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Engenharia

Steuerbare Keimbildung der Kavitation von Plasmonische Gold-Nanopartikel für die Verbesserung der hohen Intensität konzentriert Ultraschallanwendungen

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

Dieses Protokoll zeigt die steuerbare Keimbildung der Kavitation in Gel Phantome, durch gleichzeitige Exposition gegenüber Nahinfrarot-gepulste Laser-Licht und hoher Intensität fokussiert Ultraschall (HIFU). Die Kavitation-Aktivität kann dann verwendet werden, für die Verbesserung der bildgebender und/oder therapeutische Verwendungen von HIFU.

Abstract

In dieser Studie waren gleichzeitig Pulslaser Nah-Infrarot-Licht und hohe Intensität fokussiert Ultraschall (HIFU) für steuerbare Keimbildung von Kavitation im Gewebe imitiert Gel Phantome plasmonische goldene-Nanopartikeln ausgesetzt. Dieses in-vitro- Protokoll wurde entwickelt, um die Machbarkeit dieses Ansatzes für beide Verbesserung der bildgebenden und therapeutische Anwendungen für Krebs nachweisen. Der gleichen Apparatur kann durch Variation der Dauer der Exposition der HIFU-System für Bildgebung und therapeutische Anwendungen verwendet werden. Für kurzfristige Forderungen (10 µs) wurden durch die kontrollierte Keimbildung der inertialen Kavitation um die gold-Nanopartikel Breitband akustische Emissionen erzeugt. Diese Emissionen bieten direkte Lokalisierung von Nanopartikeln. Für zukünftige Anwendungen diese Partikel können mit Molekulare Ausrichtung auf Antikörper (z. B. Anti-HER2 Brustkrebs) funktionalisiert werden und bieten präzise Lokalisierung von krebsartigen Regionen, ergänzend zu routinemäßigen diagnostischen Ultraschall-Bildgebung. Für kontinuierliche Welle (CW) Forderungen war die Kavitation-Aktivität verwendet, um die lokalisierten Heizung aus der HIFU-Engagements zu größeren thermischen Schäden in der Gel-Phantome zu erhöhen. Die akustischen Emissionen von inertial Kavitation Aktivität während diese CW-Engagements war mit eine passive Kavitation-Detektionssystem (PCD) für Ihr Feedback der Kavitation Tätigkeit überwacht. Erhöhte lokalisierte Heizung wurde nur durch die einzigartige Kombination von Nanopartikeln, Laserlicht und HIFU erreicht. Weitere Bestätigung dieser Technik in präklinischen Modellen von Krebs ist notwendig.

Introduction

High-Intensity fokussiert Ultraschall (HIFU) oder konzentriert ultraschallchirurgie (FUS), ist eine nicht-ionisierender und nicht-invasive Technik, die für die thermische Ablation des subkutanen Gewebes1verwendet wird. Die hauptsächliche Verwendung von HIFU ist bei der Behandlung von weichem Gewebe Tumoren2, aber es fängt an, für andere Anwendungen, wie z. B. die Behandlung von Knochen Tumoren3 oder neurologischen Erkrankungen4verwendet werden. Gibt es zwei Hauptfaktoren, die den weit verbreiteten Einsatz von HIFU in der Klinik zu begrenzen: Erstens, Schwierigkeiten bei der Behandlung Beratung und zweitens lange Behandlung Mal5. Die Kombination von HIFU, gepulste Laser Beleuchtung und plasmonische gold Laptops beschrieben durch diese Methode könnte einen Weg zur Überwindung der gegenwärtigen Beschränkungen für HIFU6bieten.

