JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
italiano

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Nucleazione controllabile di cavitazione da nanoparticelle plasmoniche d'oro per l'aumento ad alta intensità focalizzato applicazioni ad ultrasuoni

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

Questo protocollo dimostra la nucleazione controllabile della cavitazione in gel di fantasmi, attraverso l’esposizione simultanea sia vicino infrarosso luce pulsata laser e ultrasuoni ad alta intensità focalizzati (HIFU). L’attività di cavitazione può essere utilizzata quindi per valorizzare usi imaging e/o terapeutici HIFU.

Abstract

In questo studio, nanoparticelle plasmoniche di oro sono stati esposti contemporaneamente a laser pulsato infrarosso leggero e ad alta intensità focalizzati ultrasuoni (HIFU) per la nucleazione controllabile di cavitazione in tessuto che imita gel fantasmi. Questo protocollo in vitro è stato sviluppato per dimostrare la fattibilità di questo approccio, per entrambi aumento delle applicazioni di imaging e terapeutiche per il cancro. Lo stesso apparecchio può essere utilizzato per applicazioni terapeutiche sia imaging variando la durata di esposizione del sistema HIFU. Per esposizioni di breve durata (10 µs), le emissioni acustiche a banda larga sono state generate attraverso la nucleazione controllata di cavitazione inerziale intorno le nanoparticelle d’oro. Queste emissioni forniscono la localizzazione diretta delle nanoparticelle. Per future applicazioni, queste particelle possono essere funzionalizzate con anticorpi targeting molecolare (es. anti-HER2 per cancro al seno) e possono fornire la localizzazione precisa delle regioni cancerogene, completando la formazione immagine di ultrasuono diagnostico sistematico. Per le esposizioni dell’onda continua (CW) per l’attività di cavitazione è stata utilizzata per aumentare il riscaldamento localizzato dalle esposizioni HIFU con conseguente più grande danno termico nei fantasmi di gel. Emissioni acustiche generate da attività di cavitazione inerziale durante tali esposizioni CW è stata monitorata utilizzando un sistema di rilevazione (PCD) cavitazione passiva per fornire un feedback dell’attività di cavitazione. Riscaldamento localizzato aumentato è stato realizzato soltanto attraverso una combinazione unica di nanoparticelle, luce laser e HIFU. Ulteriore convalida di questa tecnica in modelli preclinici di cancro è necessario.

Introduction

Ad alta intensità (HIFU), ultrasuono messo a fuoco o focalizzata chirurgia a ultrasuoni (FUS), è una tecnica non invasiva e non-ionizzanti che viene utilizzata per l’ablazione termica del tessuto sottocutaneo1. L’uso principale di HIFU è nel trattamento di tessuti molli tumori2, ma si sta cominciando a essere utilizzato per altre applicazioni, quali il trattamento di tumori dell’osso3 o condizioni neurologiche4. Ci sono due fattori principali che limitano l’uso diffuso di HIFU nella clinica: in primo luogo, le difficoltà nelle linee guida di trattamento e in secondo luogo, lungo trattamento volte5. La combinazione di HIFU, illuminazione laser pulsato e plasmoniche nanorod oro descritto da questo metodo potrebbe fornire un modo per superare gli attuali limiti per HIFU6.

