הדמיית אולטרסאונד שגרתית לאבחון. עבור חשיפות רציפה wave (CW), הפעילות קוויטציה שימש כדי להגביר את החימום המותאמות לשפות אחרות של החשיפה HIFU וכתוצאה מכך גדול יותר נזק תרמי ברוחות ג’ל. פליטת אקוסטית שנוצרו מפעילות קוויטציה אינרציאלית במהלך חשיפות CW אלה היה פיקוח באמצעות מערכת זיהוי (יהלומים) קוויטציה פסיבי כדי לספק משוב של פעילות קוויטציה. חימום מקומי מוגבר הושגה רק באמצעות שילוב ייחודי של חלקיקים, אור לייזר ו- HIFU. אימות נוסף של טכניקה זו במודלים ניסויים פרה-קליניים של סרטן הוא הכרחי.

Introduction

בעוצמה גבוהה (HIFU), אולטרסאונד ממוקד או ממוקד אולטרסאונד ניתוח (FUS), היא טכניקה שאינה מייננת, לא פולשנית המשמשת עבור הטיפול התרמי של הרקמה התת עורית1. השימוש העיקרי של HIFU לטיפול של רקמות רכות גידולים2, אבל זה מתחיל שישמש עבור יישומים אחרים, כגון טיפול עצם גידולים3 או מחלות נוירולוגיות4. ישנם שני גורמים עיקריים המגבילות את השימוש הנרחב של HIFU במרפאה: ראשית, קשיים טיפול הדרכה, שנית, טיפול ארוך פי5. השילוב של HIFU, תאורה לייזר פעמו ו plasmonic nanorods זהב מתוארת על ידי שיטה זו יכולה לספק דרך להתגבר על המגבלות הנוכחי HIFU6.

במהלך חשיפות HIFU, מנגנון הדומיננטי של רקמות אבלציה הינה נזק תרמי. עם זאת, פעילות קוויטציה יכולים גם לשחק תפקיד8. קוויטציה הפעילות המתרחשת במהלך חשיפות HIFU יכול לכלול שני קוויטציה מכנית ו/או תרמית בתיווך. קוויטציה מכנית בתיווך מכונה בדרך כלל קוויטציה אקוסטית7, אשר הוא subcategorized נוספות כמו בועות שעברו או התנהגות הלא אינרציאלית- או אינרציה9 . קוויטציה תרמית בתיווך של היווצרות כיסי גז, דרך האקס-פתרון או אידוי, הוא נפוץ המכונה “רותח”10. קוויטציה פעילות, רובם בדרך כלל קוויטציה אינרציאלית, הוכח לשפר התרמי חימום המחירים ניתנים להשגה באמצעות HIFU חשיפות11 , ובכך לסייע כתובת אחת מגבלות מפתח. אולם, היווצרות ואת הפעילות של קוויטציה במהלך חשיפות HIFU יכול להיות בלתי צפוי, להוביל ההשפעות השליליות כגון טיפול יתר אזורים או אבלציה תרמי סימטרית12. על מנת לשלוט קוויטציה פעילות במהלך חשיפות HIFU, נחקר המבוא של גרעינים חיצוניים. אלה יכולים לקחת את הטופס של microbubbles13, מופע nanoemulsions14 או חלקיקים plasmonic15. הן microbubbles והן nanoemulsions הוכחו כדי לשפר את האות לרעש עבור ablations תרמית הדמיה ומשופרות. עם זאת, הארעיות שלהם אומר שהם בעלי פונקציונליות מוגבלת על חשיפות HIFU חוזרות ונשנות. ניטור פעילות קוויטציה במהלך חשיפות HIFU נעשה שימוש גם זיהוי קוויטציה פסיבית או אקטיבית (ACD או יהלומים, בהתאמה). יהלומים היא טכניקה המועדף עבור זיהוי קוויטציה, כמו זה יכול להתבצע במקביל HIFU חשיפות ומספק מידע תוכן ספקטרלי. תוכן ספקטרלי זה ניתן לאחר מכן עוד יותר לנתח כדי לסייע בזיהוי סוג הפעילות קוויטציה המתרחשים16. פליטת אקוסטית בפס רחב משמשים, שכן אלה פליטות ייחודיים לנוכחות של אינרציה קוויטציה10 מקושרים HIFU משופרת חימום11.

