JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

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

دراسة العلاج المحسن التجويف

Published: April 09, 2021
doi:
10.3791/61989
, , ,
1Institute of Biomedical Engineering,University of Oxford

Summary

ويمكن استخدام البروتوكول التجريبي المقدم لإجراء قياسات في الوقت الحقيقي لنشاط التجويف في جهاز زراعة الخلايا بهدف تمكين التحقيق في الظروف المطلوبة لنجاح تسليم المخدرات و / أو غيرها من النفث الحيوية.

Abstract

الاهتمام بالتطبيقات العلاجية للموجات فوق الصوتية كبير ومتزايد ، مع أهداف سريرية محتملة تتراوح بين السرطان ومرض الزهايمر. التجويف – تشكيل وحركة لاحقة من فقاعات داخل مجال الموجات فوق الصوتية – يمثل ظاهرة رئيسية تقوم عليها العديد من هذه العلاجات. ومع ذلك، لا يزال هناك قدر كبير من عدم اليقين فيما يتعلق بآليات العمل التفصيلية التي يعزز التجويف من خلالها الآثار العلاجية، وهناك حاجة إلى تطوير تقنيات رصد موثوقة يمكن تنفيذها سريريا. وعلى وجه الخصوص، هناك تباين كبير بين الدراسات في بارامترات التعرض المبلغ عنها على أنها ناجحة في تحقيق الآثار العلاجية والانبعاثات الصوتية المقابلة. والهدف من هذه الورقة هو توفير مبادئ توجيهية للتصميم وبروتوكول تجريبي باستخدام المكونات المتاحة على نطاق واسع لإجراء دراسات للدراسات المتعلقة بالنفط الحيوي بوساطة التجويف، وتشمل الرصد الصوتي في الوقت الحقيقي. ويؤمل أن يتيح البروتوكول إدماج الرصد الصوتي على نطاق أوسع في التجارب العلاجية بالموجات فوق الصوتية وتيسير المقارنة الأسهل بين دراسات ظروف التعرض وارتباطها بالآثار البيولوجية ذات الصلة.

Introduction

وقد استخدمت الموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) على نطاق واسع واسلوب التصوير التشخيصي بسبب طبيعتها آمنة وغير الغازية، وسهولة التنفيذ في السرير المريض، وفعاليتها من حيث التكلفة1. وإلى جانب قدراتها التشخيصية والرصدية، تتمتع الولايات المتحدة بإمكانات كبيرة للتطبيقات العلاجية. استكشف العمل المبكر استخدامه في انحلال الجلطات ، الحمض النووي transfection، وتسليم المخدرات2،3،4 والعلاجية الولايات المتحدة يمثل الآن مجال نشط جدا من البحوث، مع تطبيقات بما في ذلك علاج الورم5،6،7، العلاج المناعي8،9، حاجز الدم في الدماغ (BBB) تعطيل10،11،12، انحلال الجلطات13،14،15، وعلاج العدوى البكتيرية16،17. ظاهرة رئيسية تقوم عليها هذه التطبيقات هي التجويف: النوى والنمو والتذبذب في التجاويف الغازية بسبب التغيرات في ضغط السوائل18،19.

هناك مجموعة من الآليات التي التجويف تنتج الآثار البيولوجية. على سبيل المثال، يمكن أن تولد الطبيعة غير الخطية للغاية للتذبذبات الفقاعة تحت تأثير حقل أمريكي مطبق تيارا صغيرا في السائل المحيط الذي يمكن أن يعزز الحمل الحراري للأدوية20 ويمارس ضغوط القص على الأنسجة بالقرب من الفقاعات. هذا هو السائد بشكل خاص عندما تكون الفقاعات في محيط الحدود ، مما تسبب في فقاعات تتذبذب غير كروية ، وربما تعزز امتصاص المخدرات من خلال permeabilization الناجم عن القص21،22،23،24. في الضغوط العالية ، لوحظت تذبذبات السعة الأكبر والانهيار السريع للفقاعة ، مما يضفي إجهادا ميكانيكيا مباشرا25 ويولد موجات صدمة في كثير من الأحيان ، وما يترتب على ذلك من تدرجات ضغط كبيرة يمكن أن تعطل الأنسجة26و27وتتغلغل فيها. انهيار فقاعات بالقرب من سطح يمكن أن يؤدي أيضا إلى تشكيل microjets السائل عاليةالسرعة 28،29،30. هذه الميكروبات يمكن أن تخترق الأنسجة، مما قد يخلق المسام أو يحفز موجات الإجهاد الثانوي31،32. و permeabilization من الأغشية البيولوجية على حد سواء الأنسجة والمستويات الخلوية ويشار إلى مختلف sonophoresis، وتستخدم أساسا في سياق تعزيز الناجمة عن الولايات المتحدة في نفاذية الجلد33،34، وsonoporation ، وتستخدم أساسا لوصف نفاذية عكسها من الغشاء الخلوي بسبب تشكيل مسام الغشاء35،36.

امتصاص لزج في السائل المحيط مباشرة فقاعة متذبذبة يمكن أن تنتج تأثير التدفئة كبيرة37. وعلاوة على ذلك، تنتج التذبذبات غير الخطية العالية إشعاعا صوتيا بترددات أعلى من المجال الأمريكي الدافع. وهذا يؤدي إلى زيادة الامتصاص في الأنسجة المحيطة بها ومزيد من التدفئة38. قد يكون انهيار الفقاعة مصحوبا أيضا بآثار كيميائية بسبب درجات الحرارة المرتفعة والضغوط العابرة في قلب الفقاعة ، مثل توليد أنواع تفاعلية للغاية وإشعاع كهرومغناطيسي ، يعرف باسم sonoluminescence32. وقد تم التحقيق في هذه الآثار لتقييم الأضرار المحتملة و / أو تفعيل المسارات الخلوية ذات الصلة للتسليم39 واستغلالها في التنشيط المحلي للأدوية الحساسة للضوء في نهج يعرف باسم العلاج سونوديناميك40,41,42,43.

قد يتم البدء في العديد من العوامل الحيوية بوساطة الولايات المتحدة فقط من خلال التحكم في المعلمات الميدانية الأمريكية (سعة الضغط والتردد وطول النبض وتواتر التكرار ومدة التعرض) ، ولكن توليد التجويف بشكل موثوق في الأنسجة البيولوجية يتطلب في كثير من الأحيان طاقات مدخلات عالية وبالتالي يحمل خطرا مرتفعا من التلف. إدخال نواة التجويف الخارجية أو الاصطناعية قد يقلل بشكل كبير من طاقة المدخلات اللازمة لإنتاج مجموعة واسعة من الآثار التي نوقشت أعلاه ويدخل المزيد من الآثار الإضافية التي قد لا تكون ممكنة مع الولايات المتحدة وحدها. وتشمل نواة التجويف فقاعات الغاز26،44، قطرات السائل45،46،47 والجسيمات الصلبة48،49،50، مع نواة التجويف النانوي كونها منطقة ناشئة للتحقيق لفوائدها من حيث وقت الدورة الدموية لفترات طويلة ، وتحسين البذخ ونشاط التجويف لفترات طويلة49،51،52،53.

النوى الأكثر استخداما هي الفقاعات الصغيرة للغاز (MBs) ، التي استخدمت في الأصل كعوامل تباين في التصوير التشخيصي. وعادة ما تكون قطرها 1-2 ميكرومتر وتحتوي على نواة من غاز عالي الوزن الجزيئي مع قابلية سخام مائي منخفضة في الوسط المحيط. ويحيط جوهر من قبل الدهون واقية، والبروتين، أو قذيفة البوليمر الأكثر شيوعا تتكون من فوسفوليبيدات54. عندما تتعرض لحقل في الولايات المتحدة ، وضغط MBs يسبب لهم الخضوع للتذبذبات الحجمية ، وبالتالي إنتاج التشتت الصوتية القوية ، والتي هي المسؤولة عن نجاح MBs كعامل التباين. كما ذكر، هذه التذبذبات تؤدي أيضا إلى الآثار الميكانيكية والحرارية والكيميائية المذكورة أعلاه التي يمكن تسخيرها في التطبيقات العلاجية. كما توفر عملية طلاء MB آلية لتغليف الأدوية داخل هيكل MB وربط الأدوية و / أو استهداف الأنواع بسطح MB. هذه التقنية تسهل إطلاق المخدرات الناجمة للحد من السمية الجهازية55. كما تبين مؤخرا أن المواد من سطح MB يمكن نقلها إلى الهياكل البيولوجية، وتعزيز تسليم المخدرات من خلال ما يسمى “sonoprinting”56،57،58.

ويمكن أن يوفر رصد نشاط التجويف بوساطة الولايات المتحدة رؤى حول الآثار البيولوجية الناتجة في المختبر وفي الجسم الحي على حد سواء، ويمكن أن يسمح بضبط هذه الآثار وتحسينها. الطريقتان الأكثر تطبيقا على نطاق واسع لرصد نشاط التجويف هما 1) البصرية ، والتي تستخدم المجهر الفيديو عالية السرعة للغاية وغير مجدية عموما في الجسم الحي؛ و2) الصوتية ، والتي تسجل حقول الصوت إعادة إشعاعها التي تنتجها فقاعات متذبذبة و / أو انهيار. تحتوي كل من مكونات السعة والتردد للإشارة الصوتية على معلومات حول سلوك الفقاعة. وقد ثبت تركيزات منخفضة من الفقاعات في انخفاض السعة الحادث الولايات المتحدة لإنتاج انبعاثات متناسقة في الغالب (مضاعفات عدد صحيح من تردد القيادة)59. ومع زيادة ضغوط القيادة، قد يحتوي طيف انبعاثات الفقاعات أيضا على مكونات كسرية تعرف باسم subharmonics و ultraharmonics60 تشير إلى سلوك غير خطي أقوى، بالإضافة إلى ضوضاء النطاق العريض، مما يدل على التجويف القصور الذاتي. التوافقيات الصحيحة هي مؤشر أساسي على تذبذب الفقاعات ولكن يمكن أن تكون ناجمة أيضا عن عدم الخطية في أي مكان في النظام التجريبي ، على سبيل المثال ، بسبب الانتشار غير الخطي. وعلى النقيض من ذلك، ترتبط التوافقيات الجزئية وضوضاء النطاق العريض ارتباطا وثيقا بديناميكيات الفقاعات.