Durante le esposizioni HIFU, il meccanismo dominante di ablazione del tessuto è danni termici. Tuttavia, l’attività cavitazione può anche svolgere un ruolo8. Attività di cavitazione che si verifica durante le esposizioni HIFU può essere costituito da entrambi cavitazione meccanicamente e/o termicamente mediata. Cavitazione meccanicamente mediata è generalmente denominato cavitazione acustica7, che è ulteriormente subcategorized come bolle che subiscono o comportamento non inerziale o inerziale9 . Termicamente mediata cavitazione è la formazione di sacche di gas, attraverso ex-soluzione o vaporizzazione ed è comunemente indicato come ‘bollente’10. Attività di cavitazione, la maggior parte comunemente cavitazione inerziale, è stato indicato per migliorare la thermal tariffe realizzabile tramite HIFU esposizioni11 e così contribuire ad affrontare uno dei suoi principali limiti. Tuttavia, la formazione e l’attività della cavitazione durante le esposizioni HIFU può essere imprevedibile e portare ad effetti negativi come over-trattati regioni, o ablazione termica asimmetrica12. Al fine di controllare l’attività di cavitazione durante le esposizioni HIFU, l’introduzione dei nuclei esterni è stato studiato. Questi possono assumere la forma di microbolle13, sfasamento nanoemulsioni14 o nanoparticelle plasmoniche15. Microbolle sia nanoemulsioni sono stati indicati per migliorare il segnale-rumore per ablazioni thermal imaging e migliorate. Tuttavia, la loro natura transitoria significa che hanno limitato funzionalità sopra le esposizioni ripetute HIFU. Monitoraggio dell’attività di cavitazione durante le esposizioni HIFU è fatto utilizzando entrambi rilevazione cavitazione attiva o passiva (ACD o PCD, rispettivamente). PCD è una tecnica favorita per il rilevamento di cavitazione, come si può essere eseguita in concomitanza con le esposizioni HIFU e fornisce informazioni sul contenuto spettrale. Questo contenuto spettrale possa poi essere ulteriormente analizzato per identificare il tipo di attività di cavitazione che si verificano16. Emissioni acustiche a banda larga sono usate, poiché queste emissioni sono uniche per la presenza di cavitazione inerziale10 e sono legate alla maggiore HIFU riscaldamento11.

Fotoacustico imaging (PAI) è un’emergente tecnica17, che combina la selettività spettrale di eccitazione laser pulsato con l’alta risoluzione di18di imaging a ultrasuoni di imaging clinico. In precedenza è stato utilizzato per guidare HIFU esposizioni19, ma questa tecnica di imaging è limitata dalla profondità di penetrazione della luce laser. Nanoparticelle plasmoniche di oro possono essere utilizzate come ‘agenti di contrasto’ aumentando l’assorbimento locale della luce laser e, successivamente, l’ampiezza di fotoacustico emissioni20. Per fluences laser sufficientemente alto, è possibile causare la generazione di bolle microscopiche del vapore che può essere utilizzato per imaging altamente localizzato21. Tuttavia, questi livelli di esposizione in genere superano il limite di esposizione ammissibile massima per l’uso di luce laser in esseri umani22e così hanno un uso limitato. Il metodo impiegato in questo studio ha dimostrato in precedenza che esponendo simultaneamente le nanoparticelle plasmoniche per entrambi laser illuminazione e HIFU, la fluenza del laser e pressioni acustiche necessarie per nucleazione queste bolle di vapore piccolo è drasticamente ridotto, e il rapporto segnale-rumore per l’imaging è aumentato di23. Un metodo è descritto qui per combinare le nanoparticelle plasmoniche con esposizioni HIFU per una tecnica altamente controllabile per la nucleazione e l’attività di bolle di vapore e laser.