Photoacoustic הדמיה (PAI) הוא המתעוררים קליניים הדמיה טכניקה17, המשלב את מידת הבררנות ספקטרלי של לייזר פעמו עירור עם הרזולוציה הגבוהה של אולטראסאונד הדמיה18. בעבר שימש ומשמש להנחות HIFU חשיפות19, אך זו טכניקת דימות מוגבל על ידי העומק חדירה של אור לייזר. חלקיקי זהב plasmonic יכול לשמש כמתווכים ‘ ניגוד ‘ הגברת ספיגת אור לייזר המקומי, ולאחר מכן את משרעת של פליטת photoacoustic20. עבור האפקטיביים גבוה מספיק, זה אפשרי לגרום הדור של בועות אדים מיקרוסקופיים יכול לשמש עבור הדמיה מאוד מקומי21. עם זאת, רמות חשיפה אלה בדרך כלל חורגת מהמגבלה של חשיפה מקסימלית מותרת לשימוש של לייזר אור בני22, ובכך יש שימוש מוגבל. השיטה מועסקים במחקר זה הראו בעבר כי על ידי חשיפת בו זמנית על חלקיקים plasmonic לייזר שני תאורה HIFU, לייזר הכשרון ואת הלחצים אקוסטית צריכה nucleate אלה בועות קטנות אדי באופן דרמטי מוקטן, יחס אות לרעש עבור הדמיה מוגברת23. שיטה מתואר כאן לשילוב חלקיקים plasmonic עם לייזר והן חשיפות HIFU טכניקה מאוד לשליטה על התגרענות ועל הפעילות של בועות אדים.