قد تكون العلاقة بين سلوك الفقاعة والانبعاثات الصوتية المكتشفة معقدة بسبب عوامل بما في ذلك حقل الولايات المتحدة الحادث ، وبيئة النوى ، وخصائص مسار الكشف60. ومع ذلك، يمكن الحصول على معلومات هامة حول سلوك الفقاعة وتفاعلاتها مع الخلايا من خلال الاتجاهات المميزة في التردد والطاقة في الطيف الصوتي. ويمكن لهذه البيانات أيضا أن توفر معلومات قيمة يمكن استخدامها لتشكل الأساس لتقنيات رصد العلاج السريري. ومن أجل استغلال هذه المعلومات استغلالا كاملا، يلزم استحداث أساليب تجريبية قوية وقابلة للترجمة وقابلة للتكرار.

ويوجد حاليا تباين كبير في البروتوكولات المبلغ عنها لتصميم النظم وإجراء الدراسات لدعم تطوير العلاجات بمساعدة التجويف. وفيما يتعلق بالجهاز، تم تنفيذ مجموعة من نهج التصميم. وقد جعلت العديد من المجموعات استخدام الغرف لوحة موازية56،61،62،63، إما مخصصة بنيت أو متاحة تجاريا (على سبيل المثال ، OptiCell ، ThermoFisher العلمية). هو وآخرون (2013) وضعت غرفة الخلية إلى جانب وحدة سونيكيشن الولايات المتحدة والتصوير الكونفوكوكال في الوقت الحقيقي64, كاروغو وآخرون. (2015) استخدم نظاما يضم طبق ا متاحا تجاريا لثقافة الخلايا مع غطاء PDMS مصنوع خصيصا للسماح بالغمر في حمام مائي أثناء التعرض للولايات المتحدة65، واستخدم Pereno et al. (2018) جهازا يتكون من أجهزة الرنين المتناوبة ذات الطبقات التي تسمح بالتوصيف البصري والصوتي المتزامن لديناميكيات الفقاعات وتفاعلات الخلايا الفقاعية66. إن استخدام التصاميم المصنعة خصيصا والمخصصة للتطبيقات يعقد توصيف الحقل الأمريكي وظروف التعرض البيئي الأخرى، مما يجعل المقارنات بين الدراسات صعبة. على سبيل المثال، هناك تباين كبير في المعلمات الأمريكية المحددة لتحقيق النجاح في تحقيق الموجات السونوبوبيناسية، والتي تشمل ترددات مركز تتراوح بين 0.02 إلى 15 ميغاهرتز، ودورات واجب تتراوح بين 1٪ إلى موجة مستمرة، والضغوط النادرة تتراوح بين 0.1 إلى 20 MPa23،64،67،68،69،70 ( الجدول1). وبالمثل، هناك تباين كبير في المكونات الطيفية (التوافقيات، والمواءمات الفرعية، وما إلى ذلك) التي تم تحديدها على أنها مرتبطة بعناصر بيولوجية معينة.

ولذلك، فإن الهدف من هذا العمل هو توفير تصميم نظام قابل للاستنساخ بسهولة وإطار تنفيذ للدراسة المختبرية للدراسات الحيوية الخلوية الناجمة عن التجويف مع إدراج قدرة رصد التجويف على وجه التحديد.