Protocol

1. tessuto che imita la fabbricazione fantasma Nota: Un’analisi approfondita delle proprietà acustiche del fantasma che imita il tessuto otticamente trasparente utilizzato per tutte le esposizioni in questo studio può essere trovata in Choi, et al. 24 Nota: Ogni stampo fantasma contiene circa 50 mL di soluzione, e per ogni lotto sono riempiti di un totale di cinque stampi. Così, un totale di 250 mL di soluzione di fantasma è preparato. Aggiungere mL 148,2 (60% v/v) di acqua deionizzata, filtrata e degassato a un bicchiere di vetro da 500 mL e lasciare stabilizzare a temperatura ambiente. Aggiungere 75 mL di 40% (peso/volume) soluzione di acrilammide/Bis-acrilammide (30% v/v) per il bicchiere di vetro, seguita da 25 mL di tampone TRIS di 1 M, pH 8 (10% v/v) e 2,15 mL di 10% ammonio persolfato (APS; 0,86% v/v). Porre il becher di vetro all’interno di una camera a vuoto che si trova su una zolla di agitatore magnetico e inserire una barra di agitazione magnetica 40 mm lungo politetrafluoroetilene (PTFE) dentro il bicchiere. Con un media di velocità di agitazione (vale a dire, garantire buona miscelazione senza formazione di vortice nell’acqua), aggiungere lentamente 22,5 g (9% w/v) di polvere di albumina di siero bovino (BSA). Una volta che tutti i BSA è stato aggiunto alla soluzione, chiudere la camera a vuoto e accendere la pompa del vuoto. Mantenere un vuoto di 80 mBar/H e continuare a mescolare per ulteriori 60 minuti, poi rilasciare il vuoto. A questo punto la soluzione deve essere limpida con una leggera tinta di gialla. La metodologia di cui sopra è lo stesso per fantasmi realizzati sia con che senza nanoparticelle. Se le nanoparticelle sono richieste, aggiungere 10 µ l (concentrazione di 1 x 108 np/mL) di nanorod che hanno una risonanza plasmonica di superficie (SPR) a 850 nm e un diametro di 40 nm. Infine, aggiungere 125 µ l di tetrametiletilendiammina (TEMED) per catalizzare la polimerizzazione del fantasma. Attendere un ulteriore 5 min per consentire per la miscelazione, poi versare la soluzione fantasma 5 stampi individuali e attendere 20 min per impostare. Una volta impostato, rimuoverli da parte dei titolari e conservare in un contenitore ermetico fino all’utilizzo. Utilizzare fantasmi entro 24 h dalla fabbricazione. 2. taratura di trasduttori HIFU campo libero pressione acustica Nota: Questa sezione del protocollo non è necessaria, prima di ogni esperimento lesioning/imaging. È una procedura di calibrazione deve essere eseguita a intervalli regolari per garantire l’uscita acustica del sistema è corretta. Riempire un serbatoio acrilico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L di acqua deionizzata e degassato. Montare il trasduttore HIFU su un post di posizione fissa ad una estremità del serbatoio, di fronte a. In parallelo a questo, montare un calibrato (eseguite dai laboratori nazionali di fisica) idrofono membrana su un palcoscenico di micrometro manuale tre assi al punto focale approssimativo del trasduttore HIFU (63 mm). Collegare il trasduttore HIFU (geometrico concentriamo 63 mm) per il circuito di adattamento di impedenza, quindi amplificatore di potenza (come mostrato nella Figura 1). Quindi collegare l’idrofono di membrana direttamente al sistema di acquisizione dati, assicurando che un segnale trigger è fornito dal generatore di funzione collegato all’amplificatore di potenza (Figura 1). Impostare la tensione di uscita del generatore di funzione a 30 mV, con un ciclo di 10 MHz 3,3 sinusoide ad una frequenza di ripetizione di impulso di 100 Hz. Utilizzando il software di misurazione (vedere Tabella materiali) per visualizzare il segnale acustico rilevato e la fase di micrometro, posizionare l’impulso acustico rilevato presso il corretto tempo di volo (42,5 µm). Utilizzando solo una sola direzione radiale alla volta sul palco del micrometro, massimizzare il segnale acustico rilevato. Una volta sicuro che questo è stato raggiunto, chiudere il software e lasciare l’idrofono di membrana nella sua posizione attuale. Variare la tensione di uscita del generatore di funzione da 20-400 mV in incrementi di 20 mV. A ogni tensione livello e usando il software di acquisizione di MatLab, record l’idrofono segnali. 