Bei HIFU Belichtungszeiten ist der vorherrschende Mechanismus der Gewebe Abtragen thermische Schädigung. Kavitation-Aktivität kann jedoch auch eine Rolle8spielen. Kavitation-Aktivität, die bei HIFU Belichtungszeiten auftritt besteht aus beiden mechanisch und/oder thermisch vermittelten Kavitation. Mechanisch vermittelten Kavitation ist in der Regel als akustische Kavitation7, die weiter als Bläschen durchläuft entweder nicht träge oder träge9 Verhalten subcategorized ist bezeichnet. Thermisch vermittelten Kavitation ist die Bildung von Gas-Taschen, durch Ex-Lösung oder Verdampfung, und wird gemeinhin als “kochen”10. Kavitation-Aktivität, die meisten häufig träge Kavitation, nachweislich verbessern die thermische Heizraten erreichbar durch HIFU Belichtungen11 und damit eines seiner wichtigsten Einschränkungen. Jedoch die Bildung und Tätigkeit der Kavitation bei HIFU Belichtungszeiten können unberechenbar sein und führen zu negativen Auswirkungen wie z. B. über Regionen oder asymmetrische thermische Ablation12behandelt. Um Kavitation Aktivität bei HIFU Belichtungszeiten zu kontrollieren, ist die Einführung von externen Kerne untersucht worden. Diese können in Form von Mikroblasen13, Phasenverschiebung Nanoemulsionen14 oder plasmonische Nanopartikel15erfolgen. Mikroblasen und hochdosierter nachweislich zur Verbesserung des Signal-Rausch-für Bildgebung und verbesserte thermische ablationen. Ihre Vergänglichkeit bedeutet jedoch, dass sie über wiederholte HIFU-Exposition ist die Funktionalität eingeschränkt haben. Überwachung der Kavitation Aktivität während HIFU Forderungen erfolgt mit entweder aktiv oder passiv Kavitation-Erkennung (ACD oder PCD, beziehungsweise). PCD ist eine bevorzugte Technik für die Erkennung von Kavitation, da sie gleichzeitig mit HIFU Belichtungen durchgeführt werden kann und spektralen Inhalt informiert. Diese spektralem Inhalt kann dann weiter analysiert werden, zur Identifizierung die Art der Tätigkeit der Kavitation auftritt16. Breitband-Schallemissionen werden verwendet, da diese Emissionen eindeutig auf das Vorhandensein von inertial Kavitation10 sind und mit verstärkten HIFU Heizung11verknüpft sind.

Photoakustische Bildgebung (PAI) ist ein aufstrebender klinischen imaging Technik17, verbindet die spektrale Selektivität der gepulsten Laser Erregung mit der hohen Auflösung der Ultraschall-Bildgebung18. Es wurde früher verwendet, um HIFU Belichtungen19führen, aber diese bildgebende Verfahren ist begrenzt durch die Eindringtiefe des Laserlichts. Plasmonische gold-Nanopartikel können verwendet werden, als “Kontrastmittel” Erhöhung der lokalen Absorption des Laserlichts und anschließend die Amplitude der Photoakustischen Emissionen20handeln. Für ausreichend hohe Laser unbe-ist es möglich, die Generation der mikroskopischen Dampfblasenbildung führen, die für hoch lokalisierte bildgebenden21verwendet werden kann. Aber diese Exposition in der Regel überschreitet die maximal zulässige Exposition für die Verwendung von Laserlicht in Menschen22, und somit haben eingeschränkte Nutzung. Die Methode dieser Studie hat bisher gezeigt, dass indem man gleichzeitig die plasmonische Nanopartikel an beiden Laser Beleuchtung und HIFU, die Laser Fluence und akustische Druck benötigt, um diese kleine Dampfblasen Keimbildung wird drastisch reduziert, und das Signal-Rausch-Verhältnis für die Bildgebung ist erhöhte23. Eine Methode wird hier beschrieben, um plasmonische Nanopartikel mit Laser und HIFU-Forderungen für eine höchst steuerbaren Technik für die Keimbildung und Aktivität der Dampfblasenbildung zu verbinden.