Protocol

1. مبادئ تصميم النظام ملاحظة: يعرض هذا القسم مبادئ التصميم المستخدمة لإنشاء أنظمة لرصد التعرض والتجويف في الولايات المتحدة. ويتضح هذان المبدأان من نظامين قائمين لالعاب العدوى الصوتية (SAT) (كما هو موضح في الشكل 1). يتكون كل نظام من مقصورة التعرض للخلايا، ومصدر أمريكي، ومحول عنصر واحد يعمل ككاشف تجويف سلبي (PCD)، وكلها مدمجة في غرفة اختبار على سطح المقعد. هذه التصاميم بناء على تطوير النظام السابق وصفها في Carugo وآخرون (2015)65. زيادة سهولة الاستخدام إلى أقصى حد. جعل مقصورة التعرض للخلايا متوافقة مع تقنيات الثقافة الحالية وأنظمة التصوير باستخدام أجهزة زراعة الخلايا التجارية الموجودة كركائز البذر / النمو. بالنسبة SAT2، استخدم طبق ثقافة (قطر 35 مم، يمكن ملاحظة مساحة قطرها 21 مم، انظر جدول المواد). بالنسبة إلى SAT3، استخدم إدراج Transwell (قطر 6.5 مم، راجع جدول المواد). وTranswells لديها غشاء نفاذية، وبالتالي تحتاج إلى وضعها في وسائل الإعلام الخلية بدلا من الماء. تمكين التحميل السريع وختم مقصورة التعرض للخلية. شكل مقصورة التعرض للخلايا SAT2 عن طريق الضغط على تركيب غطاء البوليمر مرنة على طبق الثقافة (Carugo وآخرون 201565). كما رأينا في الشكل 1C، يحتوي الغطاء على زوج من ثقوب قطرها 1.2 مم تسمح بملء المقصورة بحقنة إبرة حادة 18 G. بعد ملء، ختم هذه المنافذ ملء مع قضبان بلاستيكية قصيرة(جدول المواد). ملء المقصورة SAT3 عن طريق حقنة أو ماصة وختم عن طريق الضغط المناسب سدادة المطاط / بونغ. تمكين التحميل السريع لمقصورة التعرض للخلايا المختومة في غرفة الاختبار. تم بناء حاملات مقصورات التعرض للخلايا في أغطية الغرفة ، حيث يكفي نوبة الصحافة الخفيفة لضمان المحاذاة المناسبة. مع الأنظمة المبينة في الشكل 1، يمكن أن يكون وقت تغيير العينة قصيرا يصل إلى 20 ثانية عندما يتم إعداد مقصورات تعرض خلايا متعددة مسبقا. تقليل حجم الغرفة الداخلية بحيث يكون النظام المحمولة ويمكن تقليل كمية المياه المطلوبة / وسائل الإعلام. كما يؤدي القيام بذلك إلى تسريع التعافي من الانسكابات العرضية أو تسرب عوامل التجويف من مقصورة التعرض للخلايا.ملاحظة: حجم SAT2 الداخلية حوالي 0.8 L. حجم SAT3 الداخلية حوالي 7.6 لتر – أكبر لاستيعاب سهولة التحميل وتغيير محول المصدر أو تكوينه. وأضيفت غرفة داخلية سعة 0.3 لتر لتقليل الحجم المتاح والسماح باستخدام السوائل ذات الصلة بيولوجيا بخلاف مياه تعبئة الخزان (مثل وسائط زراعة الخلايا). يرصد القاع الغرفة الداخلية من 30 ميكرومتر ورقة مايلر سميكة للسماح أقصى انتقال الصوتية. جعل الغرفة والمكونات الداخلية من مواد واضحة بصريا عندما يكون ذلك ممكنا، بحيث يمكن ملاحظة أي مشاكل (مثل التسريبات، الفقاعات الكلية المحاصرين) بسرعة وعلاجها. تعظيم قابلية النقل الصوتية من مقصورة التعرض. تعظيم قابلية النقل من خلال خيارات مواد جدار المقصورة والسماكة. 32 – وعلى افتراض أن السوائل الموجودة على جانبي الجدار هي نفسها أساسا (مثل الماء)، فإن مقدار معامل انتقال ضغط الإصابة العادي71 هو:، حيث الطول الموجي في جدار سمك L ، و z L و zo هي المعاوقات المميزة (منتجات الكثافة وسرعة الصوت) لمواد الجدار والسائل ، على التوالي. T = 1 يشير إلى انتقال مثالي. بالنسبة لرصد الطيف الواسع للتجاويف (على سبيل المثال، 1-8 ميغاهرتز)، فإن معظم البوليمرات المختبرية (مثل PDMS و PTFE والبوليسترين) ستغير الضغط المنقول بنسبة لا تزيد عن 10٪ إذا كان سمك المادة أقل من 1/10th من الطول الموجي في المادة. وقد يكون من الصعب تلبية هذا الشرط مع الإمدادات القياسية على الترددات العالية (مثل #1.5 غطاء عند 8 ميغاهرتز)، ولذلك فمن الممارسات الجيدة التنبؤ باستجابة تردد الإرسال أو معايرةها مباشرة. لنقل النطاق الضيق للإشارة المصدر الأمريكي إلى مقصورة التعرض للخلية، اسمح بطبقة أكثر سمكا إذا كانت تقريبا مضاعفا صحيحا لنصف الطول الموجي في مادة الطبقة. على سبيل المثال، يستخدم غطاء PDMS في SAT2 بسماكة 2.0 مم (~ 2 الطول الموجي في 1MHz، cPDMS ~ 1000 م / ث). تعظيم منطقة التعرض من خلال اختيار بيئة المصدر والخلية. لزيادة عدد الخلايا المعرضة إلى أقصى حد، اجعل مساحة ارتباط الخلية واسعة قدر الإمكان مع الحفاظ على التوافق مع معدات الاستزراع والتصوير المتاحة. استخدم مصدرا أمريكيا باستخدام حقل يمتد عبر منطقة مرفق الخلية بأقل قدر من التغير المكاني باستخدام المنطقة البؤرية المسبقة لمصدر كبير مركز (SAT2) أو مصدر مركز أو عدسي بعرض فص رئيسي يطابق قطر منطقة مرفق الخلية (SAT3). راجع جدول المواد للحصول على مصادر محددة. تقليل تعقيد المجال الذي أدخله حامل حجرة الخلية عن طريق دعم مقصورة الخلية ميكانيكيا بعيدا عن الجزء الأقوى من حقل الحادث ، أو تقليل المقطع العرضي المتناثر من الحامل أو وضع مواد امتصاص على الحامل. وترد الأمثلة في الشكل 1A و 1D. ضمان ظروف التعرض المتكررة. إنهاء الحقل الصوتي في حدود ثابتة للقضاء على التباين الذي يمكن أن ينشأ من واجهات الهواء والماء في غرف مملوءة جزئيا. في SAT2 و 3 ، يتم تحقيق ذلك عن طريق تركيب ممتص صوتي (انظر جدول المواد)على غطاء الغرفة مع فائدة إضافية للحد من تعقيد المجال الذي قد ينشأ عن انعكاسات الحدود. مراقبة وتسجيل الجهد محرك المصدر في إخراج مكبر للصوت / مدخلات المصدر بحيث يمكن الكشف عن تقلب طفيفة أو عطل كبير بسرعة. استخدام مسبار الجهد أو جهاز آخر آمن للاستخدام عبر نطاق الجهد محرك الأقراص من الفائدة. تحقق دوريا من معايرة مسبار الجهد باستخدام مصدر معروف مثل مولد الموجي. التحكم في درجة حرارة الغرفة ومحتوياتها ومراقبتها وتسجيلها. قد تكون استجابات الخلايا والمحولات ووسط الانتشار حساسة لدرجة الحرارة. في SAT2، يتم إنجاز الرصد والتحكم مع زوج من منافذ التداول المتصلة بنظام تكييف المياه، في حين يستخدم SAT3 سخان حوض السمك (غير مبين). تعيين درجة حرارة المياه حسب الحاجة لمحاكاة الظروف الفسيولوجية ذات الصلة للتطبيق العلاجي.ملاحظة: قد تتغير درجات الحرارة الداخلية نتيجة عوامل خارجية ومن تسخين محول محول ووسط الولايات المتحدة. إزالة الغاز بعناية السائل الغرفة (ق) لتقليل احتمال التجويف غير مقصودة و / أو التشتت من فقاعات موجودة من قبل في مسار الانتشار.ملاحظة: إذا لم يتم إزالة الغاز، على سبيل المثال بسبب التأثير السلبي على الخلايا، ثم سيكون هناك مستوى خلفية معززة من النشاط فقاعة، والتي مناسبة. معايرة النظام المجمع بالكامل. تضمين وسيلة لقياس حادثة حقل الضغط على الخلايا المكشوفة عندما تكون جميع مكونات النظام في مكانها، بما في ذلك مقصورة التعرض للخلايا. في SAT2 و 3 ، يتم تحقيق ذلك مع فتحة في غطاء الغرفة يمكن من خلالها إدخال إبرة أو هيدروفون ألياف بصرية دون إزعاج الحقل الذي سيتم قياسه. جعل القياسات أقرب ما يمكن إلى حيث توجد الخلايا. اختيار الهيدروفون مع دائرة نصف قطرها حساسة(rcv)صغيرة بما يكفي أنه لن يخطئ في الإبلاغ عن مجال الضغط يجري قياسها. الحجم المقبول هو دالة من تواتر المصدر (و) ونصف قطرها (src) وكذلك المسافة بين المصدر ومسح الحقل (zrcv). معيار عام لاختيار حجم الهيدروفون هو: ، مما يؤدي إلى: ، حيث ج هو سرعة الصوت72. تأكد من معايرة الهيدروفون في ظل الظروف المستخدمة في توصيف النظام، بما في ذلك درجة الحرارة على النحو المحدد في القسم 1.6. على وجه التحديد ، إذا كان يتم عقد hydrophone في زاوية فيما يتعلق الطائرة المسح الضوئي ، يجب معايرة الهيدروفون في تلك الزاوية ، كما آثار المباشرة قد تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المتوقعة على أساس الهندسة بحتة. يجب أن يكون التغيير في حساسية الهيدروفون فيما يتعلق بدرجة الحرارة متاحا من الشركة المصنعة. مسح المنطقة بأكملها التي قد تتعرض فيها الخلايا. لالتقاط مستوى مناسب من تفاصيل الحقل، استخدم تباعد المسح الضوئي الذي لا يزيد عن1/5 th من الطول الموجي بأعلى تردد للاهتمام. وإذا لوحظ تعقيد ميداني غير متوقع، فكر في استخدام إشارات الانفجار القصيرة (مثل الدورات من 1 إلى 3) للسماح بتحديد المساهمات الميدانية المباشرة والمتناثرة وتحديدها كميا. دمج القدرة على رصد التجويف. تحديد نوع محول الرصد ووضعه كجزء من تصميم النظام العام، وليس كتجهير. في الممارسة العملية، يؤدي هذا إلى نظام مضغوط إلى أقصى حد دون التضحية بالقدرة على محاذاة مكونات النظام الهامة بشكل موثوق. ضع جهاز مراقبة التجويف في النظام بطريقة يمكن وضعها بشكل متكرر مع الحد الأدنى من وقت الإعداد المضاف أو الاضطراب لسير العمل. في SAT2، يتم إنجاز هذا مع عنصر واحد محول كهرومغناطيسي يعمل ك PCD مزودة في غطاء الغرفة، في حين SAT3 يدمج PCD في قاعدة المصدر باستخدام عاكس 90 درجة. حدد شكل PCD وفقا لأهداف التجارب. في الشكل 2،تظهر حسابات الخطوط النصفية لأجهزة غير مركزة (يسار) ومركزة (يمين) الاختلافات العميقة في الحساسية المكانية فيما يتعلق بالتردد. الجهاز غير المركز هو أكثر ملاءمة لرصد حجم كبير مع اختلاف المكانية متواضعة فيما يتعلق التردد، في حين أن الجهاز مركزة هو أكثر ملاءمة لقياسات أكثر إحكاما شعاعيا في ترددات الاهتمام. حدد تردد مركز PCD وعرض النطاق الترددي ليناسب احتياجات التجربة. وعادة ما يتم اختيار تردد المركز ليكون خمسة أضعاف على الأقل من المصدر الأمريكي من أجل تقليل الحساسية لانبعاثات المصدر المباشر. عادة ما يتم تعظيم عرض النطاق الترددي من أجل مراقبة مجموعة واسعة من السلوكيات فقاعة (التوافقية والضوضاء ذات النطاق العريض). حدد طرق التكييف والتسجيل والمعالجة للسماح بتحليل بيانات التجويف، كما هو موضح في القسم التالي. 