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

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

Контролируемый нуклеации кавитации от плазмонных наночастиц золота для укрепления высокой интенсивности сосредоточены УЗИ приложений

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

Этот протокол демонстрирует контролируемый нуклеации кавитации в гель фантомы, путем одновременного воздействия ближнего инфракрасного импульсного лазерного излучения и высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU). Активность кавитации может затем использоваться для повышения изображений и/или терапевтического использования HIFU.

Abstract

В этом исследовании одновременно подвергаются плазмонных наночастиц золота ближнего инфракрасного импульсного лазерного света и высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU) для контролируемый нуклеации кавитации в ткани подражая гель фантомы. Этот протокол в vitro был разработан для наглядной демонстрации целесообразности этого подхода, для обеих повышение визуализации и терапевтические приложений для рака. Же аппарат может использоваться для визуализации и терапевтические приложений различной продолжительности воздействия HIFU системы. Для короткой продолжительности облучения (10 мкс) Широкополосные акустические эмиссии были получены через контролируемые нуклеации инерционного кавитации вокруг наночастиц золота. Эти выбросы обеспечивают прямую локализации наночастиц. Для будущих применений эти частицы могут быть функционализированных с молекулярной ориентации антител (например, анти HER2 для рака молочной железы) и может обеспечить точной локализации раковой регионах, дополняя рутинной диагностики УЗИ. Для непрерывная волна (CW) облучения активность кавитации была использована для увеличения локализованных Отопление от воздействия HIFU, больших тепловых ущерб в гель фантомы. Акустических выбросов, образующихся от деятельности инерционного кавитации во время этих воздействий CW контролируется с помощью системы обнаружения (PCD) пассивной кавитации для предоставления обратной связи активности кавитации. Увеличение локализованных Отопление было достигнуто только через уникальная комбинация наночастиц, лазерный свет и HIFU. Дальнейшие проверки этой техники в доклинических моделях рака является необходимым.

Introduction

Высокая интенсивность сосредоточены УЗИ (HIFU), или сосредоточены ультразвуковой хирургии (FUS), неионизирующего и неинвазивный метод, который используется для тепловой абляции подкожной клетчатки1. HIFU в основном используется в лечении опухолей мягких тканей2, но он начинает использоваться для других приложений, таких как лечение опухоли кости3 или4неврологические заболевания. Существует два основных фактора, которые ограничивают широкое использование HIFU в клинике: во-первых, трудности в лечении руководство и во-вторых, длительного лечения раз5. Сочетание HIFU, импульсной лазерной подсветки и плазмонных Золотой наностержни, описанной этим методом может предоставить способ для преодоления текущих ограничений для HIFU6.

Во время облучения HIFU доминирующей механизм абляции ткани является термического повреждения. Однако активность кавитации может также играть роль8. Активность кавитации, что происходит во время воздействия HIFU может состоять из обоих механически или термически опосредованной кавитации. Механически опосредованной кавитации обычно именуется как акустическая кавитация7, который далее законсервированные как пузырьки проходят либо не Инерциальная или инерционные9 поведение. Термически опосредованной кавитации от формирования газ карманы, через экс решение или испарения и обычно именуется как «кипящий»10. Активность кавитации, наиболее часто инерционного кавитации, было показано повышение теплового нагрева достижимых через HIFU воздействия11 и таким образом помочь решить одну из ее ключевых ограничений. Однако формирования и деятельности кавитация во время HIFU воздействия может быть непредсказуемым и привести к негативные последствия, такие как чрезмерно лечить регионов или асимметричные тепловой абляции12. Для того чтобы контролировать активность кавитации во время воздействия HIFU, исследовано введение внешнего ядра. Они могут принимать форму микропузырьков13, фазовая nanoemulsions14 или15плазмонных наночастиц. Микропузырьков и nanoemulsions было показано, улучшить сигнал шум для изображений и улучшенные тепловые ампутации. Однако их временный характер означает, что они имеют ограниченную функциональность за неоднократные HIFU воздействия. Мониторинг активности кавитации во время воздействия HIFU производится с использованием либо обнаружения активного или пассивного кавитации (ACD или PCD, соответственно). PCD — это благоприятствования метод кавитации обнаружения, как она может быть выполнена одновременно с HIFU воздействия и обеспечивает спектральной информации контента. Это спектральное содержание могут быть далее проанализированы чтобы помочь определить тип активности кавитации происходит16. Широкополосные акустические эмиссии используются, так как эти выбросы являются уникальными для присутствия инерционного кавитации10 и связаны с расширенной HIFU, Отопление11.