100 impulsi ad ogni livello di acquisire e convertire da dati di tensione in pressione utilizzando i dati di calibrazione fornito. I dati medi e misurare sia i picco valori positivi e negativi per tutti i livelli di tensione di uscita. Questo dà i dati di calibrazione per la pressione negativa del picco di campo libero essere utilizzato per entrambi l’impulso e continua gli studi dell’onda. 3. configurazione apparato sperimentale per entrambi gli studi onda pulsata e continuo Riempire un serbatoio acrilico (280 x 141 x 132 mm) con 4,5 L di acqua deionizzata e degassato. Montare il trasduttore HIFU e il co-allineato idrofono a banda larga su un palcoscenico di micrometro manuale tre assi. Quindi, completamente immergere il trasduttore e l’idrofono nel serbatoio dell’acqua. Uno schema di questo è mostrato in Figura 1. Collegare il trasduttore HIFU ad un circuito di adattamento di impedenza, per consentirgli di essere guidato alla sua terza armonica (3,3 MHz). Questo circuito è collegato direttamente all’uscita di un amplificatore di potenza RF. Un generatore di funzioni digitale è collegato all’ingresso dell’amplificatore e programmabile da remoto. Prima di esposizioni in materiale fantasma, utilizzare un idrofono calibrato membrana differenziale per misurare il picco di pressione negativa generata da questo sistema per una data tensione di ingresso del generatore di funzione come descritto in 2. Utilizzare questi valori di tensione di riferimento per impostare il livello di pressione necessaria per il generatore di funzioni digitali. Collegare l’idrofono a banda larga (geometrico concentriamo 63 mm) che occupa l’apertura centrale del trasduttore HIFU direttamente a un filtro passa-alto di 5 MHz. Quindi collegarla a una scheda di acquisizione dati a 14 bit (DAQ) tramite un preamplificatore di 40 dB. Accertarsi che il filtro passa-alto è collegato con la corretta polarizzazione.Nota: Questa scheda è stata installata in un PC desktop e viene utilizzata per controllare tutto l’hardware (esempi questo software può essere trovato come file supplementari) e salvare i dati per l’elaborazione off-line durante questo studio. Collegare un generatore di impulsi di transistor-transistor logic (TTL) ritardo digitale con cavi Bayonet Neill-Concelman (BNC) per entrambi i laser pulsato sistema funzione generatore e per garantire la sincronizzazione tra questi sistemi, che assicuri il 7 ns laser Pulse è coincidente della regione di destinazione durante il picco di rarefazione quarto dal trasduttore HIFU. Utilizzando il metodo descritto in 1, omettere la BSA e nanoparticelle per fare un allineamento fantasma, che sono materiale fantasma standard che contiene un bersaglio metallico sferico (un cuscinetto a sfere) di 1 mm. A tal fine versare 25 mL di materiale fantasma in uno stampo e aggiungere il catalizzatore TEMED 62,5 µ l, quindi attendere circa 20 min per impostare. Quindi posizionare il bersaglio metallico centralmente nel fantasma e aggiungere un ulteriore 25 mL di soluzione fantasma seguita dal catalizzatore TEMED 62,5 µ l e un ulteriore 20 min aspettare. Posizionare l’allineamento fantasma in 3D supporto stampato6, montare su un palcoscenico 3D automatizzato e posizionare circa in modo che il bersaglio metallico è al culmine del trasduttore HIFU focale. Utilizzando il trasduttore HIFU per inviare una breve durata ciclo 10 scoppiare (3 µs) e l’idrofono per ricevere (collegato direttamente alla scheda DAQ), la posizione rispetto alla destinazione di allineamento è ottimizzata grazie alla posizione di impulso-eco. Il tempo reale rilevato segnale verrà visualizzato sul computer. Regolare il tempo di volo e segnale di ampiezza utilizzando il palcoscenico di micrometro manuale che il trasduttore HIFU e idrofono viene montato su. Una volta che il tempo di volo è impostato su 85 µs (un solo round trip) e l’ampiezza del segnale è stata ingrandita in entrambe le direzioni radiali, questo sistema sarà allineato. Coppia l’energia ottica dall’oscillatore parametrico ottico (OPO) pompato con il laser pulsato di 532 nm nanosecondo nel fantasma utilizzando un fascio di fibre ottiche di 2 mm. Montare questa fibra su una seconda fase di micrometro e posizione ad un angolo di 45 ° rispetto all’asse acustico davanti il fantasma (Figura 1). La lunghezza d’onda della luce laser è impostata a 680 nm per essere visibile per l’allineamento. Una