2. الأجهزة والمعالجة لرصد التجويف ملاحظة: يعرض هذا القسم مكونات تدفق الإشارات والوظائف الموصى بها لجمع بيانات رصد التجويف ومعالجة البيانات التي تؤدي إلى تقييمات نوعية وكمية لنشاط التجويف. الأجهزة (انظر أيضا الشكل 3). ما لم يتطلب التطبيق جهازا مخصصا ، حدد PCD من النطاق الواسع من محولات العناصر المفردة المتاحة تجاريا ، والتي يتم تسويقها عادة للاختبار غير المدمر للأهداف المغمورة. هؤلاء الموردين لديهم أيضا الكابلات والاكسسوارات (على سبيل المثال، عاكس المرآة في SAT3). تقليل استجابة PCD للمصدر الأمريكي. ويمكن القيام بذلك من خلال اختيار PCD (تردد مركز وعرض النطاق الترددي) وباستخدام درجة أو مرشح تمرير عالية. هذا الأخير قابل للتنفيذ إما كوحدة مستقلة أو كجزء من جهاز تكييف الإشارات. استخدم جهاز رقمي بنطاق ديناميكي كبير (12 بت على الأقل) لالتقاط أكبر قدر ممكن من البيانات مع احتمال ضئيل لقص إشارة عالية ونسبة إشارة إلى ضوضاء قصوى (SNR) لأصغر الإشارات. عند مقارنة الأجهزة، راجع مواصفات الإشارة إلى الضوضاء والتشويه و/أو عدد البتات الفعال، حيث أن هذه هي أوصاف أكثر اكتمالا للنطاق الديناميكي القابل للتحقيق. خذ بعين الاعتبار أيضا ما إذا كان حجم المخزن المؤقت الذاكرة كافية لطول المطلوب ومعدل التقاط البيانات. تحسين استخدام النطاق الديناميكي للمرقم. قد تغطي إشارات PCD عدة أوامر من الحجم ، سواء بسبب التعرض الطويل (كما يتم القضاء على الفقاعات) وإذا كانت التجارب قيد التشغيل على مستويات محرك الأقراص الأمريكية المختلفة. ولذلك فمن الضروري التحقق من أن سلسلة تكييف الإشارات تحجيم جميع الإشارات بحيث يمكن تسجيلها بشكل صحيح. قم بتضمين جهاز preamplifier في سلسلة الإشارة، بحيث يمكن التقاط أصغر الإشارات المتوقعة بشكل كاف. في تجربتنا ، PCD الذاتي الضوضاء أقل بكثير من معظم digitizers ، لذلك درجة متواضعة من preamplification (على سبيل المثال ، <100x) لا يزال يمكن تحسين SNR من النتيجة النهائية. تصفية تردد المصدر الأمريكي قبل التضخيم المسبق لتجنب تشبع مكبر الصوت. إذا تم استخدام جهاز نبض/مستقبل أمريكي لتوفير إمكانات الكسب و/أو التصفية، فاستخدمه في وضع النبض لتأكيد طول/محاذاة المسار أو التحقق من وجود مبعثرات غير متوقعة في مسار الانتشار بين PCD وحجرة تعرض الخلية. تمكين تدفق البيانات في الوقت الحقيقي إلى التخزين. يستخدم كل من نظامي SAT2 و SAT3 مناظير USB المتدفقة 12 بت (انظر جدول المواد)، والتي تتمتع براحة قابلية النقل وواجهات المستخدم المبنية جيدا. تأكيد مطابقة المعاوقة المناسبة في سلسلة الإشارات لتجنب أخطاء المكاسب أو عرض النطاق الترددي. أجهزة PCD وعادة ما يكون معوقات الإخراج بالقرب من 50 أوم، لذلك عملية مناسبة لاستبدال PCD مع إشارة معروفة من مولد الموجي (مع مقاومة إخراج 50 أوم) وتأكيد أن حجم الإشارة التي تظهر على الرقم يطابق التوقعات، والمقاييس خطيا عندما يتم تغيير الإشارة المحقونة، ويلاحظ أي لقطة لأكبر إشارة من الفائدة. المعالجة المسبقة تصحيح إشارات الجهد الخام لجميع المكاسب والحساسيات المعروفة في مسار الإشارة التي تتعلق بمعالجة البيانات في نطاق التردد من الفائدة. إذا تم تسجيل البيانات مع اقتران إدخال DC أو إظهار DC-offset، إزالة هذا الإزاحة عن طريق الطرح المباشر أو مع عامل تصفية تمرير عالية. حساب الطيف القدرة P من كل إشارة مسجلة. تعيين طول تحويل فورييه Nقدم بحيث التردد الأساسي للمصدر الولايات المتحدة و0 هو عدد صحيح كبير مضاعف من عرض بن تحويل: Nft =   NFs/f0، حيث ن هو عدد صحيح و وق هو تكرار عينة من البيانات الرقمية. تعيين n ≥ 50 لالتقاط واضحة من الميزات الطيفية. على سبيل المثال من 1 ميغاهرتز الأساسية عينات في 50 ميغاهرتز، Nقدم هو 2500 وعرض بن هو 0.02 ميغاهرتز. كما تحويل طول Nقدم عادة ما تكون أصغر من مدة إشارة مسجلة، واستخدام كثافة الطيفية السلطة(PSD)مقدر مثل طريقة ويلش73. الطاقة في نطاق تردد يمتد f1-f2 هو ، حيث dF هو عرض سلة التحويل. لتوصيف نشاط الفقاعات أثناء كل تعرض، قم بتقدير المساهمات في طيف الطاقة من مضاعفات عدد صحيح من f0 (التوافقيات)، ومضاعفات عدد صحيح فردية من f0/2(ultraharmonics)، وضوضاء النطاق العريض (التجويف القصور الذاتي). يتم تقدير المحتوى التوافقي والهارموني للغاية ببساطة من خلال اختيار قيم طيف الطاقة بترددات محددة. ومع ذلك، قد تنتشر استجابات نغمية كبيرة السعة إلى عدد صغير من صناديق التردد المجاورة (مثل f0 ± 2-3)، لذلك ينبغي إدراجها في حسابات طاقة النطاق الضيق واستبعادها من حسابات النطاق العريض. تقدير النطاق العريض قوة التجويف عن طريق طرح مساهمات التوافقية والهارمونية الفائقة من مجموع الطيف السلطة. وبصورة بديلة، يمكن تقدير هذه المساهمات باستخدام معالجة مسبقة أكثر تطورا74. تقدير طاقة إشارة التجويف التراكمية على مدى مدة التعرض ، ويفضل وفقا لميزة الطيف / نوع نشاط الفقاعة. بافتراض أن جميع سجلات البيانات لها مدة متساويةT r، فإن الطاقة التراكمية في البيانات المسجلة هي ، حيث يشير M إلى عدد السجلات. إذا كانت هناك فجوات بين التسجيلات، كما قد يحدث عندما يكون التعرض مستمرا، والملفات المحفوظة التقاط جزء صغير من إجمالي مدة التعرض Te،يمكن تقدير الطاقة التراكمية على أنها تقدير SNR القياس بالمقارنة بين مستويات الطيف مع تلك الضوضاء الخلفية المسجلة في غياب الولايات المتحدة. 3. البروتوكول التجريبي SAT التحضير تقليل احتمال التجويف في مسار الانتشار عن طريق إزالة الغاز من سائل التعبئة (عادة ما يتم تصفيته) تحت ضغط -105 Pa لمدة ساعتين على الأقل. ويوصى بتأكيد وجود مسبار للأوكسجين المذاب بأن الضغط الجزئي للأوكسجين يقل عن 10 كيلو باسكال. ملء غرفة الاختبار ببطء لتقليل إعادة إدخال الهواء في السائل degassed. مواصلة إزالة الغاز من الغرفة المملوءة إذا لزم الأمر. مسح جميع الفقاعات المتبقية من محول وسائل الإعلام الحاويات السطوح مباشرة بعد ملء ومرة أخرى قبل بدء تجارب التعرض. تأكد من استقرار درجة حرارة الغرفة ومحتوياتها قبل بدء تجارب التعرض. السماح لمضخم الطاقة مصدر الولايات المتحدة للاحماء (لكل توصية الشركة المصنعة) بحيث تكون المكاسب والمخرجات مستقرة فيما يتعلق بالوقت. إعداد مقصورة التعريض الضوئي تعليق عامل التجويف عند تمييع عامل التجويف ، يحرك بلطف وبشكل مستمر لجعل تعليق موحد دون فقاعات الماكرو المحاصرين أو تدمير العامل (خاصة إذا كانت فقاعات مقذورة). عند العمل مع MBs، سحب والاستغناء ببطء باستخدام أكبر إبرة قياس المتاحة للحد من الدمار أثناء عملية التحميل75. وقد استخدمت إبرة ملء حادة 18 G بانتظام مع أنظمة SAT. SAT2 التحضير تعقيم غطاء PDMS قبل استخدامه في التجارب مع الخلايا الحية. شكل مقصورة التعرض للخلية عن طريق الضغط على تركيب غطاء PDMS إلى طبق الثقافة. إعداد حقنة مع إبرة حادة 18 G وملء مع ما يقرب من 10 مل من السائل (على سبيل المثال، تعليق ميغابايت أو التحكم في المياه). أدخل الإبرة من خلال أحد ثقوب تعبئة PDMS وملء الغرفة ببطء ، إمالة بحيث يمكن للفقاعات الكبيرة الهروب من خلال ثقب التعبئة المفتوح. للحصول على أفضل النتائج، قم بإمالة الغرفة بحيث تكون الفتحة المفتوحة فوق فتحة التعبئة. عند ملء، أغلق الفتحة المفتوحة عن طريق إدخال قضيب بوليمر قصير (4-5 مم). تعيين التجميع بحيث تكون كلا الفتحات الأفقية. إزالة إبرة ملء حادة أثناء حقن السوائل الزائدة بحيث لا يتم رسمها في الهواء. أغلق الحفرة بقضيب بوليمر آخر. هذه العملية يكمل ختم مقصورة التعرض الخلية. بصريا تحقق من المقصورة للحصول على أدلة من الفقاعات الكبيرة المحاصرين، وإذا تم العثور على أي، كرر 3.3.3.-3.3.6. اضغط على احتواء مقصورة تعرض الخلية في حامل المقصورة. تثبيت غطاء الغرفة في مكان فوق الغرفة. خفض الغطاء مع زاوية إلى أفقية يثبط الفقاعات الكلية من يستريح على الأجزاء المغمورة (امتصاص، حامل). النظر في الطفو من الجسيمات في التعليق عند تحديد اتجاه مقصورة التعرض للخلية (على سبيل المثال، فقاعات عائمة أو غرق الجسيمات النانوية) وكيف سيؤثر ذلك على اتصالهم مع الخلايا. في جميع العمليات، استخدم أقل قدر ممكن من القوة لتقليل ثني سطح نمو الخلية وانفصال الخلايا. SAT3 إعداد ملء ترانسويل مع ما يقرب من 150 ميكرولتر من السائل (على سبيل المثال، تعليق ميغابايت أو التحكم في المياه). شكل مقصورة التعرض للخلية عن طريق ختم بعناية transwell مع المكونات المطاطية، وإزالة أي فائض السائل مع منشفة ورقية نظيفة أو مسح. قبل الاستخدام في التجارب مع الخلايا الحية، قم بتعقيم المكونات المطاطية. بصريا تحقق من المقصورة للحصول على أدلة من الفقاعات الكلية المحاصرين، وإذا وجدت أي، وإزالة المكونات، وإزالة الفقاعات الكبيرة وتكرار 4.4.2. اضغط على احتواء مقصورة تعرض الخلية في حامل المقصورة. تثبيت غطاء الغرفة في مكان فوق الغرفة. خفض الغطاء مع زاوية إلى أفقية يثبط الفقاعات الكلية من يستريح على الأجزاء المغمورة (امتصاص، حامل).ملاحظة: كما ذكر أعلاه، قد تتسبب الفقاعات الكبيرة في مجموعة متنوعة من الآثار غير القابلة للتكرار والضارة المحتملة على تجارب التعرض في الولايات المتحدة. والأهم من ذلك، قد تتسبب الفقاعات الكبيرة العالقة في مقصورة التعرض للخلايا في استجابات PCD وخلايا بيولوجية محلية لا تمثل العلاج المقصود. فحص مرئي دائما جميع مكونات النظام للعثور على وإزالة الفقاعات قبل بدء التجارب الأمريكية. 4. جمع البيانات تحديد مستويات استجابة PCD الخلفية من خلال إجراء تجارب أولية مع مقصورة التعرض للخلايا مليئة بسائل التحكم (على سبيل المثال، المياه غير الغازات أو وسائط الخلية). سجل بيانات PCD دون دفع المصدر الأمريكي إلى إنشاء مستويات الضوضاء الإلكترونية الخلفية. سجل بيانات PCD أثناء قيادة المصدر الأمريكي في النطاق الكامل لمستويات القيادة المخطط لها. وستشير هذه البيانات إلى أجزاء الاستجابة الصوتية التي لا علاقة لها بعوامل التجويف التي سيتم اختبارها لاحقا.ملاحظة: سوائل المختبرات الشائعة (مثل PBS أو وسائط الخلية) سوف تظهر التجويف عند ضغوط معتدلة (على سبيل المثال 0.5 ميجا باسكال عند 0.5 ميغاهرتز) إن لم يكن متخلصا من الغاز. قبل البدء في القياسات، وإعطاء الوقت للتعليق إلى التوازن الحراري مع درجة حرارة الغرفة. قد تكون إبرة غرامة الحرارية مفيدة لهذا الغرض. مراقبة التجارب في الوقت الحقيقي في كل من الوقت ومجالات التردد. يكشف رصد نطاق الوقت ل PCD ما إذا كانت الإشارات بحجم مناسب لإعدادات الأجهزة الحالية. وعلى وجه التحديد، يجب تجنب قص الإشارة، لأنها ستظهر في مجال التردد كاستجابة توافقية متعددة الطنين. كما يبين رصد نطاق الوقت ل PCD ما إذا كانت إشارات التجويف قد شوهدت في وقت أبكر مما كان متوقعا استنادا إلى وقت الانتشار من المصدر الأمريكي إلى مقصورة التعرض ل PCD. إذا شوهدت مثل هذه الإشارات، قد يشير هذا إلى تسرب عامل التجويف إلى غرفة الاختبار. يشير رصد نطاق التردد ل PCD إلى نوع سلوك الفقاعة ويمكن استخدامه لضبط مستويات محرك الأقراص حسب الحاجة لتحقيق تحفيز الخلية المطلوب (على سبيل المثال ، مستويات محرك الأقراص المنخفضة للإثارة التوافقية). لضمان عدم تفويت عمليات التعريض الضوئي الأولى، ابدأ عملية جمع البيانات قبل تشغيل إشارة محرك الأقراص المصدر الأمريكي. مراقبة إشارة إخراج مكبر الصوت التي تحرك المصدر الأمريكي (على عكس إخراج مولد الموجي) طوال التجربة لضمان أن التعرض يسير كما هو متوقع. استخدام مسبار الجهد العالي لهذا القياس وتأكد من أن يتم تعيين الذبذبة للتعويض عن توهين التحقيق. بعد الكشف عن عينة، قم بإزالتها بعناية من غرفة الاختبار. إزالة وتنظيف غطاء PDMS (SAT2) / قابس مطاطي (SAT3) استعدادا لأي استخدام لاحق. نقل طبق الثقافة (SAT2) / ترانسويل (SAT3) حسب الحاجة للتحليل اللاحق (على سبيل المثال، المجهر، التصوير الفلوري). بعد عدد قليل من التعرض (على سبيل المثال، 3-5)، من الممارسات الجيدة إعادة الحصول على إشارات التجويف الأساسية (في غياب عامل التجويف) ومقارنتها بمجموعة البيانات الأصلية للتأكد من عدم تلوث وسائط الغرفة.