Protocol

1. רקמות מחקה ייצור דמה הערה: ניתוח מעמיק של המאפיינים אקוסטית של הפאנטום מחקה רקמות שטיחות שקוף המשמש עבור כל החשיפות במחקר זה ניתן למצוא צ’וי, et al. 24 הערה: כל עובש פנטום מכילה כ- 50 מ של פתרון, עבור כל אצווה מלאים בסך הכל חמש תבניות. לפיכך, סכום כולל של 250 מ של הפאנטום פתרון מוכן. להוסיף 148.2 מ ל (60% v/v) של יונים, מסוננים ומים degassed 500 מ”ל כוס זכוכית ומניחים equilibrate לטמפרטורת החדר. הוסף 75 מ”ל של 40% (משקל/נפח) אקרילאמיד/Bis-אקרילאמיד פתרון (30% v/v) כוס זכוכית, ואחריו 25 mL 1 מ’ טריס מאגר, pH 8 (10% v/v), ו- 2.15 מיליליטר 10% קירור (APS; 0.86 ולגובה % v/v). למקם את הספל זכוכית בתוך תא ואקום הנמצא על צלחת פגים, ולמקם 40 מ מ ארוך טפלון (PTFE) מגנטי בר מלהיב פנימה הספל. עם מדיום זע מהירות (קרי, להבטיח ערבוב טוב בלי על היווצרות מערבולת בתוך המים), לאט לאט להוסיף 22.5 גרם (9% w/v) של אבקת אלבומין שור (BSA). לאחר כל BSA נוספה לפתרון, לסגור את תא ואקום והפעל את משאבת ואקום. לשמור על שואב אבק של 80 mBar/H ולהמשיך זע במשך 60 דקות נוספות, לאחר שחרורו אשר שואב האבק. בשלב זה הפתרון צריך להיות ברור עם גוון צהוב קטן. המתודולוגיה לעיל הוא זהה עבור מטוסי פאנטום שנעשו עם ובלי חלקיקים. אם נדרשים חלקיקים, להוסיף 10 µL (ריכוז של np8 עונה 1 פרק 10/mL) של nanorods בעלי תהודה של פני השטח פלזמון (SPR) ב 850 ננומטר, קוטר של 40 ננומטר. לבסוף, להוסיף µL 125 של tetramethylethylenediamine (TEMED) כדי לעודד פלמור של הפאנטום. . חכה עוד 5 דקות כדי לאפשר מיקס, ואז שופכים את הפתרון פנטום לתוך תבניות בודדות 5 ולא לחכות 20 דקות כדי להגדיר. לאחר ההגדרה, להסיר אותם מן בעלי, לאחסן בכלי אטום לאוויר עד השימוש. השתמש פאנטום בתוך 24 שעות של ייצור. 2. כיול של HIFU מתמרים שדה חינם לחץ אקוסטי הערה: סעיף זה של הפרוטוקול אינו הכרחי לפני בכל ניסוי lesioning/הדמיה. . זה הליך הכיול להתבצע בפרקי זמן קבועים כדי להבטיח פלט אקוסטי של המערכת הוא הנכון. למלא טנק של מים אקריליק (280 x 141 x 132 מ מ) 4.5 לליטר מים יונים ו- degassed. הר מתמר HIFU על הצבה בעמדה קבועה בקצה אחד של הטנק, פונים. מקביל, הר מכויל (שבוצעה על-ידי המעבדות הפיזי הלאומי) הידרופון קרום על גבי במה מיקרומטר ידנית שלושה צירים-מוקד משוער של המתמר HIFU (63 מ מ). להתחבר מתמר HIFU (גיאומטריים להתמקד 63 מ מ) אל המעגל התאמת עכבה, ואז כוח מגבר (כפי שמוצג באיור1). לאחר מכן חבר ממברנה ההידרופון ישירות למערכת נתונים רכישה, המבטיח כי אות ההדק מסופק מן הגנרטור פונקציה מחובר המגבר כוח (איור 1). הגדר את המתח של הגנרטור פונקציה ל- 30 mV, עם מחזור 10 3.3 מגה-הרץ סינוס גל בתדר חזרה דופק של 100 הרץ. שימוש בתוכנת מדידה (ראה טבלה של חומרים) כדי להמחיש את האות האקוסטי שזוהו והשלב מיקרומטר, מקם את הדופק אקוסטית שזוהו בזמן הנכון של טיסה (42.5 מיקרומטר). שימוש רק בכיוון רדיאלי אחד בכל פעם על הבמה מיקרומטר, למקסם את האות האקוסטי שזוהו. ברגע בטוח שזו הושגה, לסגור את התוכנה ולהשאיר ממברנה ההידרופון במיקומה הנוכחי. משתנים של המתח של הגנרטור פונקציה מ- 20-400 mV במרווחים של 20 mV. עם כל מתח ברמה ושימוש MatLab רכישת התוכנה, שיא ההידרופון אותות. לרכוש 100 פולסים בכל רמה ולהמיר מתח נתונים בלחץ תוך שימוש בנתונים שסופקו כיול. ממוצע הנתונים ולמדוד את שניהם את שיא ערכים חיוביים ושליליים עבור כל רמות מתח פלט. זה נותן את נתוני כיול עבור שדה חינם שיא הלחץ השלילי תשמש עבור שני את הדופק וממשיך גל מחקרים. 