volta visibile, posizionare l’illuminazione laser con la tappa di micrometro tale che la destinazione di allineamento è centrale in un punto di laser di diametro 15 mm. Posizionare il microscopio digitale di x 20-90 (lavorando interasse 90 mm) e una sorgente di luce bianca sui lati opposti del serbatoio dell’acqua perpendicolare al piano di propagazione del trasduttore HIFU. Il microscopio è montato su un palco piccolo micrometro. Posizione tale che l’allineamento metallico mirato è centrale e messo a fuoco nel suo campo di vista (5 x 6 mm).Nota: Una volta completata la procedura di cui sopra, tutti gli elementi di questo sistema (trasduttore HIFU, idrofono, illuminazione laser e microscopio) ora sono co-allineati a una posizione specifica. L’allineamento fantasma ora possa essere sostituito con i fantasmi che imita il tessuto utilizzati per lo studio. Come il fantasma è montato in un supporto attaccato a un sistema di posizionamento 3-d, diverse regioni possono essere mirate, mantenendo l’allineamento. 4. rilevamento di soglia cavitazione da esposizioni pulsate HIFU Nota: La seguente procedura è la stessa per fantasmi con o senza nanoparticelle e deve essere ripetuta tre volte. Assicurarsi che il sistema PCD è collegato dopo la disconnessione per la procedura di allineamento delimitata in 3.8 e sintonizzare la lunghezza d’onda laser a SPR delle nanoparticelle. Utilizzando un programma di controllo personalizzato, impostare il generatore di funzioni per produrre un burst HIFU 10 ciclo (3 µs), che è sincronizzato con il sistema laser. Inoltre è possibile utilizzare questo programma per impostare una fluenza di laser di 0,4, 1.1, 2.1 o 3,4 mJ/cm2 anche se cambiando i tempi tra l’innesco di infornamento lampada flash e apertura il sistema laser Q-switch. Target il picco focale del sistema HIFU 10 mm in profondità il fantasma e alle 13 luoghi unici, distanziati di 5 mm, in direzione verticale. In ciascuna di queste posizioni è possibile eseguire un’esposizione ad una pressione negativa di HIFU di singolo picco, con i fluences quattro laser ha dichiarato in 4.2. Uso della gamma di picco negativo pressioni 0, 0.91, 1,19, 1.43, 1,69, 1.92, 2.13, 2,34, 2,53, 2,71, 2,83, 3.00 e 3.19 MPa per le seguenti condizioni di esposizione: laser su in una nanoparticella gratuito phantom, laser spento in un fantasma di nanoparticelle e laser su in una nanoparticella fantasma. Per simulare un laser ‘sham’ esposizione, eseguita il sistema come descritto, ma chiusura l’otturatore manuale sull’uscita dell’OPO. Questo approccio garantisce che qualsiasi rumore RF generato sarà ancora presente al sistema PCD. Tutte le impostazioni e posizioni di esposizione nel programma di controllo del programma, quindi eseguire per eseguire queste misurazioni. Dati del PCD sono digitalizzati e archiviato direttamente utilizzando la scheda di acquisizione dati per la post-elaborazione. Per ogni parametro di esposizione, 500 ripetere le esposizioni sono acquisite6. Elaborare le emissioni a banda larga, rilevate dal sistema PCD dalle esposizioni di breve durata HIFU nei fantasmi usando la tecnica dettagliata di McLaughlan et al. (2017) 6. 5. termica denaturazione da esposizioni HIFU onda continua Nota: La seguente procedura è la stessa per fantasmi con o senza nanoparticelle e sono stati ripetuti tre volte. Impostare il sistema laser per dare un fluence di 3,4 mJ/cm2 e il generatore di funzioni per dare un’esposizione CW (ogni scoppio di 330.000-ciclo è sincronizzato con un impulso laser). In 11 luoghi unici nel fantasma, selezionare un picco di pressione negativa di 0.20, 0.62, 0.91, 1,19, 1.43, 1,69, 1.92, 2.13, 2,34, 2,53 o 2.71 MPa. Utilizzare un tempo di esposizione totale di 17 s al fine di acquisire 1s della linea di base prima e dopo un’esposizione HIFU s CW 15 nel fantasma. Durante questo tempo di esposizione totale, il sistema di acquisizione dati sta registrando i dati PCD. Il microscopio è collegato al PC di controllo e le cornici immagine sono registrate durante questo tempo per fornire una visualizzazione diretta di formazione della lesione termica. Ripetere il processo in 4.3 per tutte le condizioni di esposizione differenti delineate in 4.4. Elaborare tutti i dati del PCD off-line per calcolare la dose di cavitazione inerziale25 per ogni esposizione.