Representative Results

ويبين الشكل 4 أمثلة على استجابات PCD لنطاق الوقت والتردد، مما يوضح ثلاثة سلوكيات تجويف متميزة. تم جمع جميع البيانات على SAT3 باستخدام سونوفو MBs المخفف 5x في برنامج تلفزيوني، مع تركيز النهائي من ~ 2 * 107 MBs / مل. درجة الحرارة لجميع الأمثلة في هذا القسم كانت 19 ± 1 درجة مئوية. وكان مصدر الولايات المتحدة مدفوعة مع نبض 2.0 مللي ثانية في 0.5 ميغاهيرتز لتحقيق ذروة الضغوط السلبية الحادث من 0.20 (الشكل 4A و 4B), 0.30 (الشكل 4C و 4D), و 0.70 MPa (الشكل 4E و 4F). بدأت تسجيلات الإشارة 1.4 مللي ثانية قبل t = 0 بداية نبض الولايات المتحدة. تظهر آثار اللولبين الإشارة كما هي مسجلة (حمراء) وبها فلتر تمرير عالي 2 ميغاهرتز (أزرق) لنافذة زمنية تركزت في وقت الرحلة من المصدر إلى مقصورة التعرض للخلايا إلى PCD. ويرجع رد الفعل المنخفض المستوى قبل هذا الوقت إلى تلقي الإشعاع مباشرة من المصدر، وهو أمر شائع في التكوينات التي يكون فيها ثنائي الفينيل متعدد الكلور وراء المصدر الأمريكي. في أدنى ضغط الحادث، وتتكون الاستجابة PCD تماما من التوافقيات عدد صحيح من التردد 0.5 ميغاهرتز الأساسية الولايات المتحدة. زيادة من 0.20 إلى 0.30 MPa النتائج في ultraharmonics وضوحا في الطيف بالإضافة إلى مزيد من التوافقيات عدد صحيح مرتفعة. تبدو أشكال موجة المجال الزمني في هذين الضغطين متشابهة ، على الرغم من أن نتائج MPa 0.30 تظهر المزيد من التباين خلال مدة النبض. وفي أعلى ضغط، نمت السعة الموجية للمجال الزمني نسبة إلى الضغوط المنخفضة نتيجة لارتفاع ضوضاء النطاق العريض الواضحة المرئية في الطيف. ويعتبر هذا الضجيج عادة أن يكون نتيجة لتجويف القصور الذاتي، وفي هذا المثال، يتوافق مع تدمير MBs. لرؤية هذا بشكل أكثر وضوحا، تظهر استجابات PCD كدالة للوقت في الشكل 5. في اللوحة اليسرى (الشكل 5A)، يتم عرض الأطياف الكاملة على مدى 50 ثانية من وقت التعرض ، والتي ينبعث خلالها المصدر نبضات 2.0 مللي ثانية كل 0.20 ثانية. وتظهر القوى الإجمالية والتوافقية والنطاق العريض المقابلة في اللوحة اليمنى(الشكل 5B). تم تشغيل الولايات المتحدة عند t = 3.0 s ، وفي ذلك الوقت شوهدت استجابات النطاق العريض واسعة النطاق. ويعتقد أن الارتفاع الأولي يتوافق مع تدمير أكبر الفقاعات في التعليق (SonoVue هو متعدد التخصصات) وهو ملاحظة شائعة في تجارب التجويف مع الفقاعات المقصفة وحتى مع الوسائط غير المشوهة (على سبيل المثال ، PBS). بعد بضع ثوان، تضاءلت استجابة النطاق العريض بسرعة، على ما يبدو بسبب تدمير الفقاعات، وتتألف الإشارة في الغالب من التوافقيات. وهذا يشير إلى أن الغاز المحرر ومركبات MBs المتبقية تهتز بشكل ثابت وغير قابل للانخراط. في ر ~ 50s ، انخفض عنصر النطاق العريض إلى مستوى الضوضاء الخلفية الأصلية. اختبارات التعرض مثل هذه هي بالتالي مهمة عند محاولة فهم الجداول الزمنية التي خلالها آثار فقاعة مختلفة قد يكون العمل على الخلايا في الغرفة. ومن المرجح أن تترجم الفقاعات استجابة للقوى الإشعاعية المتولدة أثناء التعرض للولايات المتحدة وحركة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور داخل وخارج مجال الرؤية ثنائي الفينيل متعدد الكلور، مما قد يؤدي إلى زيادة التباين في إشارة التجويف المراقبة، وخاصة عند التعامل مع الإيقاف المخفف. ولذلك ينبغي للمنطقة الحساسة من PCD أن تمتد على أكبر قدر ممكن من سطح التعرض للخلية. وتظهر مقارنة بين الردود مركزة وغير مركزة PCDs مع ترددات مركز متطابقة (انظر الشكل 2)في الشكل 6، وذلك باستخدام تخفيف 20:1 من MBs في برنامج تلفزيوني عادي هو SAT2. الوقت وعينة متوسط الأطياف في لوحة الشكل 6A تبين أن PCD غير مركزة يحتوي على استجابة النطاق العريض أقوى، يرافقه انخفاض تقلب عينة إلى عينة في كل من التوافقي (الشكل 6B) والقوى ultraharmonic (الشكل 6C). من المهم أن ندرك أن وسائل الإعلام المستخدمة في عمل الخلية المختبرية ليست ديجاسسيد، ويمكن أن تقدم مستوى الخلفية المحسنة من النشاط فقاعة. ويبين الشكل 7 الاستجابة في SAT2 لبرنامج تلفزيوني يستخدم في شكله المقدم من المورد وبعد ساعتين من إزالة الغاز تحت الفراغ، وبعد ذلك تم تخفيض تشبع الهواء من 92٪ إلى 46٪ كما هو محدد مع جهاز استشعار بصري (PreSens، ألمانيا). تم متوسط الأطياف في الشكل 7A على مدى وقت التعرض ويكرر مع خمس عينات مستقلة، وتظهر بوضوح ارتفاع واضح ultraharmonics في برنامج تلفزيوني عادي. القوى لخص أكثر من ثلاثة التوافقيات(الشكل 7B)هي في حدود الانحراف المعياري لكل إخراج التجريبية. وعلى النقيض من ذلك، فإن المبالغ فائقة السرعة في الشكل 7C تبين أن برنامج تلفزيوني عادي لديه ما يقرب من ترتيب مستوى أعلى من الحجم وتباين أعلى بكثير بين العينات. تشير هذه الأمثلة إلى أن وسيط متوافق مع الخلايا الشائعة قد يحمل السلوكيات التي يمكن أن تكون (بشكل غير صحيح) المنسوبة إلى وجود MBs. نظرا لأنه عادة ما يكون من غير العملي أن يكون متوسط زراعة الغاز بسبب التأثير السلبي على الخلايا و / أو استقرار عامل التجويف ، فمن الأهمية بمكان إجراء ضوابط مناسبة في أي دراسة متعلقة بالتجاويف. الشكل 1: رسوم إيضاحية لتصميمين لنظام التعرض في الولايات المتحدة يتضمنان رصد التجويف: SAT3 (D-F). (أ) SAT2 تجميع المشروح مع الجدار الجانبي إزالتها من أجل الوضوح. (ب) SAT2 مع الجدار الجانبي سليمة. (C) مقصورة التعرض للخلايا SAT2، مفككة. (D) SAT3 تجميع المشروح. (E) SAT3 في العادي (يسار) وعدسة (يمين) تكوينات لعرض شعاع مطابقة في ترددات مختلفة. (F) مقصورة التعرض للخلايا SAT3، مفككة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: حسابات نصف محيط حقل ضغط السعة لمحولات غير مركزة قطرها 12.7 مم (يسار) ومحولات (يمين) مركزة كرويا. وتظهر ترددات 2 و4 و8 ميغاهرتز كخطوط حمراء وزرقاء وخضراء، على التوالي، لعنصر ثنائي الفينيل متعدد الكلور في أصل التنسيق (0,0). أما الخطوط الخارجية للجهاز غير المركز فهي غير حساسة نسبيا للتردد، ولكن الهيكل الداخلي يعتمد على التردد. تتقلص الحقول المركزة كرويا مع زيادة التردد ، ولكن داخل الخطوط ، تختلف الحقول بسلاسة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: أجهزة تكييف إشارة التجويف والتسجيل (الأسهم الزرقاء)، وإثارة المصدر الأمريكي (الخطوط الحمراء)، وإثارة الحصول على البيانات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: الوقت (يسار) وتواتر (يمين) استجابات PCD المجال المسجلة مع MBs المخفف 5x في برنامج تلفزيوني. وكانت ذروة الضغوط السلبية الحادث (A، B) 0.2 MPa، (C، D) 0.4 MPa، (E، F) 0.7 MPa، وكلها في 0.5 ميغاهرتز. تسجيلات إشارة تبدأ 1.4 مللي ثانية قبل t = 0 بداية من 2.0 مللي ثانية مدة نبض الموجات فوق الصوتية المدة. (A، C، E) تظهر إشارات النطاق الزمني (الحمراء) على مقياس عمودي ثابت، مما يشير إلى كيفية تغير مستوى الاستجابة بضغط الحادث. تظهر آثار اللولبين الإشارة كما هي مسجلة (حمراء) وبها فلتر تمرير عالي 2 ميغاهرتز (أزرق) لنافذة زمنية تركزت في وقت الرحلة من المصدر إلى مقصورة التعرض للخلايا إلى PCD. (ب، د، واو) يتم حساب الكثافات الطيفية لطاقة الضوضاء وإشارة لt0، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 5: تاريخ الطيف على مدى 50 ثانية التعرض لتعليق MBs المخفف 5x في برنامج تلفزيوني. (أ) الأطياف الكاملة و (ب) مجموع، التوافقية والنطاق العريض إشارة القوى، كل ذلك كدالة من الزمن. وكانت ظروف محرك الأقراص 0.5 ميغاهيرتز، 0.7 ميجا باسكال ذروة الضغط السلبي، 2.0 مدة نبض مللي ثانية، 200 مللي ثانية فترة تكرار النبض. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 6: تأثير PCD التركيز الهندسة المسجلة مع تخفيف 20:1 من الفقاعات الدقيقة في برنامج تلفزيوني العادي. وكانت ظروف القيادة: 1.0 ميغاهرتز، 0.50 ميجا باسكال ذروة الضغط السلبي، 3.0 مللي ثانية مدة النبض، 10 مللي ثانية فترة تكرار النبض. (أ)متوسط الأطياف الكاملة على مدى وقت التعرض وثلاثة تكرارات عينة مستقلة. (ب) الطاقة في التوافقيات 3 و 4 و 5 ميغاهرتز، و (C) الطاقة في 2.5، 3.5 و 4.5 ميغاهيرتز ultraharmonics. خطوط سميكة هي نموذج يعني، المناطق المظللة تشير إلى +/- 1 الانحراف المعياري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: تأثير الوسائط التي تم إزالة الغاز منها المسجلة مع برنامج تلفزيوني. (أ) متوسط الأطياف الكاملة على مدى وقت التعرض وخمسة عينات مستقلة يكرر. (ب) الطاقة في التوافقيات 3 و 4 و 5 ميغاهرتز، و (C) الطاقة في 2.5، 3.5 و 4.5 ميغاهيرتز ultraharmonics. خطوط سميكة هي نموذج يعني، المناطق المظللة تشير إلى +/- 1 الانحراف المعياري. وكانت ظروف القيادة 1.0 ميغاهرتز، 0.50 ميجا باسكال ذروة الضغط السلبي، 1.0 مدة نبضة مللي ثانية، 200 مللي ثانية فترة تكرار النبض. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. البارامتر وحدة الحد الادني الحد الاقصي تردد ميغاهيرتز 0.02 15 الضغط (ذروة سلبية) الكروب الذهنيه 0.1 20 طول النبض دورات 1 الأسلحة الكيميائية دورة الواجب % 1 الأسلحة الكيميائية وقت التعرض s 10 1000 الجدول 1: موجز لمجموعة البارامترات المبلغ عنها التي تيسر وجود سونوبوين في المختبر.