Фотоакустическая изображений (PAI) является новых клинических изображений техника17, который сочетает в себе Спектральная избирательность импульсного лазерного возбуждения с высоким разрешением ультразвуковой визуализации18. Он ранее был использован для руководства HIFU воздействия19, но эта Тепловизионная техника ограничивается глубиной проникновения лазерного света. Плазмонных наночастиц золота может использоваться для действовать как «контраст» увеличение местных поглощения лазерного света и впоследствии амплитуда Фотоакустическая выбросов20. Для достаточно высокой лазерной доз можно привести поколения микроскопических пара пузырьки, которые могут быть использованы для высоко локализованных изображений21. Однако эти уровни воздействия обычно превышает предел максимального допустимого воздействия для использования лазерного света в людях22и таким образом ограниченное использование. Метод, занятых в этом исследовании ранее показал, что одновременно подвергая плазмонных наночастиц для обоих лазера освещение и HIFU, лазерный Флюенс и акустического давления, необходимо nucleate эти пузырьки пара небольших резко снижается, и отношение сигнал шум для изображений является увеличение23. Метод описан здесь для объединения плазмонных наночастиц с лазером и HIFU воздействия для очень контролируемый техника для зарождения и деятельности пузырьков пара.

Protocol

1. ткань, подражая Фантом производство Примечание: Углубленный анализ акустических свойств оптически прозрачные ткани подражая Фантом, используется для всех экспозиций в этом исследовании можно найти в Чой, и др. 24 Примечание: Каждый Фантом плесень содержит около 50 мл раствора, и для каждого пакета в общей сложности пять формы заполнены. Таким образом в общей сложности 250 мл раствора Фантом готовится. Добавьте 148,2 мл (60% v/v) дейонизированной, отфильтрованные и дегазации воды 500 мл стеклянный стакан и оставить сбалансировать до комнатной температуры. Добавьте 75 мл 40% (вес/объем) акриламида/Bis акриламида раствор (30% v/v) в стеклянный стакан, после чего 25 мл 1 М трис-буфер, рН 8 (10% v/v) и 2.15 мл 10% Персульфат аммония (APS; 0,86% v/v). Поместите стакан стекло внутри вакуумной камеры, которая находится на табличке, Магнитная мешалка и место 40 мм длиной политетрафторэтилена (ПТФЭ) магнитные перемешивания бар внутри стакан. С средняя скорость перемешивания (т.е. обеспечить хорошее смешивание без формирования вихря в воде), медленно добавить 22,5 г (9% w/v) бычьим сывороточным альбумином (БСА) порошка. После того, как все BSA был добавлен к решению, закройте вакуумной камеры и включите вакуумный насос. Поддерживать вакуум 80 мбар/ч и продолжают перемешивание еще 60 мин, после которого выпуска вакуума. На этом этапе решение должно быть ясно с небольшой желтый оттенок. Выше методология является одинаковым для фантомы, сделал с и без наночастиц. Если требуются наночастиц, добавить 10 мкл (концентрация составляет 1 x 108 np/мл) наностержни, что у поверхностного плазмон резонанс (СРП) на 850 нм и диаметром 40 Нм. Наконец 125 мкл tetramethylethylenediamine (TEMED) чтобы катализировать полимеризации фантом. Подождите еще 5 мин для смешивания, затем Залейте раствор Фантом в 5 индивидуальных форм и ждать 20 минут, чтобы установить. После установки, удалить их из владельцев и хранить в герметичном контейнере до использования. Используйте фантомы в течение 24 часов производства. 2. Калибровка HIFU преобразователи свободного поля акустического давления Примечание: Этот раздел протокола нет необходимости перед каждый эксперимент lesioning/изображений. Это процедура калибровки проводить на регулярной основе для обеспечения вывода акустической системы является правильным. Заполните акриловый бак (280 x 141 x 132 мм) 4,5 Л деионизированной и дегазации воды. Смонтируйте датчик HIFU на фиксированной позиции пост на одном конце бака, с которыми сталкиваются в. Параллельно с этой, гора калиброванные (исполняют Национальной физической лаборатории) мембраны гидрофонов на этап 3 оси ручной микрометр на приблизительное координационным центром HIFU преобразователя (63 мм). Подключение датчика HIFU (геометрические сосредоточены 63 мм) для соответствия импеданса цепи, то усилитель мощности (как показано на рис. 1). Затем подключите мембраны гидрофонов непосредственно к системе сбора данных, обеспечение предоставления запускающий сигнал от функции генератора подключены к