وركز التنو يمكن السيطرة عليها من التجويف من جسيمات نانوية الذهب Plasmonic لتعزيز كثافة عالية تطبيقات الموجات فوق الصوتية
Summary
هذا البروتوكول يوضح التنو يمكن السيطرة عليها من التجويف في جل أشباح، عن طريق التعرض المتزامن لأشعة الليزر النبضي القريبة من الأشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية عالية الكثافة وركزت (هيفو). ثم يمكن استخدام النشاط التجويف لتعزيز استخدامات التصوير و/أو العلاجية هيفو.
Abstract
في هذه الدراسة، تعرضت جسيمات نانوية الذهب plasmonic في نفس الوقت إلى نابض القريبة من الأشعة تحت الحمراء ليزر كثافة الضوء وارتفاع تركيز الموجات فوق الصوتية (هيفو) التنو يمكن السيطرة عليها من التجويف في محاكاة الأنسجة أشباح جل. تم تطوير هذا البروتوكول في المختبر لإثبات جدوى هذا النهج، لتعزيز كل من تطبيقات التصوير والعلاجية للسرطان. يمكن استخدام نفس الجهاز لتطبيقات التصوير والعلاجية على حد سواء باختلاف مدة التعرض للنظام هيفو. لقصر مدة التعرض (10 المايكروثانيه)، تم إنشاؤها الانبعاثات الصوتية ذات النطاق العريض من خلال التنو الخاضعة للقصور الذاتي التجويف حول جسيمات نانوية الذهب. وتوفر هذه الانبعاثات التعريب مباشرة من جسيمات نانوية. للتطبيقات المستقبلية، هذه الجزيئات قد فونكتيوناليزيد مع الجزيئية استهداف الأجسام المضادة (مثل HER2 المضادة لسرطان الثدي)، ويمكن أن توفر الترجمة الدقيقة للمناطق سرطانية، واستكمالا للتصوير بالموجات فوق الصوتية التشخيصية الروتينية. للتعرض لموجات مستمرة (CW)، استخدم النشاط التجويف لزيادة التدفئة مترجمة من التعرض هيفو أسفر عن أكبر الضرر الحراري في أشباح جل. تم رصد الانبعاثات الصوتية المتولدة من النشاط التجويف القصور الذاتي أثناء التعرض لهذه الأسلحة الكيميائية باستخدام نظام الكشف عن (PCD) التجويف سلبي لتوفير التغذية مرتدة نشاط التجويف. وقد تحقق زيادة تدفئة المترجمة فقط من خلال مزيج فريد من جسيمات نانوية، ضوء الليزر وهيفو. من الضروري مواصلة التحقق من الصحة لهذا الأسلوب في النماذج قبل الإكلينيكية للسرطان.
Introduction
كثافة عالية تركز الموجات فوق الصوتية (هيفو)، أو ركزت جراحة الموجات فوق الصوتية (فوس)، وهو أسلوب غير المؤين وغير الغازية التي تستخدم للاستئصال الحراري للنسيج تحت الجلد1. الاستخدام الرئيسي هيفو في علاج أورام الأنسجة الرخوة2، لكن ذلك هو بداية لاستخدامها في تطبيقات أخرى، مثل علاج أورام العظم3 أو4من ظروف عصبية. هناك اثنين من العوامل الرئيسية التي تحد من الاستخدام الواسع النطاق هيفو في العيادة: أولاً، صعوبات في توجيه العلاج وثانيا، أوقات طويلة من العلاج5. المزيج من هيفو والإضاءة الليزر النبضي nanorods الذهب plasmonic الموصوفة بهذا الأسلوب يمكن أن توفر وسيلة للتغلب على القيود المفروضة حاليا على هيفو6.