Discussion

تم تغليف الخطوات الحاسمة لأي قياس صوتي من قبل Apfel في عام 198176 باسم “تعرف سائلك ، تعرف على مجال الصوت ، وتعرف عندما يحدث شيء ما”. وفي سياق هذا البروتوكول، تشمل هذه الخطوات معايرة المحولات ومحاذاتها وإعداد المياه وخطوات معالجة الفقاعات. أولا، من الضروري أن يتم معايرة الهيدروفون المستخدم لمعايرة محول القيادة و/أو PCD نفسه بدقة من خلال الخدمة الخارجية العادية أو المقارنة الداخلية بمعيار مرجعي. وبالمثل، يجب أن تتميز استجابة كل من محول القيادة و PCD بانتظام للتحقق من أي تغيير في الناتج و / أو فقدان الحساسية. إذا كانت ظروف القيادة والحصول على حساسية للنظام غير معروفة ، فسيكون من المستحيل استنتاج أي علاقة ذات مغزى بين ظروف التعرض ، والحيوانات الحيوية والانبعاثات الصوتية. وتتصل هذه المسألة مباشرة بمحاذاة المحولات مع بعضها البعض، وينبغي فحص غرفة العينة بعناية للتأكد من أن ظروف التعرض داخل الغرفة هي كما هو متوقع وأن حجم أخذ العينات ل PCD يتوافق مع المنطقة ذات الاهتمام. كما هو مبين، فإن درجة الحرارة ومحتوى الغاز من المتوسط تعليق يمكن أن تؤثر على النتائج النهائية بشكل كبير والاتساق مهم للغاية في هذا الصدد77،78. وبالمثل، يتطلب إعداد وتحديد وتوصيف ومناولة تعليق عامل التجويف اهتماما وثيقا جدا لضمان وجود توزيع وتركيز الحجم المتوقع للجسيمات داخل العينة. على سبيل المثال، إذا كان تركيز الفقاعات مرتفعا جدا، فسيكون هناك حماية فعالة لحجم العينة من حقل الحادث في الولايات المتحدة. وكلاء MB عرضة بشكل خاص للتدمير والتحام ويمكن العثور على مزيد من التوجيه بشأن التعامل معها في مولفانا وآخرون. آل. (2012)79.

مشكلة شائعة جدا مع الكشف عن إشارات التجويف هو تحقيق SNR كافية. ويرجع ذلك جزئيا إلى طبيعة الإشارة نفسها، كما هو موضح، ولكن قد يكون أيضا بسبب مصادر الضوضاء الكهربائية داخل المجموعة التجريبية. قد يساعد التحقق من الاتصالات بين مكونات النظام، ولا سيما تلك التي تتضمن الكابلات المحورية المشتركة، في القضاء على بعض هذه. قد يكون من الضروري استبدال أو إصلاح الكابلات المحورية المشتركة. كما يمكن أن يساعد تحديد وإزالة أو تعطيل المعدات الأخرى في المختبر مثل المضخات التي قد تسبب ضوضاء كهربائية. ويمكن أن يكون ضعف المطابقة بين مكونات النظام سببا آخر لضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء، كما يمكن أن يؤدي إلى تلف المعدات وينبغي فحصه بعناية. وينبغي أيضا التحقق من إعدادات التشغيل على مولد الإشارة والمنظار للتأكد من أنها تم تكوينها بشكل مناسب للتجربة ولم تعد إلى الإعدادات الافتراضية للشركة المصنعة. إذا كان هناك تدمير كبير للفقاعات أثناء المناولة ، في حالة SAT2 ، فقد يكون من المفيد إرفاق حقنة ثانية بمنفذ المنفذ واستخدام هذا لاستخراج السوائل برفق من الغرفة ، وبالتالي الرسم في التعليق. وهذا يمكن أن يساعد أيضا في القضاء على الفقاعات الكبيرة أو تمكين تدفق أثناء التعرض للولايات المتحدة، إذا رغبت في ذلك.

ليس من الممكن القضاء تماما على الانعكاسات الصوتية داخل غرفة العينة ، وبالتالي فإن حقل الحادث لن يكون موحدا تماما على حجم العينة بأكمله. وكما ورد في الخطوتين 1-3-2 و1-3-3، فإن قابلية النوافذ الصوتية لقابلية النقل تعتمد على التردد، وبالتالي ينبغي النظر بعناية في عرض النطاق الترددي المطلوب لقياسات الانبعاثات الصوتية. وعلى وجه الخصوص، قد تكون هناك انعكاسات متعددة هامة لمكونات التردد الأعلى. وهذا سبب آخر يجعل معايرة الميدان داخل النظام المجمع بالكامل مهمة جدا لتقليل عدم اليقين في ضغط الحوادث. وينبغي أيضا النظر في توجيه الإشارات المسجلة على نحو ملائم لتقليل آثار الانعكاسات المتعددة إلى أدنى حد ممكن. استخدام الأجهزة التجارية للراحة والحاجة إلى الشفافية الصوتية يعني أنه يجب التضحية ببعض الشفافية البصرية. وقد يؤثر ذلك على جودة التصوير اللاحق، على سبيل المثال، لتقييم صلاحية الخلية أو امتصاص الأدوية. بعض الأغشية المستخدمة في الأجهزة التجارية هي أيضا مسامية، وبالتالي، يحدث عزل ناقص بين غرفة العينة وحمام المياه المحيطة بها. وكما ذكر أعلاه، يمكن التخفيف من خطر التلوث المقابل باستخدام غرفة فرعية أصغر حجما، يمكن استبدال محتوياتها بانتظام. أجهزة زراعة الخلايا المشار إليها في جدول المواد هي مناسبة في المقام الأول لخلايا أحادية الطبقات التي قد لا تكون ممثلة للأنسجة من حيث جميع النعوت الحيوية بوساطة الولايات المتحدة / التجويف. كما سيؤثر قرب الخلايا من سطح صلب على ديناميكيات MB بطريقة قد لا تعكس الظروف في الجسم الحي، على سبيل المثال، تعزيز الميكروستريم والميكروجيتينج كما هو موضح في المقدمة. بيد أنه يمكن معالجة هذه القيود من خلال استبدال بسيط لنماذج الأنسجة البديلة.

والهدف من اقتراح تكنولوجيات المساعدة التقنية هو توفير وسيلة لتحسين إمكانية استنساخ ظروف التعرض الصوتي والانبعاثات الصوتية بين دراسات النبع البيولوجي بوساطة الولايات المتحدة، مما يؤمل أن ييسر فهما أفضل للآليات الأساسية وتطوير تقنيات رصد العلاج لتحسين السلامة والفعالية. وقد صممت النظم لتكون متوافقة مع أجهزة زراعة الخلايا المتاحة تجاريا، مما يتيح إجراء مجموعة واسعة من المقايسات البيولوجية وفقا لتطبيق الاهتمام وتمكين أداء التجارب ذات الإنتاجية العالية، مما يزيل الحاجة إلى إجراءات المحاذاة المستهلكة للوقت بين الأشواط. ومن خلال توحيد البروتوكولات الخاصة بتحديد خصائص ظروف التعرض والتقاط الانبعاثات الصوتية، يؤمل أن ينخفض التباين المعتمد على النظام. وسيعتمد نطاق المعلمات التي ينبغي استكشافها لتجربة معينة على التطبيق (التأثير البيولوجي المرغوب، ونوع الخلية، وعمق النسيج المستهدف إذا كان في الجسم الحي وما إلى ذلك) وطبيعة أي عامل تجويف يستخدم. وبالنظر إلى العدد الكبير من المتغيرات (التردد في الولايات المتحدة، وسعة الضغط، وطول النبض، وتردد تكرار النبض، وما إلى ذلك) فمن غير المرجح أن يكون الاستكشاف الكامل لمساحة المعلمة بأكملها أمرا عمليا. ومن مزايا البروتوكول المقترح أنه يمكن من إنشاء بعض الحدود على مساحة المعلمة هذه بسرعة. على سبيل المثال، فإنه يتيح تحديد الحد الأدنى من الضغط الذي يتم فيه توليد إشارة التجويف، والحد الأقصى للضغط أو طول النبض الذي يمكن استخدامه قبل حدوث انفصال/موت الخلية، والضغط الذي يتم فيه إنتاج التوافقيات الجزئية أو ضوضاء النطاق العريض. ويوصى بإجراء هذه المجموعة من قياسات النطاق كخطوة أولى في أي دراسة.