3. קביעת התצורה של מכשיר ניסיוני עבור שני המחקרים גל פעמו ומתמשך למלא טנק של מים אקריליק (280 x 141 x 132 מ מ) 4.5 לליטר מים יונים ו- degassed. הר מתמר HIFU ו ההידרופון פס משותף מיושר אל שלב מיקרומטר ידנית שלושה צירים. ואז, באופן מלא להטביע את מתמר ואת הידרופון במיכל מים. תיאור סכמטי של זה מוצג באיור1. להתחבר מתמר HIFU מעגל התאמת עכבה, על מנת להיות מונע-הרמוני השלישית שלו (3.3 מגה-הרץ). מעגל זה מקושר ישירות הפלט של מגבר כוח RF. מחולל אותות דיגיטליים מחובר לקלט של המגבר כוח, מתוכנת מרחוק. לפני חשיפות בחומר דמה, להשתמש הידרופון ממברנה דיפרנציאלית מכוילת כדי למדוד את הלחץ השיא השלילי שנוצר ממערכת זו עבור מתח קלט נתון על הגנרטור פונקציה כמתואר ב- 2. השתמש ערכים אלה מתח הפניה כדי להגדיר את רמת הלחץ הדרוש על הגנרטור פונקציה דיגיטלית. להתחבר ההידרופון בפס רחב (גיאומטריים להתמקד 63 מ מ) אשר שוכן הפתח המרכזי של המתמר HIFU ישירות אל מסנן פס גבוהה 5 מגה-הרץ. לאחר מכן לחבר אותו בכרטיס רכישה 14 סיביות נתונים (DAQ) באמצעות מגבר קדם 40 dB. ודא המסנן ‘ מעבר גבוה ‘ מחובר עם הטיה נכונה.הערה: הכרטיס הזה היה מותקן מחשב שולחני והוא משמש כדי לשלוט כל החומרה (דוגמאות ניתן למצוא תוכנה זו כמו הקבצים המשלימים) ולשמור נתונים לעיבוד לא מקוון במהלך מחקר זה. להתחבר גנרטור הדופק טרנזיסטור-טרנזיסטור דיגיטלי עיכוב לוגיקה (TTL) עם הכידון ניל-Concelman (BNC) כבלי לגנרטור בשני לייזר פעמו מערכת ובפונקציה כדי להבטיח סינכרון בין מערכות אלו, אשר תבטיח את 7 ns לייזר הדופק הוא וצירוף באזור היעד במהלך הפסגה rarefaction הרביעית של המתמר HIFU. באמצעות השיטה המתוארת ב 1, להשמיט את BSA ואת חלקיקים לעשות ישור פנטום, שהינו חומר פאנטום רגיל המכיל 1 מ מ כדורי מתכתי מטרה (כיוון הכדור). כדי להשיג זאת, יוצקים 25 מ ל חומר פנטום לתוך תבנית, להוסיף 62.5 זרז TEMED µl ולאחר מכן המתן כ- 20 דקות כדי להגדיר. ואז למקם את המטרה מתכתי מרכזי הפאנטום, להוסיף 25 מ ל נוספת של פתרון פנטום הזרז TEMED 62.5 µl ולאחר 20 דקות נוספות. חכה. למקם את היישור פנטום תלת-ממדי בעל המודפס6, לעלות על במה תלת-ממדי אוטומטיות, והצב כ כך המטרה מתכתי הוא בשיא מתמר HIFU מוקד. באמצעות מתמר HIFU לשלוח זמן קצר מחזור 10 פרץ (3 µs) ו ההידרופון לקבל (מחוברים ישירות לכרטיס DAQ), המיקום ביחס המטרה יישור ממוטב באמצעות הדופק-הד. הזמן האמיתי זוהה אות יוצג במחשב. להתאים את שעת הטיסה ושידור משרעת באמצעות השלב מיקרומטר ידנית כי מתמר HIFU ואת הידרופון הוא רכוב על. לאחר שעת הטיסה מוגדר µs 85 (הלוך וחזור ליחיד), יש כבר מוגדל של משרעת האות בשני הכיוונים רדיאלי, מערכת זו ייושר. כמה אנרגיה אופטית של מתנד פרמטרית אופטי (OPO) הנשאבים על-ידי 532 ננומטר הננו פעמו לייזר לתוך הרוח באמצעות צרור סיבי 2 מ מ. הר הסיב אל השלב השני מיקרומטר והמיקום בזווית של 45˚ מן הציר אקוסטית מול הפאנטום (איור 1). אורך הגל של אור הלייזר מוגדר כ- 680 nm יהיו גלויים עבור יישור. ברגע גלוי, למקם את התאורה לייזר עם הבמה מיקרומטר כזה כי יישור המטרה המרכזית במקום לייזר בקוטר 15 מ מ. מקם את מיקרוסקופ דיגיטלי x 20-90 (עובד מרחק 90 מ מ), מקור אור לבן בצדדים מנוגדים למיכל המים בניצב למישור הפצת מתמר HIFU. המיקרוסקופ נטענה על במה קטנה מיקרומטר. להציב את זה כך היישור מתכתי המיועד הוא מרכזי, בפוקוס, שלה שדה ראייה (5 x 6 מ”מ).