خلال التعرض هيفو، هو الآلية المهيمنة للاجتثاث الأنسجة الضرر الحراري. ومع ذلك، النشاط التجويف أيضا أن تلعب دور8. يمكن أن تتكون التجويف النشاط الذي يحدث أثناء التعرض هيفو كلا التجويف وساطة ميكانيكيا و/أو حرارياً. التجويف ميكانيكيا وساطة يشار إليه عموما التجويف الصوتية7، التي هي كذلك سيقتضي كفقاعات تمر أما السلوك غير القصور الذاتي أو القصور الذاتي9 . التجويف وساطة حرارياً من تشكيل جيوب الغاز، من خلال حل السابقين أو التبخر، ويشار إلى ‘غلى’10. النشاط التجويف، ومعظمها عادة قد تبين التجويف القصور الذاتي، تعزيز الحرارية تدفئة معدلات يمكن تحقيقه من خلال التعرض هيفو11 وهكذا تساعد على معالجة واحدة من أوجه القصور الرئيسية. بيد تشكيل ونشاط التجويف أثناء التعرض هيفو لا يمكن التنبؤ بها وتؤدي إلى الآثار السلبية مثل الإفراط معاملة المناطق، أو غير متناظرة الاجتثاث الحرارية12. من أجل مراقبة نشاط التجويف أثناء التعرض هيفو، تم التحقيق الأخذ بنوي الخارجية. وهذه يمكن أن تتخذ شكل ميكروبوبليس13، مرحلة التحول نانومولسيونس14 أو15من جسيمات نانوية plasmonic. ثبت ميكروبوبليس ونانومولسيونس لتحسين إشارة إلى الضوضاء للتصوير وتعزيز أبلاتيونس الحرارية. ومع ذلك، يعني طبيعتها عابرة محدودة وظيفة عبر التعرض المتكرر هيفو. ويجري رصد النشاط التجويف أثناء التعرض هيفو باستخدام أما كشف التجويف الإيجابي أو السلبي (حوار التعاون الآسيوي أو PCD، على التوالي). PCD أسلوب تفضيلاً لكشف التجويف، كما يمكن تنفيذها بالتزامن مع التعرض هيفو ويوفر معلومات المحتوى الطيفي. يمكن ثم تحليل هذا المحتوى الطيفي للمساعدة في تحديد نوع النشاط التجويف تحدث16كذلك. وتستخدم الانبعاثات الصوتية ذات النطاق العريض، منذ هذه الانبعاثات هي فريدة من نوعها لوجود التجويف القصور الذاتي10 وترتبط بتعزيز هيفو تدفئة11.
التنظير التصوير (PAI) هو تصوير تقنية17، الذي يجمع بين الانتقائية الطيفية للإثارة الليزر النبضي مع دقة عالية من18التصوير بالموجات فوق الصوتية السريرية الناشئة. وقد استخدمت سابقا لتوجيه هيفو التعرض19، ولكن هذا الأسلوب التصوير محدود بعمق تغلغل ضوء الليزر. يمكن استخدام الجسيمات النانوية الذهبية plasmonic بمثابة ‘عوامل التباين’ زيادة امتصاص ضوء الليزر المحلية والسعة للتنظير الانبعاثات20في وقت لاحق. فلوينسيس ليزر عالية بما فيه الكفاية، فمن الممكن التسبب في توليد فقاعات بخار المجهرية التي يمكن استخدامها ل التصوير عالية مترجمة21. ومع ذلك، هذه مستويات التعرض عادة تتجاوز الحد الأقصى التعرض المسموح بها لاستخدام الليزر الخفيفة في البشر22، ومما قد يحد من استخدام. الطريقة المستخدمة في هذه الدراسة أثبت سابقا أن بتعريض جسيمات نانوية plasmonic لكلا الليزر في نفس الوقت الإضاءة وهيفو، فلوينس الليزر والضغوط الصوتية يلزم نوكليتي هذه فقاعات بخار صغير هو انخفاضا هائلا، وهو نسبة الإشارة إلى الضوضاء للتصوير بزيادة23. يتم وصف أسلوب هنا للجمع بين جسيمات نانوية plasmonic مع الليزر والتعرض هيفو لتقنية عالية يمكن السيطرة عليها التنو والنشاط لفقاعات بخار.
Protocol
Representative Results
Discussion
وينقسم هذا البروتوكول إلى أربعة أقسام منفصلة، تصف صنع الوهمية محاكاة الأنسجة من خلال للأسلحة الكيميائية والتعرض فيها لإنتاج تمسخ المولدة حرارياً. يحاكي هذا تمسخ الأشباح نخر التخثر المولدة حرارياً من ذوي الخبرة بالانسجة اللينة التي تتعرض إلى هيفو1. في صنعها، من المهم التأكد من أن نسبة APS وتيميد أن عدم تحفيز هذه العملية بسرعة كبيرة جداً. وهذه العملية هو طارد، أسرع هذا المعدل، وارتفاع درجة حرارة بلغت25 وبالتالي يمكن أن تؤذي البروتينات جيش صرب البوسنة قبل التعرض. تم تعيين النسبة من وكالة الأنباء الجزائرية إلى تيميد في هذا البروتوكول أن هذا يجب أن لا تحدث، لكن القوالب يمكن أن توضع في الماء المثلج أثناء مبلمرة جل لمواصلة تقليل هذا الاحتمال.
كما يركز هذا البروتوكول على التنو التجويف من خلال الجمع بين جسيمات نانوية، اضاءات الليزر والتعرض هيفو، وخطوة حاسمة في صنع أشباح جل ديغا لهم تحت الفراغ لمدة 30 دقيقة. بمجرد عرضه هيفو (لا سيما التعرض للأسلحة الكيميائية)، حتى لو لم يكن هذا آفة حرارية، من المهم أن استهداف موقع جديد في أشباح جل لتجنب الأنوية الموجودة مسبقاً. عندما تتحرك الوهمية باستخدام الكمبيوتر الخاضعة لنظام الترجمة من المهم لضمان أن يبقى عمق هيفو التركيز (وهكذا محاذاة المنطقة) متسقة. هذا يضمن أن مستويات فلوينس الضغط والليزر هيفو موحدة لكل معلمة التعرض المحددة. لهذا البروتوكول، وبعد وضع الأولية لصاحب الوهمية، ثم فقط ترجمة في المحور العمودي.