Protocol

(1) Gewebe imitiert Phantom Herstellung Hinweis: Eine gründliche Analyse der akustischen Eigenschaften des optisch transparente Gewebe imitiert Phantom für alle Aufnahmen in dieser Studie verwendet Choi Et Al. finden Sie im 24 Hinweis: Jeder phantom Form enthält etwa 50 mL der Lösung, und für jede Charge sind insgesamt fünf Formen gefüllt. So ist insgesamt 250 mL phantom Lösung bereit. Eine 500 mL-Becherglas und lassen auf Raumtemperatur equilibrate fügen Sie 148,2 mL (60 % V/V) deionisiertes, gefiltert und entgastes Wasser hinzu. Hinzugeben Sie 75 mL 40 % (Gewicht/Volumen) Acrylamid/Bis-Acrylamid-Lösung (30 % V/V) in das Becherglas, gefolgt von 25 mL 1 M TRIS-Puffer, pH 8 (10 % V/V) und 2,15 mL 10 % Ammonium Bleichen (APS; 0,86 % V/V). Legen Sie das Glasgefäß in einer Vakuumkammer, die auf einen Magnetrührer Teller befindet, und legen Sie eine 40 mm lange Polytetrafluorethylen (PTFE) magnetischen Rührstab in den Becher. Mit einem mittleren Geschwindigkeit rühren (d. h. gewährleisten gute Durchmischung ohne Bildung von Wirbel im Wasser), 22,5 g (9 % w/V) Rinderserumalbumin (BSA) Pulver langsam hinzufügen. Nachdem alle BSA der Projektmappe hinzugefügt wurde, schließen Sie die Vakuumkammer und schalten Sie die Vakuumpumpe. Pflegen Sie ein Vakuum von 80 mBar/H und weiter rühren für weitere 60 min, nach dem Release des Vakuums. An dieser Stelle sollte die Lösung klar mit einem leichten gelben Farbton sein. Die obige Methode gilt für Phantome gemacht, sowohl mit als auch ohne Nanopartikel. Wenn Nanopartikel erforderlich sind, fügen Sie 10 µL (Konzentration von 1 x 108 Np/mL) von Laptops, die eine Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) bei 850 nm und einem Durchmesser von 40 nm. Schließlich fügen Sie 125 µL Tetramethylethylenediamine (TEMED) zur Polymerisation des Phantoms zu katalysieren. Warten Sie weitere 5 min erlauben zum Mischen, dann Gießen Sie die phantom Lösung in 5 einzelnen Formen und warten Sie 20 min einstellen. Einmal festgelegt, aus dem Halter entfernen und bis zur Verwendung in einem luftdichten Behälter aufbewahren. Phantome innerhalb von 24 Stunden nach der Herstellung zu verwenden. 2. Kalibrierung des HIFU Schallwandler Freifeld Schalldruck Hinweis: In diesem Abschnitt des Protokolls ist nicht notwendig, vor jeder schädigendes/Imaging Experiment. Es ist eine Kalibrierung erfolgen in regelmäßigen Abständen zu akustischen Ausgang des Systems gewährleisten korrekt ist. Füllen Sie eine Acryl Wassertank (280 x 141 x 132 mm) mit 4,5 L deionisiertes und entgastes Wasser. Montieren Sie die HIFU-Wandler auf einer festen Position Post an einem Ende des Tanks, innen. Parallel zu diesem, Mount eine kalibrierte (durchgeführt von den nationalen physikalischen Labors) Membran Hydrophon auf eine dreiachsige manuelle Mikrometer-Bühne im ungefähren Mittelpunkt der HIFU-Wandler (63 mm). Die HIFU-Wandler zu verbinden (geometrische konzentrieren 63 mm) auf die Impedanzanpassung Schaltung, dann Leistungsverstärker (siehe Abbildung 1). Dann schließen Sie die Membran Hydrophon direkt an das Datenerfassungssystem, um sicherzustellen, dass ein Triggersignal von der