הערה: לאחר השלמת ההליך לעיל, כל הרכיבים של מערכת זו (HIFU מתמר, הידרופון, תאורה לייזר ומיקרוסקופ) כעת במשותף מיושרים למיקום מסוים. היישור פנטום עכשיו יכול להיות מוחלף עם הפאנטום מחקה רקמות המשמש לצורך המחקר. כמו הפאנטום נטענה בעל המחובר למערכת מיקום תלת-ממדי, ניתן לפלח אזורים שונים תוך שמירה על יישור. 4. קוויטציה הסף לאיתור HIFU פעמו חשיפות הערה: ההליך הבא זהה עבור מטוסי פאנטום עם או בלי חלקיקים, צריך לחזור שלוש פעמים. ודא כי מחובר למערכת יהלומים לאחר ניתוק שהפרוצדורה יישור המתוארות ב 3.8, לכוון את אורך הגל של הלייזר לה של חלקיקים. באמצעות תוכנית פקד מותאם אישית, להגדיר את מחולל אותות כדי לייצר פרץ HIFU מחזור 10 (3 µs), אשר מסונכרן עם מערכת לייזר. גם להשתמש בתוכנית זו כדי להגדיר את הכשרון לייזר של 0.4, 1.1, 2.1 או mJ/cm 3.42 למרות שינוי התזמון בין הפעלה של הירי המנורה פלאש ו- Q-מתג פתיחת מערכת לייזר. יעד הפסגה מוקד של מערכת HIFU 10 מ מ לעומק הפאנטום, במיקומים ייחודיים 13, במרווחים של 5 מ מ, בכיוון אנכי. בכל אחד מהאתרים הללו לבצע של חשיפה, בלחץ יחיד שיא שלילי HIFU, עם האפקטיביים ארבע. האמור 4.2. שימוש מגוון שיא שלילי המבוצעות MPa 0, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53, 2.71, 2.83, 3.00, 3.19 חשיפה במצבים הבאים: לייזר על ננו-חלקיק חופשי פנטום, לייזר חופש ב דמה ננו-חלקיק, לייזר ב ננו-חלקיק פנטום. כדי לדמות לייזר “שם” חשיפה, להפעיל את מערכת כפי שתואר, אבל לסגור צמצם ידני על הפלט של אופו. גישה זו תבטיח כי כל רעש RF שנוצר יהיה נוכח במערכת יהלומים. לתכנת כל הגדרות ועמדות חשיפה לתוכנית הבקרה, ולאחר מכן לבצע כדי לבצע מדידות אלה. נתוני מוצר ומנהל תמיכה טכנית הוא דיגיטציה ומאוחסנים ישירות באמצעות כרטיס רכישה הנתונים לעיבוד שלאחר. עבור כל פרמטר חשיפה, חזור 500 חשיפות הן נרכשות6. לעבד את פליטת בפס רחב שזוהה על-ידי המערכת יהלומים מן החשיפה HIFU משך קצר לתוך הפאנטום בטכניקה מפורט על ידי. McLaughlan et al. (2017) 6. 5. תרמית דנטורציה של גל רציף HIFU חשיפות הערה: ההליך הבא זהה עבור מטוסי פאנטום עם או בלי חלקיקים וחזר היו שלוש פעמים. להגדיר את המערכת לייזר לתת את הכשרון, את mJ/cm 3.42 וכן את מחולל אותות לתת חשיפה של CW (כל פרץ מחזור-330,000 שיסונכרן כדי פולס לייזר). 11 מקומות ייחודיים הפאנטום, בחר השיא בלחץ שלילי של 0.20, 0.62, 0.91, 1.19, 1.43, 1.69, 1.92, 2.13, 2.34, 2.53 או 2.71 MPa. השתמש זמן החשיפה הכולל של 17 s על מנת לרכוש 1s של התוכנית הבסיסית לפני ואחרי חשיפה HIFU של CW 15 ב הפאנטום. בתקופה זו חשיפה הכולל מערכת רכישת נתונים מקליט הנתונים יהלומים. המיקרוסקופ מחובר אל הפקד PC, מסגרות תמונה נרשמים בתקופה זו לספק פריט חזותי ישיר של היווצרות נגעים ברפואת תרמי. חזור על התהליך ב- 4.3 עבור כל התנאים חשיפה שונות המפורטות ב- 4.4. לעבד את כל הנתונים יהלומים כדי לחשב מנה קוויטציה אינרציאלית25 החשיפה כל אחד.