Representative Results

Rilevamento di cavitazione da esposizioni HIFU pulsate Il sistema di rilevamento passivo cavitazione registrato i dati di tensione/tempo per le esposizioni di gamma di HIFU e laser in entrambi fantasmi con e senza nanoparticelle. La figura 2 Mostra i risultati rappresentativi per una gamma delle esposizioni. Le scale di tempo su queste trame vengono troncate per evidenziare le regioni dove ci si aspetterebbe emissioni acustiche a banda larga, a causa del tempo di volo di queste emissioni. Nella figura 2 viene illustrato che è solo quando c’è una combinazione di nanoparticelle, illuminazione laser e l’esposizione HIFU che vengono rilevate emissioni a banda larga. Tuttavia, questo è ancora un fenomeno della soglia, come presso la pressione acustica inferiore per Figura 2 h emissioni a banda larga non sono state rilevate. La durata di queste emissioni in genere corrispondono alla lunghezza dell’esposizione HIFU, che era circa 10 µs in questo studio. Denaturazione termica da un’esposizione di CW HIFU La figura 3 Mostra che una serie di fotogrammi acquisito da universal serial bus (USB) telecamera durante una singola esposizione HIFU con illuminazione laser, per i tipi di tre esposizioni diverse (con o senza illuminazione laser e/o nanoparticelle). Questa figura mostra un esempio di formazione di lesioni termiche nei fantasmi di gel per ognuna di queste condizioni. In questa visualizzazione il HIFU l’esposizione avviene da sinistra a destra. Per l’esempio illustrato nella Figura 3 il picco pressione negativa era 2,53 MPa, che era il bordo superiore di quello che è stato usato in questo studio. Dose di cavitazione inerziale di registrazione (ICD) da esposizioni di CW HIFU La figura 4 Mostra i risultati rappresentativi dal calcolo dell’ICD registrata durante le esposizioni CW HIFU. Questa data era post trasformati dalle emissioni registrate dal sistema PCD durante l’esposizione. Figure 4a, 4C e 4e mostrano che a un basso picco di pressione negativa, nessun emissioni a banda larga sono stati rilevati, dove Figure 4b, d e f mostrano che ICD è stato registrato in tutta l’esposizione. I segnali ICD più alti sono stati osservati durante l’esposizione in un gel contenente nanoparticelle con laser e HIFU esposizioni (Figura 4f). Figura 1. Una rappresentazione schematica dell’apparato sperimentale utilizzato in questo studio. Per maggiore chiarezza, il microscopio USB e la sorgente luminosa viene omesso, ma la regione vista è illustrata da una casella tratteggiata blu. CNC – controllo numerico di calcolatore, AuNR – oro nanorod. Figura adattata da McLaughlan et al. (2017) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2. Un esempio delle tracce di tensione registrato con il sistema di rilevamento passivo cavitazione durante brevi esposizioni HIFU, con/senza illuminazione laser simultanea. Quando utilizzato, la fluenza del laser era 2.1 mJ/cm2 , con un picco di pressione negativa di (c) 3.0, 2.13 (d-f) e (g-i) 1,43 MPa. LS – laser, NR – nanoparticelle. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3. Individuo cornici a volte 0, 5, 10 e 15 s durante un’esposizione HIFU registrata dal microscopio USB. La fluenza del laser era 3,4 mJ/cm2 e picco negativo pressione di 2,53 MPa. Sequenza (a) era con l’esposizione di laser e in un fantasma senza nanoparticelle, (b) è senza esposizione laser e un Phantom contenenti nanoparticelle e (c) ha sia illuminazione laser e un fantasma contenenti nanoparticelle. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4. Calcolato inerziale cavitazione dose (ICD) registrati durante le esposizioni (a, b, e e f) con e (c & d) senza illuminazione laser. Picco di pressione negativa era sia (a, c & e) 0.91 o (b, d & f) 2,53 MPa. Il fantasma utilizzato (a & b) non contiene alcun nanoparticelle. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Questo protocollo è diviso in quattro sezioni separate, che descrive la fabbricazione del fantasma che imita il tessuto attraverso alle esposizioni CW in loro di produrre denaturazione termica generata. Questa denaturazione dei fantasmi simula necrosi di coagulazione termicamente generato sperimentata dal tessuto molle esposto a HIFU1. Nella loro fabbricazione, è importante assicurare che il rapporto di APS e TEMED è tale che il processo non catalizzare troppo in fretta. Come questo processo è esotermico, il più veloce questo tasso, maggiore la temperatura ha raggiunto25 e così potrebbe denaturare le proteine BSA prima dell’esposizione. Il rapporto di APS di TEMED in questo protocollo è stato impostato tale che questo non dovrebbe verificarsi, tuttavia le muffe potrebbero essere collocate in acqua di ghiaccio durante la polimerizzazione del gel per ridurre ulteriormente questa possibilità.