Funktionsgenerator, angeschlossen an den Leistungsverstärker (Abbildung 1) vorgesehen ist. Legen Sie die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators auf 30 mV mit einer Sinuswelle 10 Zyklus 3,3 MHz bei einer Impulsfolgefrequenz von 100 Hz. Mit Hilfe der Mess-Software (siehe Tabelle der Materialien) zu visualisieren, die erkannten akustisches Signal und der Mikrometer-Bühne, positionieren Sie die erkannten akustischen Impuls zum richtigen Zeitpunkt des Fluges (42.5 µm). Verwendung von nur einer einzigen radiale Richtung gleichzeitig auf der Bühne Mikrometer, maximieren Sie das detektierte akustischen Signal. Sobald zuversichtlich, dass dies gelungen ist, schließen Sie die Software und verlassen Sie die Membran Hydrophon in seiner aktuellen Position zu. Variieren Sie die Ausgangsspannung der Funktionsgenerator von 20-400 mV in Schritten von 20 mV. Auf jede Spannung Ebene und mit signalisiert der MatLab-Datenerfassungs-Software, Aufzeichnung der Hydrophon. 100 Impulse auf jeder Ebene zu erwerben und Konvertieren von Spannung Daten im Druck mittels der mitgelieferten Kalibrierdaten. Im Durchschnitt der Daten und sowohl die positive als auch negative Spitzenwerte für alle Leistungsstufen Spannung zu messen. Dies gibt die Kalibrierdaten für freies Feld Spitzendruck negativ für beide Puls verwendet werden und setzt Welle Studium. 3. Konfigurieren experimentelle Vorrichtung für beide gepulste und kontinuierliche Welle-Studien Füllen Sie eine Acryl Wassertank (280 x 141 x 132 mm) mit 4,5 L deionisiertes und entgastes Wasser. Montieren der HIFU-Wandler und die gemeinsam ausgerichteten Breitband Hydrophon auf einem dreiachsigen manuelle Mikrometer-Bühne. Dann Tauchen Sie voll die Wandler und Hydrophon in den Wassertank eingesetzt. Eine schematische Darstellung des Dies ist in Abbildung 1dargestellt. Schließen Sie die HIFU-Wandler an eine Impedanzanpassung Schaltung, um an seine dritte harmonische (3,3 MHz) gefahren werden können. Diese Schaltung ist direkt auf den Ausgang eines RF-Endstufe verbunden. Ein digitaler Funktionsgenerator ist verbunden mit dem Eingang der Endstufe und aus der Ferne programmiert. Benutzen Sie vor Expositionen im phantom Material einen kalibrierten differenzielle Membran Hydrophon zur Messung des Peak Unterdruck erzeugt aus diesem System für einen bestimmten Eingangsspannung an der Funktionsgenerator wie unter 2 beschrieben. Verwenden Sie diese Referenzwerte Spannung, das erforderliche Druckniveau auf der digitalen Funktionsgenerator einzurichten. Verbinden Sie die Breitband Hydrophon (geometrische konzentrieren 63 mm), befindet sich in der zentralen Öffnung der HIFU-Wandler direkt an einer 5 MHz Hochpass-Filter. Schließen Sie es an eine 14-Bit-Daten Akquisition Karte (DAQ) über einen Vorverstärker von 40 dB. Sicherstellen Sie, dass die Hochpass-Filter mit der richtigen Neigung verbunden ist.Hinweis: Diese Karte wurde in einem Desktop-PC installiert und dient zur Steuerung aller Hardware (Beispiele dieser Software Sie als ergänzende Dateien finden) und speichern Sie Daten für die Offline-Bearbeitung während der Studie. Verbinden Sie ein Transistor-Transistor-Logik (TTL) digitale