وكما هو معروض، صممت هذه الأنظمة لرصد الانبعاثات الصوتية في الوقت الحقيقي، مع إجراء عمليات فحص بيولوجية خارج نطاق التجربة. بيد أنه سيكون من السهل نسبيا تعديل SAT لتمكين المراقبة البصرية المباشرة لغرفة العينة عن طريق هدف المجهر. ويمكن أن يقترن ذلك بدوره بنظام مضان و/أو مجهري عالي السرعة للتمكين من مراقبة امتصاص المخدرات وديناميات الفقاعات، على سبيل المثال. ويشير ناتج ثنائي الفينيل متعدد الكلور كما هو معروض حاليا من حيث الجهد إلى ما يلي: ‘1’ أنواع سلوك التجويف ونسبه النسبية؛ ‘2’ أنواع سلوك التجويف ونسبه النسبية؛ ‘2’ العوامل التي يمكن أن تكون لها طبيعة من العوامل التي يمكن أن تصحو إلى النوعية التي يمكن أن تكون فيها النوعية من النوعية. ‘2’ إلى متى تستمر هذه السلوكيات التجويف؛ ‘3’ ما إذا كانت خصائص التعرض التراكمي الزمني الملاحظة مرتبطة بالآثار البيولوجية المعينة؛ و4) ما إذا كانت المستويات النسبية والسلوكيات المعتمدة على الوقت متسقة مع التجارب السابقة في نظام التعرض. وفي حين يمكن قياس حساسية الاستلام ل PCD كميا، من أجل توصيف الانبعاثات الصوتية بشكل موثوق من حيث الطاقة المطلقة، يلزم الحصول على معلومات مكانية إضافية. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق استبدال PCD مع مسبار صفيف لتنفيذ رسم الخرائط الصوتية السلبية (PAM)80. غير أن ذلك سيزيد من تعقيد معالجة الإشارات والوقت الحاسوبي والقوة المطلوبين.

ويمكن أيضا دمج أجهزة أخرى لقياس المقاومة الكهربائية للأغشية أو تطبيق أساليب الاستهداف المادي، مثل المجالات المغناطيسية. سيكون من الممكن أيضا استخدام هياكل الأنسجة ثلاثية الأبعاد مثل كرويدات الورم ، أو العضويات ، أو حتى عينات الأنسجة الحية السابقة على ركائز هلام “ناعمة” صوتيا بدلا من الطبقات الأحادية للخلايا لدراسة الآثار الأمريكية والتوسط في التجويف في بيئات الأنسجة الأكثر واقعية.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يشكر المؤلفون مجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية لدعمه هذا العمل من خلال منحة EP/L024012/1. كما يدعم VB مجلس بحوث الهندسة والعلوم الفيزيائية (EPSRC) ومجلس البحوث الطبية (منحة EP/L016052/1). VB وAV أشكر مؤسسة كلاريندون للمنح الدراسية بعد الدراسات العليا. AV أيضا بفضل كلية إكستر للحصول على منحة سانتاندر. الكتاب مدينون لجيمس فيسك وديفيد ساليسبري لمساعدتهما لا تقدر بثمن في تصنيع الجهاز. كما أنهم يعترفون بامتنان بمساهمات الدكتورين داريو كاروغو وجوشوا أوين في تطوير النموذج الأولي السابق من ال SATs.