Representative Results

זיהוי קוויטציה מן פעמו HIFU חשיפות מערכת זיהוי פסיבית קוויטציה טלקוה הנתונים מתח/שעה עבור החשיפות של טווח של HIFU ולייזר שני מטוסי פאנטום עם ובלי חלקיקים. איור 2 מציג את התוצאות נציג עבור מגוון של חשיפות. המאזניים זמן על קרקעות מעוגלים כדי לסמן את האזורים שבו פליטות אקוסטית בפס רחב הייתה צפויה, בשל שעת הטיסה של פליטות אלה. איור 2 מדגים כי זה רק כאשר יש שילוב של חלקיקים, HIFU חשיפה ולייזר תאורה פליטת בפס רחב מזוהים. עם זאת, זהו עדיין תופעה הסף, כפי בלחץ אקוסטית נמוך יותר עבור איור 2 h פליטת בפס רחב לא אותרו. משך הזמן של פליטות אלה תואמים בדרך כלל משך החשיפה HIFU, שהיה סביב 10 µs במחקר זה. דנטורציה תרמי מחשיפה CW HIFU איור 3 מראה שסדרת מסגרות שנרכש אפיק טורי אוניברסלי (USB) המצלמה במהלך החשיפה HIFU יחיד עם תאורה לייזר, עבור סוגי 3 חשיפות שונות (עם או בלי תאורה לייזר ו/או חלקיקים). איור זה מציג דוגמה של היווצרות נגעים תרמי ברוחות ג’ל עבור כל אחד מהתנאים הללו. בתצוגה זו HIFU מתרחשת חשיפה משמאל לימין. בדוגמה המוצגת באיור 3 השיא היה לחץ שלילי 2.53 MPa, אשר היה הקצה העליון של מה נעשה שימוש במחקר זה. מינון קוויטציה אינרציאלית הקלטה (ICD) מ CW HIFU חשיפות איור 4 מראה תוצאות נציג מהחישוב של ICD שנרשם במהלך חשיפות CW HIFU. נתונים אלה היה פוסט מעובד מתוך פליטת שנרשם על ידי מערכת יהלומים במהלך החשיפה. דמויות 4a, 4 c, ו- 4e מראים כי, בלחץ נמוך שיא שלילי, אין פליטות בפס רחב אותרו, שבו דמויות 4b, d, ו- f להראות כי ICD הוקלט במהלך החשיפה. האותות ICD הגבוהה ביותר נצפו במהלך החשיפה בג’ל המכיל חלקיקים עם חשיפות HIFU והן לייזר (איור 4f). איור 1. ייצוג סכמטי של המנגנון ניסיוני השתמשו במחקר זה. למען הבהירות מיקרוסקופ USB של מקור האור מושמטים, אך אזור תצוגה מודגם על-ידי שתיבה מקווקוות כחול. CNC – מחשב בקרת נומרית, AuNR – nanorods זהב. איור מקורי McLaughlan. et al. (2017) 6. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. באיור 2. דוגמה של עקבות מתח הקליט עם מערכת זיהוי קוויטציה פסיבית במהלך חשיפות HIFU קצר, עם/בלי תאורה לייזר בו זמנית. כאשר נעשה שימוש, הכשרון לייזר היה 2.1 mJ/cm2 עם שיא לחץ שלילי של (-ג) 3.0, 2.13 (d-f) ו- (g-i) 1.43 MPa. LS – לייזר, NR – חלקיקים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. איור 3. הפרט מסגרות s 0, 5, 10 ו-15 בזמנים במהלך החשיפה HIFU שהוקלט על ידי מיקרוסקופ USB. הכשרון לייזר היה 3.4 mJ/cm2 ושיא שלילי הלחץ של 2.53 מגפ ס. רצף (א) היה עם החשיפה לייזר ו ב פנטום ללא חלקיקים, (ב) ללא חשיפה ללייזר ותוך פנטום המכיל חלקיקים, (ג) יש גם תאורה לייזר וגם רוח רפאים המכיל חלקיקים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. באיור 4. החישוב אינרציאלית קוויטציה מינון (ICD) שנרשם במהלך חשיפות (a, b, e, & f) עם ו (c & d) ללא תאורה לייזר. לחץ שלילי שיא היה גם (א, ג, & e) 0.91 או (b, d, & f) 2.53 מגפ ס. הפאנטום בשימוש (& b) אינה מכילה חלקיקים כלשהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