Verzögerung Impulsgenerator mit Bajonett Neill-Concelman (BNC) Kabel an beide die gepulste Laser System und Funktion Generator zur Synchronisation zwischen diesen Systemen zu gewährleisten, die sicherzustellen, dass die 7 ns-Laser Puls ist während der Hochsaison im vierten Verdünnung von der HIFU-Wandler in der Zielregion deckungsgleich. Mit der Methode 1 beschrieben, weglassen der BSA und Nanopartikel zu einer Achse phantom, die phantom Standardmaterial ist, die ein 1 mm sphärische metallisches Target (Kugellager) enthält. Um dies zu erreichen, 25 mL phantom Material in eine Form gießen und 62,5 µl TEMED Katalysator hinzufügen, dann warten Sie ca. 20 min einstellen. Dann platzieren Sie metallische Target zentral im Phantom und eine weitere 25 mL phantom Lösung gefolgt von 62,5 µl TEMED Katalysator und weiteren 20 min warten. Legen Sie die Ausrichtung phantom in der 3-d-gedruckte Halter6, montiert auf einer automatisierten 3-d-Bühne und ungefähr so positionieren, dass metallische Target auf dem Schwerpunkt Höhepunkt der HIFU-Wandler ist. Mit Hilfe der HIFU-Wandlers um zu senden, eine kurze Dauer 10 Zyklus platzen (3 µs) und das Hydrophon empfangen (direkt an der DAQ-Karte angeschlossen), ist die Position relativ zum Ziel der Ausrichtung durch Impuls-Echo-Ortung optimiert. Die Real-Time erkannte Signal auf dem Computer angezeigt wird. Stellen Sie die Zeit des Fluges und Signal Amplitude mit der manuellen Mikrometer-Bühne, die die HIFU-Wandler und Hydrophon an montiert. Sobald Flugzeit auf 85 µs (einem einzigen Roundtrip) festgelegt ist und die Signalamplitude in beiden radialen Richtungen maximiert wurde hat, wird dieses System ausgerichtet werden. Paar die optische Energie aus der optischen parametrischen Oszillator (OPO) das Phantom mit einem 2 mm Faserbündel von 532 nm Nanosekunde gepulste Laser gepumpt. Montieren Sie diese Faser auf einen Mikrometer-Zweitstufe und Position in einem Winkel von 45° von der akustischen Achse vor dem Phantom (Abbildung 1). Die Wellenlänge des Laserlichts soll 680 nm für Ausrichtung sichtbar sein. Sobald sichtbar, positionieren Sie die Laser-Beleuchtung mit Mikrometer-Bühne so, dass das Ziel der Ausrichtung in eine 15 mm Durchmesser Laserpunkt zentral ist. Positionieren Sie die 20-90 X digital-Mikroskop (arbeiten Abstand 90 mm) und eine weiße Lichtquelle auf gegenüberliegenden Seiten des wasserkastens senkrecht zur Ebene der HIFU-Wandler Vermehrung. Das Mikroskop ist auf einer kleinen Mikrometer Bühne montiert. Positionieren Sie es so, dass die metallische Ausrichtung gezielt im Mittelpunkt steht und im Fokus in sein Sichtfeld (5 x 6 mm).Hinweis: Nachdem das oben beschriebene Verfahren abgeschlossen ist, werden alle Elemente des Systems (HIFU-Wandler, Hydrophon, Laser-Beleuchtung und Mikroskop) jetzt an einen bestimmten Ort Co ausgerichtet. Die phantom Ausrichtung kann jetzt mit der Nachahmung von Gewebe Phantome für die Studie verwendet ersetzt werden. Wie das Phantom in einer Halterung befestigt, ein 3-d-positioning System montiert ist, können verschiedene Regionen ausgerichtet sein, Beibehaltung Ausrichtung. (4) Kavitation Schwelle Erkennung von gepulsten