усилителю мощности (Рисунок 1). Установите выходного напряжения генератора функция 30 МВ, синусоиды 10 цикла 3,3 МГц с частотой повторения импульсов 100 Гц. С помощью программного обеспечения измерения (см. Таблицу материалы), чтобы визуализировать обнаруженных акустического сигнала и стадии микрометра, позиции обнаруженных акустических импульсов в правильное время полета (42,5 мкм). С помощью только одного радиальное направление в то время на сцене микрометра, максимального обнаруженного акустического сигнала. После того, как уверен, что это было достигнуто, закройте программное обеспечение и оставить мембраны гидрофонов в его текущей позиции. Изменять выходное напряжение генератора функция от 20-400 мВ 20 МВ с шагом. На каждом напряжения уровня и с помощью приобретения программного обеспечения MatLab, запись гидрофонов сигналов. Приобрести 100 импульсов в каждом уровне и конвертировать из напряжения данных с использованием данных, предоставленных калибровки давления. Средняя данных и измерения как пик положительные и отрицательные значения для всех уровней выходного напряжения. Это дает данные калибровки для свободного поля пик отрицательное давление использоваться для обоих пульс и продолжается волна исследований. 3. Настройка экспериментальный аппарат для обоих исследований импульсной и непрерывной волны Заполните акриловый бак (280 x 141 x 132 мм) 4,5 Л деионизированной и дегазации воды. Прикрепите HIFU датчика и совместно согласованы широкополосного гидрофонов на этап 3 оси ручной микрометра. Затем полностью погружайте датчик и гидрофонов в резервуар для воды. Схема этого показан на рисунке 1. Подключение датчика HIFU к импеданс соответствия цепи, с тем чтобы опираться в своей третьей гармонике (3,3 МГц). Эта схема подключен непосредственно к выходу усилителя мощности RF. Цифровые функции генератора подключен к входу усилителя мощности и запрограммированы удаленно. До облучения в Фантом материал используйте калиброванный дифференциальные мембранные гидрофонов для измерения пик отрицательное давление генерируется из этой системы для данного входного напряжения на генераторе функции, как описано в 2. Используйте эти значения напряжения ссылку задать уровень требуемого давления на цифровые функции генератора. Подключите широкополосный гидрофонов (геометрические сосредоточены 63 мм), размещается в центральное отверстие HIFU датчика непосредственно на фильтр высоких частот 5 МГц. Затем подключите его к карточку приобретение 14-бит данных (DAQ) через 40 dB предусилитель. Убедитесь, что фильтр высоких частот связано с правильным уклоном.Примечание: Эта карта была установлена в настольных ПК и используется для управления все аппаратные средства (примеры этого программного обеспечения можно найти как дополнительные файлы) и сохранить данные для автономной обработки во время исследования. Подключите Транзисторно транзисторная логика (ТТЛ) цифровой задержки импульсов с байонетным Нейл-Concelman (BNC) Кабели как пульсирующий лазер системы и функции генератора для обеспечения синхронизации между этими системами, что обеспечит которые 7 ns лазер Пульс совпадающих в целевом регионе в четвертом разрежения пик от HIFU датчика. С помощью метода, описанного в 1, опустите BSA и наночастиц сделать выравнивание Фантом, который является стандартным Фантом материал, который содержит 1 мм сферические металлический целевой (шарикоподшипник). Для достижения этой цели, смешать 25 мл Фантом материала в форму и добавить 62,5 мкл TEMED катализатор, а затем подождите около 20 минут, чтобы установить. Затем поместите металлический целевой централизованно в Фантом и добавить еще 25 мл раствора Фантом, следуют 62,5 мкл TEMED катализатора и еще 20 мин ждать. Установите выравнивание Фантом в 3-D Печатный держатель6, смонтировать на автоматизированных трехмерной сцене и приблизительно положение так, чтобы металлические целевой фокуса пика HIFU датчика. Используя HIFU датчика для отправки на короткий срок 10 цикла выброса (3 µs) и гидрофонов для получения (подключен непосредственно к плате DAQ), позиция по отношению к целевой выравнивание оптимизирована через импульс эхо местоположение. В реальном времени обнаружен сигнал будет отображаться на компьютере. Отрегулируйте время полета и сигнала амплитудой, используя стадии ручной микрометр который HIFU датчика и гидрофонов монтируется на. После того, как время полета равным 85 МКС (одно