פרוטוקול זה מחולק לארבעה מקטעים נפרדים, המתארת בייצור מחקה רקמות הפאנטום דרך חשיפות CW אותם כדי לייצר דנטורציה תרמית שנוצר. זה דנטורציה של הפאנטום מדמה נמק קרישה תרמית שנוצר מנוסים על ידי רקמה רכה נחשפים HIFU1. ייצור שלהם, חשוב לוודא כי היחס של APS, TEMED הוא כזה כי התהליך לא לעודד מהר מדי. כל התהליך הזה היא אקסותרמית, מהר יותר מקצב זה, יותר הטמפרטורה הגיעה25 , ובכך יכול denature את החלבונים BSA לפני החשיפה. היחס של APS כדי TEMED ב פרוטוקול זה הוגדר כזה כי זה לא צריך לקרות, אולם התבניות יכול להימנות במי קרח במהלך polymerizing של הג’ל כדי להוסיף ולצמצם את האפשרות הזו.

כמו פרוטוקול זה מתמקד התגרענות של קוויטציה באמצעות שילוב של חלקיקים, תאורות לייזר וחשיפה HIFU, שלב קריטי בייצור של הפאנטום ג’ל היא דגה אותם תחת ואקום במשך לפחות 30 דקות. ברגע נחשפים HIFU (במיוחד חשיפות CW), גם אם פגיעה תרמית לא היה נוכח, חשוב למקד במיקום הפאנטום ג’ל כדי להימנע שישנו גרעינים טריים. כאשר זז הפאנטום באמצעות המחשב נשלט למערכת תרגום זה חשוב לוודא כי העומק של HIFU המוקד (ובכך אזור מיושר) נשמרת עקבית. פעולה זו מבטיחה כי הלחץ HIFU ורמות הכשרון לייזר הם אחיד עבור כל פרמטר מסוים חשיפה. עבור פרוטוקול זה, ואחרי המיקום הראשוני של בעל פנטום, הוא אז רק מתורגם בהציר האנכי.

ג’לים מחקה רקמות הרגישים לטמפרטורה נמצאים בשימוש נרחב על ידי HIFU מחקר הקהילה25, כפי שהם מספקים מנגנון חזותי עבור ניטור היווצרות פצע תרמי. מחקר זה היה הדוגמה הראשונה של שילובם עם חלקיקים, להפגין שיפור בתנאי היווצרות הנגע באמצעות פעילות קוויטציה מבוקרת. עם זאת, למרות שהם מסווגים רקמות-מחקה בתגובתם לטמפרטורה, הן שלהם הנחתה אופטי ואקוסטי אינם. בשל הצורך לדמיין את הנגע-צורה ג’לים, הפאנטום כמעט שקופים, עם גוון צהוב קטן. כמו הכשרון לייזר מותאם חשבון בשביל זה, זה אומר כי אור הלייזר מאירה את אזור המטרה היא מקבילות מאשר דיפוזיה יהיה על הרקמות. ובכך לאפשר לתרגום קליניים מרובים תאורה מקורות יהיה נחוץ כדי להבטיח מספיק הכשרון על פני השטח. כיום עבודה זו דבקה22 קווים מנחים לשימוש בטוח של לייזרים כאשר הם נחשפים העור. זה להגביל את הכשרון לייזר המרבי השגה בעומק; לפיכך, טכניקה זו בתחילה להיות מתאים לטיפול סרטן שטחי כמו השד, או ראש וצוואר. יתר על כן, חלקיקים plasmonic ממוקד לקולטנים השטח עבור סוגים אלה של סרטן יכול לספק סלקטיביות מוגברת בטיפולים. עם זאת, אף-על-פי זה אזור פעיל ביותר של מחקר, אין חלקיקי כזה כעת אושרו לשימוש קליני.