HIFU Expositionen Hinweis: Die folgende Prozedur ist die gleiche für Phantome mit oder ohne Nanopartikel und dreimal wiederholt werden sollte. Sicherzustellen Sie, dass das PCD-System verbunden ist, nach für die Ausrichtung Verfahren getrennt in 3.8 erläutert und stimmen Sie die Wellenlänge des Lasers, die SPR der Nanopartikel. Mit einem benutzerdefinierten Steuerelement-Programm, setzen der Funktionsgenerator, ein 10-Zyklus (3 µs) HIFU Platzen zu produzieren, die mit dem Lasersystem synchronisiert ist. Auch verwenden Sie dieses Programm, um eine Laser-Fluence von 0,4, 1.1, 2.1 oder 3.4 mJ/cm2 gesetzt, obwohl das Timing zwischen dem Auslösen der Blitzlampe Zündung und Q-Switch Öffnung des Lasersystems zu ändern. Ziel der fokalen Höhepunkt der HIFU-System 10 mm tief in das Phantom und an 13 einzigartigen Standorten, Abstand von 5 mm in vertikaler Richtung. Führen Sie in jedem dieser Orte eine Ausstellung mit einer einzigen Spitze HIFU Unterdruck, mit der vier Laser unbe-in 4.2 genannten. Verwendung das Spektrum der Peak Negative Druck 0, 0,91, 1.19, 1,43, 1,69, 1.92, 2.13, 2,34, 2,53, 2,71, 2,83, 3,00 und 3.19 MPa für die folgenden Bedingungen: laser auf Nanopartikel kostenlos Phantom, Laser aus in ein phantom Nanopartikel und Laser auf ein Nanopartikel Phantom. Simuliert einen “Mogelpackung” Laser Exposition, führen Sie das System als beschrieben, aber die manuelle Blende am Ausgang der OPO geschlossen. Dieser Ansatz wird sichergestellt, dass RF-Lärm erzeugt noch dem PKD-System anwesend sein wird. Programmieren Sie alle Einstellungen und Exposition Positionen in das Steuerprogramm zu, dann führen Sie aus, um diese Messungen durchführen. PCD-Daten werden digitalisiert und gespeichert, direkt mit der Datenkarte Erwerb für die Nachbearbeitung. Für jeden Parameter Exposition repeat 500 Belichtungen erworbenen6sind. Verarbeiten der Breitband-Emissionen vom PCD System aus den kurzen Dauer-HIFU-Engagements in die Phantome, die mit der Technik von McLaughlan Et Al. detailliert erfasst (2017) 6. 5. thermische Denaturierung kontinuierliche Welle HIFU Belichtungen Hinweis: Die folgende Prozedur ist die gleiche für Phantome mit oder ohne Nanopartikel und wurden drei Mal wiederholt. Legen Sie das Lasersystem geben einen Fluence von 3,4 mJ/cm2 und der Funktionsgenerator eine CW-Exposition geben (jeder 330.000-Cycle Burst ist mit einem Laserpuls synchronisiert). Wählen Sie an 11 verschiedenen Orten im Phantom einen negativen Spitzendruck von 0,20, 0,62, 0,91, 1.19, 1,43, 1,69, 1.92, 2.13, 2,34, 2,53 oder 2,71 MPa. Verwenden eine gesamtbelichtungszeit von 17 s um 1 s der Grundlinie vor und nach einer 15 s CW-HIFU-Exposition im Phantom zu erwerben. Während dieser gesamten Belichtungszeit zeichnet das Datenerfassungssystem der PCD-Daten. Das Mikroskop ist mit Steuerungs-PC verbunden und die Bildrahmen werden aufgezeichnet, während dieser Zeit eine direkte Visualisierung der thermischen Läsion Bildung bieten. Wiederholen Sie den Vorgang in 4.3 für alle verschiedenen Expositionsbedingungen in 4.4 beschrieben. Verarbeiten Sie alle PCD Daten offline inertial Kavitation Dosis25 für jede Belichtung zu berechnen.