Come questo protocollo si concentra sulla nucleazione di cavitazione attraverso la combinazione di nanoparticelle, laser luminarie e l’esposizione HIFU, un passo fondamentale nella fabbricazione dei fantasmi gel è quello li degassare sotto vuoto per un minimo di 30 min. Una volta esposti a HIFU (particolarmente le esposizioni CW), anche se non era presente una lesione termica, è importante indirizzare una posizione fresca nei fantasmi di gel per evitare i nuclei preesistenti. Quando il fantasma utilizzando il computer in movimento controllato sistema di traduzione è importante garantire che la profondità del HIFU messa a fuoco (e così allineati regione) è mantenuta costante. Questo assicura che i livelli di fluenza HIFU pressione e laser sono uniformi per ogni parametro di esposizione specifica. Per questo protocollo e dopo il posizionamento iniziale del proprietario del fantasma, quindi viene convertita solo sull’asse verticale.

I gel che imita il tessuto sensibile alla temperatura sono ampiamente utilizzati dai HIFU ricerca comunità25, poichè forniscono un meccanismo visual per monitorare la formazione di una lesione termica. Questo studio è stato il primo esempio di combinandole con nanoparticelle e dimostrando il miglioramento fornito alla formazione della lesione attraverso attività di cavitazione controllata. Tuttavia, anche se sono classificati come d’imitazione del tessuto per la loro risposta alla temperatura, sia loro attenuazione ottica e acustica non è. Dovuto la necessità di visualizzare la formazione di lesione nel gel, i fantasmi sono quasi trasparenti, con una leggera tinta di gialla. Come la fluenza del laser è regolata per conto per questo, significa che la luce di laser illuminando la regione di destinazione è collimata anziché diffusivo come sarebbe per tessuto normale. Così per permettere la traduzione clinica più illuminazione fonti sarebbero necessari per garantire abbastanza fluenza sulla superficie. Attualmente questo lavoro aderisce a22 linee guida per l’uso sicuro dei laser quando esposti alla pelle. Questo limiterebbe la fluenza massima laser realizzabile in profondità; così, questa tecnica inizialmente sarebbe adatto per il trattamento di tumori superficiali come il seno, o testa e del collo. Inoltre, le nanoparticelle plasmoniche mirate ai recettori di superficie per questi tipi di cancri potrebbero fornire maggiore selettività nei trattamenti. Tuttavia, anche se si tratta di un’area di ricerca altamente attiva, nessun tali particelle sono attualmente approvate per uso clinico.

L’attenuazione acustica dei fantasmi con nanoparticelle è stato misurato per essere 0.7±0.2 dB/cm6e, confrontato con il valore per i tessuti molli di 3-4 dB/cm, è significativamente più basso. Così, il riscaldamento da esposizioni HIFU in questi gel sarebbe inferiore rispetto a quanto sarebbe essere osservato nei tessuti molli. È stato dimostrato che aggiunta di perline di vetro al gel aumenta i livelli di attenuazione simili a tessuti molli25. Tuttavia, in questa applicazione, questo approccio non è possibile, come queste perle farebbe un fonti di nucleazione per attività di cavitazione anche in assenza delle nanoparticelle di agire e quindi falsano la soglia di cavitazione. Quando si confrontano l’efficienza di riscaldamento per i risultati dallo studio di Choi et al. (2013) 25, lesione termica sono stati generati a intervalli di pressione di picco di 14-23 MPa (non specificato se questo è stato il picco di pressione positiva o negativa). Come questo è stato effettuato a 1,1 MHz, l’attenuazione nei fantasmi era inferiore usati in questo studio. Tuttavia, l’approccio nucleati di nanoparticelle in questo studio è stato in grado di generare lesioni termiche in questi fantasmi a pressioni comprese tra 1.19 a 3.19 MPa, dimostrando in tal modo una maggiore efficienza negli attuali metodologie.

Test futuri per questa metodologia dovrebbe essere intrapresa in un modello in vivo di incorporare la riduzione del tumore, perfusione tissutale, molecolare mirata delle nanoparticelle e parametri pertinenti attenuazione acustica.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dal EPSRC concedere EP/J021156/1. L’autore desidera ringraziare supporto da un Leverhulme fellowship di inizio carriera (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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image