обратно) и амплитуда сигнала было развернуто в обоих радиальных направлениях, эта система будет выравниваться. Пара оптическая энергия от оптический параметрический генератор (OPO) закачивается лазером 532 нм наносекундных импульсных phantom с помощью волоконно расслоение 2 мм. Прикрепите это волокно на второй стадии микрометра и положение под углом 45о от акустической оси передней Фантом (рис. 1). Длина волны лазерного света равен 680 нм, чтобы быть видимыми для выравнивания. После того, как видно, положение лазерной подсветки с этапа микрометра, таким образом, что выравнивание целью является центральной в пятно лазера диаметром 15 мм. Позиция x цифровой микроскоп 20-90 (работает расстояние 90 мм) и источника белого света на противоположных сторонах перпендикулярно плоскости распространения HIFU датчика резервуара для воды. Микроскоп монтируется на сцене малого микрометра. Расположите его таким образом, что металлические выравнивание целевых Центральной и в центре внимания в ее поле зрения (5 x 6 мм).Примечание: После завершения выше процедуры, все элементы этой системы (HIFU датчика, гидрофонов, лазерной подсветки и Микроскоп) теперь совместно выравниваются в определенном местоположении. Выравнивание Фантом теперь могут быть заменены фантомы подражая ткани, используется для изучения. Как призрак установлен в держатель, придает 3-D позиционирования системы, различные регионы могут быть направлены, сохраняя выравнивание. 4. Кавитация порог обнаружения от воздействия импульсного HIFU Примечание: Следующая процедура одинакова для фантомы с или без наночастиц и следует повторить три раза. Убедитесь, что система PCD подключен после отключения для выравнивания процедуры изложены в 3,8 и настраивать длина волны лазера для ОПИ наночастиц. С помощью программы пользовательского элемента управления, установите функциональный генератор для производства 10 цикла (3 µs) HIFU взрыв, который синхронизируется с лазерной системой. Также используйте эту программу установить лазерный Флюенс 0,4, 1.1, 2.1, или 3,4 МДж/см2 , хотя изменение сроков между срабатывание вспышки лампы стрельбы и Q-выключатель открытия в лазерной системы. Целевой фокуса пик HIFU системы 10 мм, глубоко в призрак и на 13 уникальных мест, расположенных на 5 мм в вертикальном направлении. В каждом из этих мест выполняют выдержку при отрицательном давлении HIFU один пик, с четырех лазерных доз, заявил в 4.2. Использование диапазона пиковых отрицательных давлений 0, 0.91, 1.19, 1,43, 1.69, 1,92, 2.13, 2.34, 2,53, 2.71, 2,83, 3.00 и 3,19 МПа для следующих условий воздействия: Лазерные на наночастиц бесплатно призрак, лазер откл в наночастиц Фантом и лазер на в наночастиц призрак. Для имитации «Шам» лазер экспозиции, запуска системы как описано, но закрыты вручную затвор на выходе OPO. Этот подход обеспечит, что РФ шума все еще будет присутствовать в системе PCD. Все параметры и воздействия позиций в программу управления программы, а затем выполнить для выполнения этих измерений. PCD данных это оцифровываются и хранятся непосредственно с использованием сбор данных карты для пост-обработки. Для каждого параметра, экспозиции 500 Повторные воздействия являются приобретенные6. Процесс широкополосного выбросов, обнаруженного системой PCD от короткой продолжительности воздействия HIFU в призраки, используя технику, подробно McLaughlan et al. (2017) 6. 5. тепловой денатурации от воздействия непрерывного волны HIFU Примечание: Следующая процедура одинакова для фантомы с или без наночастиц и были повторяется три раза. Установка лазерной системы дать Флюенс 3.4 МДж/см2 и функции генератора для получения CW экспозиции (каждый всплеск 330000 цикла синхронизирован лазерного импульса). В 11 уникальных мест в призрак выберите пик отрицательное давление 0.20, 0.62, 0.91, 1.19, 1,43, 1.69, 1,92, 2.13, 2.34, 2,53 или 2,71 МПа. Использовать общее воздействие время 17 s для того, чтобы приобрести 1s базовой линии до и после 15 s CW HIFU воздействия в фантом. В это время общее воздействие система сбора данных является запись данных PCD. Микроскоп подключен к элементу управления ПК и рамки изображения записываются в это время для предоставления прямой визуализации, формирования теплового поражения. Повторите этот процесс в 4.3 для всех условий различные воздействия, изложенных в 4.4. Обработать все данные PCD off-line для вычисления инерционного кавитации дозы25 для каждой позиции.

