Multiplexen fokussiert Ultraschall-Stimulation mit Fluoreszenz-Mikroskopie

Viele Krankheiten erfordern eine Form der invasiven medizinischen Eingriff. Diese Verfahren sind oft teuer, riskant, Erholungsphasen erfordern und so eine Belastung zu Gesundheitssystemen hinzufügen. Nicht-invasive therapeutische Modalitäten haben das Potenzial, sicherere und billigere Alternativen zu herkömmlichen chirurgischen Eingriffen bieten. Aktuelle nicht-invasive Ansätze wie Pharmakotherapie oder transkranielle Magnetstimulation sind jedoch oft durch Trade-Offs zwischen Gewebe eindringen, räumlich-zeitliche Auflösung und Ziel Nebenwirkungen begrenzt. In diesem Zusammenhang eine Ultraschall stellt eine viel versprechende nicht-invasive Technologie das Potenzial zur biologische Funktionen manipulieren tief in Gewebe mit hoher räumlich-zeitliche Genauigkeit und begrenzte off-Target-Wirkung.

Ultraschall-Stimulation besteht aus Schallenergie an genauen Standorte liefern tief in lebenden Organismen. Je nach akustischen Pulsparameter kann diese Energie eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen haben. Zum Beispiel, der Food and Drug Administration genehmigt die Verwendung von hochintensivem fokussierten Ultraschall (HiFU) für thermische Ablation von Prostatatumoren, Tremor verursachen Hirnregionen, Myome und Schmerz verursachende Nervenenden in Knochenmetastasen¹ . HiFu-vermittelten Mikroblasen Kavitation dient auch vorübergehend die Blut – Hirn-Schranke für die gezielte Bereitstellung von systemisch verabreicht Therapeutika²öffnen. Die räumliche Peak-Puls-Durchschnitt-Intensität (ich_Sppa) und räumliche Peak zeitlichen Durchschnitt-Intensität (ich_BÜPF) verwendet für HiFU-Anwendungen sind in der Regel über mehrere kW cm^-2 und Pulsdruck von mehreren zehntausend MPa zu produzieren. Diese Intensitätswerte sind weit über die FDA-Zulassung ich_Sppa und ich_Spta Grenzwerte für diagnostischen Ultraschall, 190 W cm^-2 und 720 mW cm^-2, bzw.³. Im Gegensatz dazu, haben neuere Studien gezeigt, dass zerstörungsfreie gepulster Ultraschall-Stimulation, die innerhalb oder in der Nähe das Spektrum der diagnostischen Ultraschall Intensität Grenzen (LIPUŠ) effektiv, sicher und aus der Ferne neuronale manipulieren^{4ausgelöst werden kann, 5,6,7,8}, hormonellen Sekretion^9,10 und biotechnologisch Zellen¹¹. Und doch bleiben die zellulären und molekularen Mechanismen, durch die Zellen spüren und reagieren auf Ultraschall, unklar, klinische Übersetzung der LIPUŠ entgegensteht. Daher in den letzten Jahren Studien von künstlichen Membranen, kultivierten Zellen und Tieren mit Ultraschall angeregt haben zugenommen, biophysikalische offenbaren und physiologische Prozesse moduliert durch LIPUŠ^{12,13, 14,15}.

Ton besteht aus einer Schwingung durch ein physikalisches Medium. Eine Ultraschalluntersuchung ist ein Ton mit einer Frequenz oberhalb der menschlichen Hörbereich (d. h. über 20 kHz). In einer Laborumgebung entstehen Ultraschallwellen in der Regel durch piezoelektrische Sensoren, die ein Material enthalten, das als Reaktion auf ein elektrisches Feld in eine bestimmte Bandbreite von Hochfrequenz-oszillierende schwingt. Es gibt zwei Arten von Sensoren: single Element Sensoren und Wandler-Arrays. Einzelelement piezoelektrische Sensoren besitzen eine gekrümmte Oberfläche wirkt wie eine Linse und damit akustische Energie in einer definierten Region namens der Fokuszone konzentriert. Einzelnes Element Wandler sind viel billiger und einfacher zu bedienen als Wandler-Arrays. Dieser Artikel konzentriert sich auf einzelnes Element Wandler.

Die Größe der Fokuszone einen fokussierten Einzelelement-Wandler richtet sich auf die geometrischen Eigenschaften der akustischen Linse und auf seine akustische Frequenz. Um einen Millimeter Größe Fokuszone mit ein einzelnes Element Wandler zu erreichen, sind Ultraschall-Frequenzen im MHz-Bereich in der Regel erforderlich. Akustische Wellen bei dieser Frequenz werden leider sehr schnell abgeschwächt, in einem dünn Mittel wie Luft weitergegeben. Daher müssen MHz Ultraschall-Wellen generiert und an die Probe in ein dichteres Material wie Wasser weitergegeben werden. Dies ist die erste Herausforderung bei der Integration von LIPUŠ Modalität an ein Mikroskop.

Eine zweite Herausforderung ist es, physikalische Schnittstellen zwischen Materialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen (das ist ein Produkt der Materialdichte und der Schallgeschwindigkeit) den akustischen Weg zu minimieren. Diese Schnittstellen können reflektieren, brechen Sie, zerstreuen und absorbieren Sie akustische Wellen, so dass es schwer zu quantifizieren, die Höhe der akustischen Energie effektiv zu einer Probe geliefert. Sie können ebenfalls unerwünschte mechanische Artefakte erstellen. Zum Beispiel erzeugen Reflexionen produzierten senkrecht zur akustischen Fehlanpassung Impedanz Schnittstellen Backpropagating Wellen, die vorwärts-Vermehrung zu stören. Des Weges der Störungen abbrechen die Wellen gegenseitig bei festen Regionen von Räumen, die als Knoten und fassen an wechselnden Regionen Anti-Knoten genannt, erstellen sogenannte stehende Wellen (Abbildung 1). Es ist wichtig für den Experimentator in der Lage zu kontrollieren oder diese experimentellen Interfaces in Vitro zu beseitigen, da sie möglicherweise nicht in Vivovorhanden sein.

Fluoreszenzmessung der optischen Reporter ist eine bekannte Methode, transparente biologischen Proben in Echtzeit und mit keinen körperlichen Störung zu befragen. Dieser Ansatz ist somit ideal für LIPUŠ Studien wie jede physikalische Sonden in das beschallte Gebiet mechanische Artefakte einführen werden. Dieses Protokoll beschreibt die Implementierung und den Betrieb von LIPUŠ zu einem kommerziellen Epi-Fluoreszenz-Mikroskop.