المواد الهلامية محاكاة الأنسجة حساسة للحرارة تستخدم على نطاق واسع ب المجتمع هيفو البحث25، كما أنها توفر إليه بصرية لرصد تشكيل الآفة الحرارية. هذه الدراسة هي أول مثال للجمع بينها وبين جسيمات نانوية ومما يدل على تعزيز تقدم إلى تشكيل الآفة عن طريق النشاط التجويف التي تسيطر عليها. ومع ذلك، رغم أنها تصنف كمحاكاة الأنسجة على استجابتهم لدرجة الحرارة، سواء توهين الصوتية والبصرية ليست. وبسبب الحاجة إلى تصور تشكيل الآفة في المواد الهلامية، هي قرب الأشباح شفافة، بصبغة أصفر طفيف. كما يتم ضبط فلوينس الليزر للحساب لهذا، فإنه يعني أن ضوء الليزر ينير المنطقة المستهدفة من وتحديدالمنطقه بدلاً من انتشارية كما سيكون لانسجة طبيعية. ومن ثم السماح للترجمة السريرية الإضاءة متعددة المصادر سوف تكون ضرورية لضمان كافية فلوينس على السطح. حاليا هذا العمل تلتزم بالمبادئ التوجيهية22 للاستخدام المأمون لأشعة الليزر عندما تتعرض للجلد. وهذا سيحد من فلوينس الليزر كحد أقصى يمكن تحقيقها في العمق؛ وهكذا، تكون مناسبة هذا الأسلوب في البداية لعلاج السرطان سطحية مثل سرطان الثدي، أو الرأس والرقبة. وعلاوة على ذلك، يمكن أن توفر plasmonic جسيمات نانوية تستهدف المستقبلات السطحية لهذه الأنواع من السرطانات زيادة الانتقائية في العلاج. ومع ذلك، على الرغم من أن هذه منطقة نشطة للغاية من البحث، لا جزيئات هذه معتمدة حاليا للاستخدام السريري.
توهين الصوتية من الأشباح مع جسيمات نانوية كان قياسها أن تكون 0.7±0.2 dB/cm6، مقارنة مع القيمة للأنسجة الرخوة من 3-4 dB/سم وأقل بكثير. وهكذا، سيكون أقل من أن تراعي في الأنسجة اللينة التدفئة من التعرض هيفو في هذه المواد الهلامية. وقد ثبت أن إضافة الخرز الزجاج للجل يزيد من مستويات التوهين مشابهة للأنسجة اللينة25. ومع ذلك، في هذا التطبيق، وهذا النهج لا يمكن كما يتصرف مصادر نويات للنشاط التجويف حتى في حالة عدم وجود جسيمات نانوية هذه الخرز، وأن وبالتالي تحريف عتبة التجويف. عند مقارنة كفاءة التدفئة لنتائج الدراسة التي تشوي et al. (2013) 25، آفات الحرارية تم إنشاؤها في ذروة الضغط يتراوح من 14-23 الآلام والكروب الذهنية (ولم يذكر إذا كان هذا الضغط الذروة الإيجابية أو السلبية). كما أنجز هذا في 1.1 ميغا هرتز، التوهين في phantoms كان أقل من المستخدمة في هذه الدراسة. ومع ذلك، النهج نانوحبيبات المنبسطة في هذه الدراسة كانت قادرة على توليد آفات الحرارية في هذه الخيالات في ضغوط تتراوح 1.19 3.19 الآلام والكروب الذهنية، مما يدل زيادة كفاءة على المنهجيات الحالية.
اختبار مستقبلا لهذه المنهجية ينبغي أن يتم في نموذج في فيفو لإدراج الحد من الورم، نضح الأنسجة، الجزيئية استهداف جسيمات نانوية ومعلمات التوهين الصوتية ذات الصلة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان يدعمها EPSRC منح الجيش الشعبي/J021156/1. يود صاحب البلاغ الاعتراف بدعم من أوائل زمالة Leverhulme الوظيفي (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 |
References
- Ter Haar, G. Ultrasound focal beam surgery. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (9), 1089-1100 (1995).
- Kennedy, J. E. High-intensity focused ultrasound in the treatment of solid tumours. Nature Reviews Cancer. 5 (4), 321-327 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Neppiras, E. A. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).
- 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).
- Leighton, T. . The Acoustic Bubble. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 338 (6075), 1458-1462 (2012).
- 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).
- Li, W., Chen, X. Gold nanoparticles for photoacoustic imaging. Nanomedicine. 10 (2), 299-320 (2015).
- 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).
- . ANSI. Z136. 1. American national standard for the safe use of lasers. , (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