Materials

Absorber Precision Acoustics APTFlex F28 panel 1.0 cm standard thickness
Amplifier (power) E&I Ltd. 1040L 400W power amplifier to drive ultrasound source
Amplifier (pre) Stanford Research Systems SR445A Fixed gain multi-stage preamplifier for PCD signals
Aquarium heater Aquael Ultra 50W Different models for different tank sizes.
Digitizer TiePie Engineering HS5-110-XM Extended memory option: 32M points per channel
Hydrophone Precision Acoustics FOH 0.01 mm diameter sensitive area minimises directivity effects
Microbubbles Bracco SonoVue FDA approved microbubbles
PCD mirror (SAT3) Olympus NDT F-102 90 degree beam reflection
PCD transducer Olympus NDT V320-SU Immersion transducer, 7.5MHz
PCD waterproof cable Olympus NDT BCU-58-1 W
PDMS (SAT2 compartment lid) Corning Sylgard 184 See Carugo et al. (2015) for preparation guidelines
Polymer rod (SAT2 seal) Zeus PTFE monofilament
Rubber plug (SAT3 lid/seal) VWR 391-2101 6mm bottom dia., 8mm top dia., red
Signal generator Agilent 33250 Waveform generator for ultrasound source
Substrate for cell exposure compartment, SAT2 Ibidi µ-Dish 35mm
Substrate for cell exposure compartment, SAT3 Corning Transwell 6.5mm
Ultrasound source (SAT3) Sonic Concepts H107 with central hole Use of a HIFU-capable source allows pressures >1MPa to be generated both at the focus and pre-focally for expanded spatial coverage
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Maier, A., Steidl, S., Christlein, V., Hornegger, J. Medical Imaging Systems – An Introductory Guide. Lecture Notes in Computer Science. , (2018).
  2. Tachibana, K., Tachibana, S. Albumin microbubble echo-contrast material as an enhancer for ultrasound accelerated thrombolysis. Circulation. 92, 1148-1150 (1995).
  3. Bao, S., Thrall, B. D., Miller, D. L. Transfection of a reporter plasmid into cultured cells by sonoporation in vitro. Ultrasound in Medicine and Biology. 23 (6), 953-959 (1997).
  4. Price, R. J., Skyba, D. M., Kaul, S., Skalak, T. C. Delivery of colloidal particles and red blood cells to tissue through microvessel ruptures created by targeted microbubble destruction with ultrasound. Circulation. 98 (13), 1264-1267 (1998).
  5. Theek, B., et al. Sonoporation enhances liposome accumulation and penetration in tumors with low EPR. Journal of Controlled Release. 231, 77-85 (2016).
  6. Dimcevski, G., et al. A human clinical trial using ultrasound and microbubbles to enhance gemcitabine treatment of inoperable pancreatic cancer. Journal of Controlled Release. 243, 172-181 (2016).
  7. Snipstad, S., et al. Ultrasound Improves the Delivery and Therapeutic Effect of Nanoparticle-Stabilized Microbubbles in Breast Cancer Xenografts. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (11), 2651-2669 (2017).
  8. Unga, J., Hashida, M. Ultrasound induced cancer immunotherapy. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 144-153 (2014).
  9. Yang, C., Du, M., Yan, F., Chen, Z. Focused ultrasound improves NK-92MI cells infiltration into tumors. Frontiers in Pharmacology. 10, 326 (2019).
  10. McDannold, N., Arvanitis, C. D., Vykhodtseva, N., Livingstone, M. S. Temporary disruption of the blood-brain barrier by use of ultrasound and microbubbles: Safety and efficacy evaluation in rhesus macaques. Cancer Research. 72 (14), 3652-3663 (2012).
  11. O’Reilly, M. A., Hynynen, K. Ultrasound and microbubble-mediated blood-brain barrier disruption for targeted delivery of therapeutics to the brain. Methods in Molecular Biology. 1831, 111-119 (2018).
  12. Mainprize, T., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Scientific Reports. 9, 321 (2019).
  13. Ebben, H. P., Nederhoed, J. H., Lely, R. J., Wisselink, W., Yeung, K. Microbubbles and UltraSound-accelerated Thrombolysis (MUST) for peripheral arterial occlusions: Protocol for a phase II single-arm trial. BMJ Open. 7, 014365 (2017).
  14. de Saint Victor, M., Barnsley, L. C., Carugo, D., Owen, J., Coussios, C. C., Stride, E. Sonothrombolysis with Magnetically Targeted Microbubbles. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (5), 1151-1163 (2019).
  15. Dixon, A. J., Li, J., Rickel, J. M. R., Klibanov, A. L., Zuo, Z., Hossack, J. A. Efficacy of Sonothrombolysis Using Microbubbles Produced by a Catheter-Based Microfluidic Device in a Rat Model of Ischemic Stroke. Annals of Biomedical Engineering. , (2019).
  16. Horsley, H., et al. Ultrasound-activated microbubbles as a novel intracellular drug delivery system for urinary tract infection. Journal of Controlled Release. 301, 166-175 (2019).
  17. Lattwein, K. R., et al. Sonobactericide: An Emerging Treatment Strategy for Bacterial Infections. Ultrasound in Medicine and Biology. 46 (2), 193-215 (2020).
  18. Crum, L. A., Fowlkes, J. B. Acoustic cavitation generated by microsecond pulses of ultrasound. Nature. 319, 52-54 (1986).
  19. Holland, C. K., Apfel, R. E. Thresholds for transient cavitation produced by pulsed ultrasound in a controlled nuclei environment. Journal of the Acoustical Society of America. 88, 2059-2069 (1990).
  20. Rifai, B., Arvanitis, C. D., Bazan-Peregrino, M., Coussios, C. C. Cavitation-enhanced delivery of macromolecules into an obstructed vessel. The Journal of the Acoustical Society of America. 128, (2010).
  21. Wu, J., Ross, J. P., Chiu, J. F. Reparable sonoporation generated by microstreaming. The Journal of the Acoustical Society of America. 111 (3), 1460-1464 (2002).
  22. Doinikov, A. A., Bouakaz, A. Acoustic microstreaming around a gas bubble. The Journal of the Acoustical Society of America. 127 (2), 703-709 (2010).
  23. De Cock, I., et al. Ultrasound and microbubble mediated drug delivery: acoustic pressure as determinant for uptake via membrane pores or endocytosis. Journal of Controlled Release Official Journal of the Controlled Release Society. 197, 20-28 (2015).
  24. Pereno, V., Lei, J., Carugo, D., Stride, E. Microstreaming inside Model Cells Induced by Ultrasound and Microbubbles. Langmuir. 36, 6388-6398 (2020).
  25. Chen, H., Brayman, A. A., Kreider, W., Bailey, M. R., Matula, T. J. Observations of translation and jetting of ultrasound-activated microbubbles in mesenteric microvessels. Ultrasound in Medicine and Biology. 37 (12), 2139-2148 (2011).
  26. Lentacker, I., De Smedt, S. C., Sanders, N. N. Drug loaded microbubble design for ultrasound triggered delivery. Soft Matter. 5, 2161-2170 (2009).
  27. Song, J. H., Moldovan, A., Prentice, P. Non-linear Acoustic Emissions from Therapeutically Driven Contrast Agent Microbubbles. Ultrasound in Medicine and Biology. 45 (8), 2188-2204 (2019).
  28. Ohl, C., Arora, M., Ikink, R., De Jong, N., Versluis, M., Delius, M. Sonoporation from Jetting Cavitation Bubbles. Biophysical Journal. 91 (11), 4285-4295 (2006).
  29. Li, Z. G., Liu, a. Q., Klaseboer, E., Zhang, J. B., Ohl, C. D. Single cell membrane poration by bubble-induced microjets in a microfluidic chip. Lab on a Chip. 13 (6), 1144-1150 (2013).
  30. Wang, Q. X., Manmi, K. Three dimensional microbubble dynamics near a wall subject to high intensity ultrasound. Physics of Fluids. 26, 032104 (2014).
  31. Suslick, K. S. . Ultrasound: Its Chemical, Physical, and Biological Effects. Radiology. , (1988).
  32. Mitragotri, S. Healing sound: the use of ultrasound in drug delivery and other therapeutic applications. Nature reviews. Drug discovery. 4 (3), 255-260 (2005).
  33. Mitragotri, S. Sonophoresis: Ultrasound-mediated transdermal drug delivery. Percutaneous Penetration Enhancers Physical Methods in Penetration Enhancement. , 3-14 (2017).
  34. Park, J., Lee, , et al. Enhanced Transdermal Drug Delivery by Sonophoresis and Simultaneous Application of Sonophoresis and Iontophoresis. AAPS PharmSciTech. 20 (3), 96 (2019).
  35. Lentacker, I., De Cock, I., Deckers, R., De Smedt, S. C., Moonen, C. T. W. Understanding ultrasound induced sonoporation: Definitions and underlying mechanisms. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 49-64 (2014).
  36. Wawryka, P., Kiełbik, A., Iwanek, G. Microbubble based sonoporation – the basics into clinical implications. Medical Research Journal. 4 (3), 178-183 (2019).
  37. Hilgenfeldt, S., Lohse, D., Zomack, M. Sound scattering and localized heat deposition of pulse-driven microbubbles. The Journal of the Acoustical Society of America. 107 (6), 3530-3539 (2000).
  38. Holt, R. G., Roy, R. A. Measurements of bubble-enhanced heating from focused, MHz-frequency ultrasound in a tissue-mimicking material. Ultrasound Medical Biology. 27 (10), 1399-1412 (2001).
  39. Tan, J., Li, P., Xue, H., Li, Q. Cyanidin-3-glucoside prevents hydrogen peroxide (H 2 O 2 )-induced oxidative damage in HepG2 cells. Biotechnology Letters. 42 (11), 2453-2466 (2020).
  40. Costley, D., et al. Treating cancer with sonodynamic therapy: A review. International Journal of Hyperthermia. 31 (2), 107-117 (2015).
  41. You, D. G., et al. ROS-generating TiO2 nanoparticles for non-invasive sonodynamic therapy of cancer. Scientific Reports. 6, 23200 (2016).
  42. Canavese, G., et al. Nanoparticle-assisted ultrasound: A special focus on sonodynamic therapy against cancer. Chemical Engineering Journal. 340, 155-172 (2018).
  43. Beguin, E., et al. Direct Evidence of Multibubble Sonoluminescence Using Therapeutic Ultrasound and Microbubbles. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (22), 19913-19919 (2019).
  44. Stride, E., et al. Microbubble Agents: New Directions. Ultrasound in Medicine and Biology. 46 (6), 1326-1343 (2020).
  45. Rapoport, N., Gao, Z., Kennedy, A. Multifunctional nanoparticles for combining ultrasonic tumor imaging and targeted chemotherapy. Journal of the National Cancer Institute. 99 (14), 1095-1106 (2007).
  46. Cao, Y., et al. Drug release from phase-changeable nanodroplets triggered by low-intensity focused ultrasound. Theranostics. 8 (5), 1327-1339 (2018).
  47. Zhang, L., et al. Mitochondria-Targeted and Ultrasound-Activated Nanodroplets for Enhanced Deep-Penetration Sonodynamic Cancer Therapy. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (9), 9355-9366 (2019).
  48. Delogu, L. G., et al. Functionalized multiwalled carbon nanotubes as ultrasound contrast agents. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (41), 16612-16617 (2012).
  49. Paris, J. L., et al. Ultrasound-mediated cavitation-enhanced extravasation of mesoporous silica nanoparticles for controlled-release drug delivery. Chemical Engineering Journal. 340, 2-8 (2018).
  50. Mannaris, C., et al. Gas-Stabilizing Gold Nanocones for Acoustically Mediated Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials. 7 (12), 1800184 (2018).
  51. Kwan, J. J., et al. Ultrasound-induced inertial cavitation from gas-stabilizing nanoparticles. Physical Review E – Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 92 (2), (2015).
  52. Kwan, J. J., et al. Ultrasound-Propelled Nanocups for Drug Delivery. Small. 11 (39), 5305-5314 (2015).
  53. Mannaris, C., et al. Microbubbles, Nanodroplets and Gas-Stabilizing Solid Particles for Ultrasound-Mediated Extravasation of Unencapsulated Drugs: An Exposure Parameter Optimization Study. Ultrasound in Medicine and Biology. 45, 954-967 (2019).
  54. Roovers, S., et al. The Role of Ultrasound-Driven Microbubble Dynamics in Drug Delivery: From Microbubble Fundamentals to Clinical Translation. Langmuir. 35, 10173-10191 (2019).
  55. Lentacker, I., Geers, B., Demeester, J., De Smedt, S. C., Sanders, N. N. Design and Evaluation of Doxorubicin-containing Microbubbles for Ultrasound-triggered Doxorubicin Delivery: Cytotoxicity and Mechanisms Involved. Molecular Therapy. 18 (1), 101-108 (2010).
  56. De Cock, I., Lajoinie, G., Versluis, M., De Smedt, S. C., Lentacker, I. Sonoprinting and the importance of microbubble loading for the ultrasound mediated cellular delivery of nanoparticles. Biomaterials. 83, 294-307 (2016).
  57. Roovers, S., et al. Sonoprinting of nanoparticle-loaded microbubbles: Unraveling the multi-timescale mechanism. Biomaterials. 217, 119250 (2019).
  58. Carugo, D., et al. Modulation of the molecular arrangement in artificial and biological membranes by phospholipid-shelled microbubbles. Biomaterials. 113, 105-117 (2017).
  59. Stride, E. P., Coussios, C. C. Cavitation and contrast: The use of bubbles in ultrasound imaging and therapy. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 224 (2), 171-191 (2010).
  60. Stride, E., Coussios, C. Nucleation, mapping and control of cavitation for drug delivery. Nature Reviews Physics. 1, 495-509 (2019).
  61. Dong, Y., et al. Antibiofilm effect of ultrasound combined with microbubbles against Staphylococcus epidermidis biofilm. International Journal of Medical Microbiology. 307 (6), 321-328 (2017).
  62. Van Rooij, T., et al. Vibrational Responses of Bound and Nonbound Targeted Lipid-Coated Single Microbubbles. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 64 (5), 785-797 (2017).
  63. Duan, X., Yu, A. C. H., Wan, J. M. F. Cellular Bioeffect Investigations on Low-Intensity Pulsed Ultrasound and Sonoporation: Platform Design and Flow Cytometry Protocol. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 66 (9), 1422-1434 (2019).
  64. Hu, Y., Wan, J. M. F., Yu, A. C. H. Membrane Perforation and Recovery Dynamics in Microbubble-Mediated Sonoporation. Ultrasound in Medicine and Biology. 39 (12), 2393-2405 (2013).
  65. Carugo, D., Owen, J., Crake, C., Lee, J. Y., Stride, E. Biologicallyand acoustically compatible chamber for studying ultrasound-mediated delivery of therapeutic compounds. Ultrasound in Medicine and Biology. 41 (7), 1927-1937 (2015).
  66. Pereno, V., et al. Layered acoustofluidic resonators for the simultaneous optical and acoustic characterisation of cavitation dynamics, microstreaming, and biological effects. Biomicrofluidics. 12 (3), 034109 (2018).
  67. Fan, Z., Liu, H., Mayer, M., Deng, C. X. C. X. Spatiotemporally controlled single cell sonoporation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (41), 16486-16491 (2012).
  68. Helfield, B., Chen, X., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. Biophysical insight into mechanisms of sonoporation. Proceedings of the National Academy of Sciences. , (2016).
  69. Helfield, B. L., Chen, X., Qin, B., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. Mechanistic Insight into Sonoporation with Ultrasound-Stimulated Polymer Microbubbles. Ultrasound in Medicine and Biology. 43 (11), 2678-2689 (2017).
  70. Aron, M., Vince, O., Gray, M., Mannaris, C., Stride, E. Investigating the Role of Lipid Transfer in Microbubble-Mediated Drug Delivery. Langmuir. 35 (40), 13205-13215 (2019).
  71. Kinsler, L. E., Frey, A. R., Coppens, A. B., Sanders, J. V. . Fundamentals of Acoustics, 4th Edition. , (2000).
  72. Wear, K. A. Considerations for Choosing Sensitive Element Size for Needle and Fiber-Optic Hydrophones-Part I: Spatiotemporal Transfer Function and Graphical Guide. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 66 (2), 318-339 (2019).
  73. Stoica, P., Moses, R. . Spectral Analysis of Signals. , (2005).
  74. Lyka, E., Coviello, C., Kozick, R., Coussios, C. C. Sum-of-harmonics method for improved narrowband and broadband signal quantification during passive monitoring of ultrasound therapies. Journal of the Acoustical Society of America. 140 (1), 741-754 (2016).
  75. Barrack, T., Stride, E. Microbubble Destruction During Intravenous Administration: A Preliminary Study. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (3), 515-522 (2009).
  76. Apfel, R. E. Acoustic cavitation. Methods in Experimental Physics. 19, 355-411 (1981).
  77. Mulvana, H., Stride, E., Tang, M. X., Hajnal, J. V., Eckersley, R. J. The Influence of Gas Saturation on Microbubble Stability. Ultrasound in Medicine and Biology. 38 (6), 1097-1100 (2012).
  78. Mulvana, H., Stride, E., Hajnal, J. V., Eckersley, R. J. Temperature dependent behavior of ultrasound contrast agents. Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (6), 925-934 (2010).
  79. Mulvana, H., Eckersley, R. J., Tang, M. X., Pankhurst, Q., Stride, E. Theoretical and Experimental Characterisation of Magnetic Microbubbles. Ultrasound in Medicine and Biology. 38 (5), 864-875 (2012).
  80. Coviello, C., et al. Passive acoustic mapping utilizing optimal beamforming in ultrasound therapy monitoring. Journal of the Acoustical Society of America. 137 (5), 2573-2585 (2015).

Tags

Cavitation Enhanced TherapyBench-top System DesignData CollectionAnalysisIn-vitro StudyCavitation MonitoringSample AlignmentCellular AnalysisDrug DeliverySonoporationSonoprintingReproducibilityControlsElectrical NoiseDegassed LiquidDissolved OxygenUltrasound SourceCavitation AgentMicro BubblesSterilizationCell Compartment

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Gray, M., Vasilyeva, A. V., Brans, V., Stride, E. Studying Cavitation Enhanced Therapy. J. Vis. Exp. (170), e61989, doi:10.3791/61989 (2021).
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