Representative Results

Кавитация обнаружения от импульсных воздействий HIFU Системы обнаружения пассивной кавитации записанных данных время напряжения для диапазона HIFU и лазерного облучения в обоих фантомы с и без наночастиц. Рисунок 2 показывает представитель результаты для ряда экспозиций. Шкалы времени на этих участках усекаются до выделения в регионах, где Широкополосные акустические эмиссии было бы ожидать, из-за время полета этих выбросов. Рисунок 2 показывает, что это только тогда, когда есть сочетание наночастиц, HIFU экспозиции и лазерной подсветки обнаружения широкополосного выбросов. Однако это явление по-прежнему порог, как на нижней акустическое давление для Рисунок 2 h широкополосного выбросы не были обнаружены. Продолжительность этих выбросов обычно соответствуют длине HIFU воздействия, который был около 10 МКС в этом исследовании. Тепловой денатурации от воздействия CW HIFU Рисунок 3 показывает, что последовательность кадров приобрел от универсальной последовательной шины (USB) камеры во время одного HIFU экспозиции с лазерной подсветки, для трех различных воздействий типов (с/без лазерной подсветки или наночастиц). Эта цифра показывает пример формирования тепловых поражений в гель фантомы для каждого из этих условий. В этом представлении HIFU воздействие происходит слева направо. Для примера, показанного на рисунке 3 пик отрицательное давление было 2,53 МПа, в верхней части того, что был использован в этом исследовании. Запись инерционного кавитации доза (ICD) от воздействия CW HIFU Рисунок 4 показывает представитель результаты из расчета МКБ, записанный во время CW HIFU воздействия. Эти данные были пост обработаны от выбросов, Записанная системой PCD во время экспозиции. Цифры 4a, 4 c и 4e показывают, что при отрицательном давлении ниже пика, были обнаружены нет широкополосного выбросов, где цифры 4b, d и f показывают, что МКБ был записан в течение экспозиции. Высокий МКБ сигналы были замечены во время экспозиции в виде геля, содержащего наночастицы с HIFU и лазерного облучения (Рисунок 4f). Рисунок 1. Схематическое представление экспериментальной аппаратуры, используемые в данном исследовании. Для ясности Микроскоп USB и источника света опущены, но мнение региона иллюстрируется синей пунктирной коробки. CNC – ЧПУ, AuNR – золото наностержни. Рисунок, взято из McLaughlan и др. (2017) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2. Пример трассировки, напряжения записаны с системой пассивного кавитации обнаружения во время коротких экспозиций HIFU, с/без одновременного лазерной подсветки. При использовании лазера Флюенс был 2.1 МДж/см2 с отрицательным давлением пик (a-c) 3.0, 2.13 (d-f) и (g-i) 1.43 МПа. LS – лазер, NR – наночастиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3. Индивидуальные кадры порой 0, 5, 10 и 15 s во время экспозиции HIFU, записанный USB микроскоп. Флюенс лазер был 3.4 МДж/см2 и пик отрицательное давление 2,53 МПа. Последовательность () был с лазерного облучения и в Фантом без наночастиц, (b) без лазерного облучения и в Фантом, содержащих наночастицы и (c) имеет лазерной подсветки и Фантом, содержащих наночастицы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4. Рассчитаны без лазерной подсветки инерционного кавитации дозы (ICD), записанный во время облучения (a, b, e и f) с и (c & d). Пик отрицательное давление было либо (a, c и e) 0,91 или (b, d и f) 2.53 МПа. Призрак в (& b) не содержит каких-либо наночастиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Этот протокол делится на четыре отдельных раздела, описанием изготовления ткани подражая Фантом через для CW воздействия в их производить термически сгенерированный денатурации. Этот денатурации фантомов имитирует термически сгенерированный коагуляционного некроза, испытываемых мягких тканей, подвергается HIFU1. В их производстве важно обеспечить что соотношение APS и TEMED такова, что этот процесс не катализировать слишком быстро. Поскольку этот процесс является экзотермической, тем быстрее эта ставка, тем выше температура достигла25 и таким образом может Денатурировать белки BSA до воздействия. Отношение APS TEMED в этом протоколе была установлена таким образом, что это не должно происходить, однако формы могут быть помещены в ледяной воде во время полимеризации геля для дальнейшей минимизации этой возможности.