Representative Results

Kavitation-Erkennung von gepulsten HIFU-Aufnahmen Das passive Kavitation-Detection-System erfasst die Spannung/Uhrzeit-Daten für den Bereich der HIFU und Laser Expositionen in beiden Phantome mit und ohne Nanopartikel. Abbildung 2 zeigt die repräsentative Ergebnisse für eine Reihe von Aufnahmen. Die Zeitskalen auf diese Grundstücke werden abgeschnitten, um die Regionen zu markieren, wo Breitband Schallemission, aufgrund des Fluges dieser Emissionen zu erwarten wäre. Abbildung 2 zeigt, dass es nur wenn es eine Kombination von Nanopartikeln, HIFU Exposition und Laser-Beleuchtung, dass Breitband-Emissionen erkannt werden. Dies ist jedoch noch ein Schwellenwert Phänomen, wie bei der unteren Schalldruck für Abbildung 2 h Breitband-Emissionen nicht erkannt wurden. Entsprechen Sie die Dauer dieser Emissionen in der Regel die Länge der HIFU-Ausstellung, die etwa 10 µs in dieser Studie war. Thermische Denaturierung von einem CW HIFU-Exposition Abbildung 3 zeigt, dass eine Reihe von Bildern aus den universal serial Bus (USB) Kamera während einer einzigen HIFU-Exposition mit Laser-Beleuchtung, für die drei unterschiedlichen Belichtungen-Typen (mit/ohne Laser Beleuchtung und/oder Nanopartikel) erworben. Diese Abbildung zeigt ein Beispiel für die Bildung von thermischen Verletzungen in die Gel-Phantome für jede dieser Bedingungen. In dieser Ansicht die HIFU erfolgt Exposition von links nach rechts. Für das Beispiel in Abbildung 3 dargestellt, den Gipfel war Unterdruck 2,53 MPa, die Oberkante der was in dieser Studie verwendet wurde. Aufnahmen inertialen Kavitation Dosis (ICD) CW HIFU Belichtungen Abbildung 4 zeigt repräsentative Ergebnisse bei der Berechnung der ICD bei CW HIFU Belichtungszeiten aufgenommen. Diese Daten wurde Post verarbeitet aus den Emissionen von den PCD-System während der Belichtung aufgenommen. Abbildungen 4a, 4 c und 4e zeigen, dass auf eine niedrigere negativen Spitzendruck, keine Breitband-Emissionen nachgewiesen wurden, wo Zahlen 4 b, d, und f zeigen, dass ICD während der Belichtung aufgenommen wurde. Die höchsten ICD wurden während der Belichtung in einem Gel mit Nanopartikeln mit HIFU und Laser Belichtungen (Abbildung 4f) beobachtet. Abbildung 1: Eine schematische Darstellung der experimentellen Vorrichtung, die in dieser Studie verwendeten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit das USB-Mikroskop und Lichtquelle sind weggelassen, aber siehe Region ist durch ein blaues gestricheltes Feld dargestellt. CNC – Computer Numerical Control, AuNR – Gold Laptops. Abbildung von McLaughlan Et Al. angepasst (2017) 6. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 2: Ein Beispiel für die Spannung Spuren aufgezeichnet mit der passiven Kavitation-Detection-System bei kurzen Belichtungszeiten HIFU, mit/ohne gleichzeitige Laser Beleuchtung. Wenn verwendet, wurde der Laser-Fluence 2,1 mJ/cm2 mit einem negativen Spitzendruck (a-c) 3.0, 2.13 (d-f) und (g-i) 1,43 MPa. LS – Laser, NR – Nanopartikel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 3. Einzelne frames manchmal 0, 5, 10 und 15 s während einer HIFU-Exposition von dem USB-Mikroskop aufgenommen. Der Laser-Fluence war 3.4 mJ/cm2 und Peak Unterdruck von 2,53 MPa. Sequenz (a) war mit der Laserbelichtung und in ein Phantom ohne Nanopartikel, (b) ist ohne Laserbelichtung und in ein Phantom, die Nanopartikel enthalten, und (c) verfügt über Laser-Beleuchtung und ein Phantom, die Nanopartikel enthalten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 4. Inertial Kavitation Dosis (ICD) bei Belichtungszeiten (a, b, e und f) mit aufgenommen und (c & d) ohne Laser Beleuchtung berechnet. Negativen Spitzendruck war entweder (a, c, und e) 0.91 oder (b, d u. f) 2,53 MPa. Das Phantom in verwendet (ein & (b) Nanopartikel nicht enthalten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Dieses Protokoll gliedert sich in vier separate Abschnitte beschreiben die Herstellung der Gewebe imitiert Phantom durch CW-Risikopositionen in sie thermisch generierten Denaturierung zu produzieren. Diese Denaturierung der Phantome simuliert thermisch generierten Koagulation Nekrose erlebt von weichem Gewebe, HIFU-1ausgesetzt. Bei ihrer Herstellung ist es wichtig, sicherzustellen, dass das Verhältnis von APS und TEMED ist so, dass der Prozess nicht zu schnell zu katalysieren. Da dieser Prozess exotherm ist, je schneller diese Rate, desto höher die Temperatur erreicht25 und somit konnte die BSA Proteine vor der Belichtung denaturieren. Das Verhältnis von APS zu TEMED in diesem Protokoll wurde festgelegt, so dass dies sollte nicht auftreten, aber die Formen in Eiswasser platziert werden konnten, während die dadurch des Gels um diese Möglichkeit weiter zu minimieren.

Da dieses Protokoll konzentriert sich auf die Keimbildung der Kavitation durch die Kombination von Nanopartikeln, Laser Illuminationen und HIFU Exposition, ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Gel-Phantome zu entgasen sie unter Vakuum für mindestens 30 Minuten. Sobald HIFU (insbesondere CW Belichtungen) ausgesetzt, selbst wenn eine thermische Läsion nicht anwesend war, ist es wichtig, eine frische Lage in die Gel-Phantome zu bereits vorhandenen Kerne ansprechen. Beim Bewegen des Phantoms mit dem Computer Übersetzungssystem gesteuert ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Tiefenschärfe der HIFU (und somit ausgerichteten Region) konsistent gehalten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die HIFU Druck und Laser Fluenz einheitlich für jede spezifische Exposition Parameter liegen. Für dieses Protokoll und nach der Platzierung des phantom-Inhabers wird es dann nur in der vertikalen Achse übersetzt.