הנחתה אקוסטית של הפאנטום עם חלקיקים הנמדד להיות 0.7±0.2 dB/ס מ6, והיה, לעומת הערך עבור רקמה הרכה של 3-4 dB/cm, זה נמוך באופן משמעותי. לפיכך, החימום של חשיפות HIFU ג’לים אלה יהיה נמוך יותר מאשר תיענה רקמה רכה. זה הוכח, כי תוספת של חרוזי זכוכית לג’ל מגביר את רמות הנחתה הדומה רקמה רכה25. עם זאת, ביישום זה, גישה זו אינו אפשרי כפי אלה חרוזים מעשה של מקורות התגרענות לפעילות קוויטציה אפילו בהיעדר חלקיקים, ובכך לסלף את הסף קוויטציה. כאשר משווים את היעילות חימום עבור התוצאות של המחקר על ידי צ’וי. et al. (2013) 25, נגעים תרמי נוצרו בטווחים לחץ שיא של 14-23 MPa (שזה לא מדויק, אם זה היה שיא לחץ חיובי או שלילי). זה היה מתבצע ב- 1.1 MHz, הנחתה ברוחות היה נמוך יותר מאשר בשימוש במחקר זה. יחד עם זאת, הגישה nanoparticle nucleated במחקר זה היה מסוגל לייצר נגעים תרמי האשליות האלה-הלחצים ועד 1.19 3.19 MPa, לפיכך הוכחת יעילות מוגברת על מתודולוגיות הנוכחי.

בעתיד בדיקות עבור מתודולוגיה זו צריכה להתבצע במודל ויוו לשלב הגידול הפחתה, רקמות זלוף, מולקולרית פילוח של חלקיקים ופרמטרים הנחתה אקוסטית הרלוונטיים.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי EPSRC הענק EP/J021156/1. המחבר רוצה להכיר תמיכה אחוות Leverhulme בתחילת הקריירה (ECF-2013-247).

Materials

Single Element HIFU transducer Sonic Concepts H-102
55dB Power Amplifier E&I A300
Function Generator Keysight Technologies 33250A
Differential Membrane Hydrophone Precision Acoustics Ltd
TTL Pulse Generator Quantum Composers 9524
Nd:YAG Pulse Laser Continuum Surelite I-10
OPO Plus Continuum Surelite
Fibre Bundle Thorlabs Inc BF20LSMA01
Energy Sensor Thorlabs Inc ES145C
Nanorods Nanopartz A12-40-850
Broadband detector Sonic Concepts Y-102
5 MHz high pass filter Allen Avionics
40dB preamplifier Spectrum GmbH SPA.1411
14-bit data acquisition card Spectrum GmbH M4i.4420×8
Deionised Filtered Water MilliQ
Acrylamide/Bis-acrylamide solution Sigma Aldrich A9927
1 mol/L TRIS Buffer Sigma Aldrich T2694
Ammonium Persulfate Sigma Aldrich A3678
Bovine serum albumin Sigma Aldrich A7906
TEMED Sigma Aldrich T9281
3D printer CEL-UK Robox
3-axis positioning system Zolix
Digital Microscope Dino-lite AM4113TL
Water Tank Muji Acrylic Tank
Optical Components Thorlabs Inc Various
Optomechanical Components Thorlabs Inc Various
BNC Cables RS
Desktop PC Custom Made
Hotplate Stirrer Fisher
SBench6 Spectrum GmbH Measurement software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  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. , (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, t. e. r., 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. , (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).

Tags

CavitationNucleationPlasmonic Gold NanoparticlesHigh Intensity Focused Ultrasound (HIFU)Laser UltrasoundPhantomAcrylamideBovine Serum AlbuminAlignment PhantomAcoustic AbsorberHydrophone

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
McLaughlan, J. R. Controllable Nucleation of Cavitation from Plasmonic Gold Nanoparticles for Enhancing High Intensity Focused Ultrasound Applications. J. Vis. Exp. (140), e58045, doi:10.3791/58045 (2018).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image