Как этот протокол посвящен нуклеации кавитации путем объединения наночастиц, лазерная истолкования и воздействия HIFU, важнейшим шагом в производстве фантомы гель является Дега их под вакуумом для минимум 30 мин. После того, как подвергаются HIFU (особенно CW облучения), даже если теплового поражения не присутствовал, важно целевой свежие расположение в гель фантомы избежать существовавшие ранее ядер. При перемещении phantom с помощью компьютера контролируемых системой перевода важно обеспечить что глубина HIFU фокус (и таким образом соответствие региона) хранится последовательно. Это гарантирует, что уровни давления и лазерной Флюенс HIFU являются едиными для каждого конкретного воздействия параметра. Для этого протокола и после первоначального размещения Фантом держателя затем только преобразуется в вертикальной оси.

Чувствительных к температуре тканей подражая гели широко используются HIFU исследований сообщества25, как они обеспечивают визуальный механизм для мониторинга формирования теплового поражения. Это исследование было первым примером объединения их с наночастицами и демонстрируют повышение для формирования поражения через активность контролируемых кавитации. Однако хотя они классифицируются как имитация ткани за их отклик на температуре, как их затухания оптического и акустического не являются. Из-за необходимости визуализировать поражения формирования в гели фантомов вблизи прозрачным, с небольшой желтый оттенок. Как лазерный Флюенс корректируется на счет для этого, это означает, что лазерный свет, освещающей целевой регион коллимированных вместо диффузно, как бы для нормальной ткани. Таким образом чтобы для клинических перевод нескольких освещение источников необходимо будет обеспечить достаточно Флюенс на поверхности. В настоящее время эта работа придерживается руководящих принципов22 для безопасного использования лазеров при контакте с кожей. Это будет ограничивать лазерная Максимальный флюенс достижимые на глубине; Таким образом эта техника будет первоначально подходит для лечения поверхностного рака груди, или головы и шеи. Кроме того плазмонных наночастиц, предназначенных для поверхности рецепторы для этих видов рака может обеспечить повышение избирательности в лечении. Однако несмотря на то, что это весьма активной областью исследований, нет таких частиц в настоящее время утверждены для клинического использования.

Акустических затухания фантомов с наночастицами измеряется 0.7±0.2 dB/см6и, по сравнению с значением для мягких тканей 3-4 дБ/см, это значительно ниже. Таким образом Отопление от HIFU облучение в эти гели будет меньше, чем будет наблюдаться в мягких тканей. Было продемонстрировано, что добавлением стекляруса гель увеличивает уровень затухания, похож на мягких тканей25. Однако в этом приложении, этот подход не возможно как эти шарики будут действовать нуклеации источники для кавитации деятельности даже в отсутствие наночастиц и таким образом искажать порога кавитации. При сравнении эффективности нагрева для с результатами исследования, Чой и др. (2013) 25, теплового повреждения были получены в пик давления диапазонах 14-23 МПа (не утверждается, если это был пик положительного или отрицательного давления). Поскольку это была исполнена на 1.1 МГц, затухания в фантомов был ниже, чем используемые в данном исследовании. Тем не менее тому наночастиц подход в этом исследовании был в состоянии генерировать теплового поражения в эти фантомы при давлениях от 1,19 до 3,19 МПа, продемонстрировав тем самым повышению эффективности над текущей методологии.

Будущих испытаний для этой методологии должна осуществляться в vivo модели включать сокращение опухоли, перфузии тканей, молекулярной ориентации наночастиц и соответствующих затухание акустических параметров.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана EPSRC Грант EP/J021156/1. Автор хотел бы отметить поддержку от ранней карьеры Леверхульме стипендий (ЭШФ-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