Die temperaturempfindliche Gewebe imitiert Gele sind durch die HIFU Forschung Gemeinschaft25, weit verbreitet, da sie einen visuelle Mechanismus für die Überwachung der Bildung einer thermischen Läsion bieten. Diese Studie war das erste Beispiel für Kombination mit Nanopartikeln und demonstrieren die Läsion Formation durch kontrollierte Kavitation Aktivität zur Verbesserung. Obwohl sie als Nachahmung von Gewebe für ihre Reaktion auf Temperatur eingestuft werden, sind jedoch sowohl ihre optische und akustische Dämpfung nicht. Aufgrund der Notwendigkeit, die Läsion Bildung in die Gele zu visualisieren die Phantome sind in der Nähe von transparent, mit einem leichten gelben Farbton. Da der Laser Fluenz für dieses Konto eingestellt ist, bedeutet es, dass das Laserlicht beleuchtet die Zielregion kollimierten eher als diffusiven als für normale Gewebe wäre. Also, um klinische Übersetzung mehrere Beleuchtung ermöglichen Quellen wäre notwendig, um genügend Fluence auf der Oberfläche zu gewährleisten. Derzeit hält sich dabei an Leitlinien22 für den sicheren Einsatz von Lasern bei auf der Haut. Dies würde die maximale Laser Fluenz erreichbare Tiefe begrenzen; Somit wäre diese Technik ursprünglich zur Behandlung von oberflächlichen Krebsarten wie Brust-, oder Kopf und Hals geeignet. Darüber hinaus könnten plasmonische Nanopartikel gezielt an Oberfläche Rezeptoren für diese Arten von Krebs erhöhte Selektivität in Behandlungen. Obwohl dies ein sehr aktives Gebiet der Forschung ist, sind keine solche Teilchen jedoch derzeit für den klinischen Einsatz zugelassen.

Die akustische Dämpfung der Phantome mit Nanopartikeln wurde gemessen, um 0.7±0.2 dB/cm6und, verglichen mit dem Wert für weiches Gewebe von 3 bis 4 dB/cm, es ist deutlich geringer. Die Heizung aus HIFU Engagements in diese Gele wäre somit niedriger als in Weichteilen beobachtet werden würde. Es wurde nachgewiesen, dass die Zugabe von Glasperlen auf das Gel die Dämpfung ähnlich wie Weichgewebe25erhöht. Jedoch in dieser Anwendung ist dieser Ansatz nicht möglich, da diese Perlen einer Keimbildung Quellen für Kavitation Aktivität auch in Abwesenheit von Nanopartikeln handeln und somit die Kavitation Schwelle verfälschen würde. Vergleicht man die Heizleistung für mit den Ergebnissen der Studie von Choi Et al. (2013) 25, thermische Läsionen am Gipfel Druckbereiche von 14-23 MPa generiert wurden (es ist nicht angegeben ob dies positiv oder negativ Spitzendruck). Wie dies bei 1,1 MHz durchgeführt wurde, war die Dämpfung in den Phantoms niedriger als in dieser Studie verwendet. Dennoch konnte sich die Nanopartikel-Kernhaltige Ansatz in dieser Studie thermische Läsionen in diese Phantome bei Drücken von 1.19 auf 3.19 MPa, so zeigen eine erhöhte Effizienz über aktuelle Methoden bis hin zu generieren.

Zukünftige Tests für diese Methodik sollten, in einem in Vivo Modell unternommen werden, Tumor-Reduktion, Gewebedurchblutung, Molekulare Ausrichtung von Nanopartikeln und entsprechende akustische Dämpfung Parameter zu integrieren.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde unterstützt durch EPSRC EP/J021156/1 zu gewähren. Der Autor möchte Unterstützung aus einer frühen Karriere Leverhulme Gemeinschaft (ECF-2013-247) anerkennen.

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
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Referências

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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).
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