यह प्रोटोकॉल जेल प्रेतों में cavitation के नियंत्रणीय nucleation को दर्शाता है, दोनों के पास अवरक्त स्पंदित लेजर प्रकाश और उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (HIFU) के लिए एक साथ प्रदर्शन के माध्यम से । cavitation गतिविधि तो इमेजिंग और/HIFU के चिकित्सीय उपयोग को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
इस अध्ययन में, plasmonic गोल्ड नैनोकणों एक साथ ऊतक नकल उतार जेल प्रेतों में cavitation के नियंत्रणीय nucleation के लिए स्पंदित निकट अवरक्त लेजर प्रकाश और उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (HIFU) के संपर्क में थे । इन विट्रो प्रोटोकॉल में इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता प्रदर्शित करने के लिए विकसित किया गया था, दोनों इमेजिंग और कैंसर के लिए चिकित्सीय अनुप्रयोगों के संवर्धन के लिए. एक ही उपकरण HIFU प्रणाली के जोखिम की अवधि अलग करके दोनों इमेजिंग और चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । कम अवधि के जोखिम के लिए (10 µs), ब्रॉडबैंड ध्वनिक उत्सर्जन सोने नैनोकणों के आसपास inertial cavitation के नियंत्रित nucleation के माध्यम से उत्पंन किया गया । ये उत्सर्जन नैनोकणों के प्रत्यक्ष स्थानीयकरण प्रदान करते हैं । भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए, इन कणों आणविक लक्ष्यीकरण एंटीबॉडी के साथ कार्यात्मक हो सकता है (जैसे स्तन कैंसर के लिए विरोधी HER2) और कैंसर क्षेत्रों के सटीक स्थानीयकरण प्रदान कर सकते हैं, नियमित नैदानिक अल्ट्रासाउंड इमेजिंग पूरक । लगातार लहर (CW) जोखिम के लिए, cavitation गतिविधि जेल प्रेतों में बड़ा थर्मल क्षति में जिसके परिणामस्वरूप HIFU जोखिम से स्थानीयकृत हीटिंग को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया गया था । इन CW जोखिम के दौरान inertial cavitation गतिविधि से उत्पन्न ध्वनिक उत्सर्जन cavitation गतिविधि की प्रतिक्रिया प्रदान करने के लिए एक निष्क्रिय cavitation डिटेक्शन (PCD) प्रणाली का उपयोग कर निगरानी की गई थी । वृद्धि हुई स्थानीयकृत हीटिंग केवल नैनोकणों, लेजर प्रकाश और HIFU के अद्वितीय संयोजन के माध्यम से प्राप्त किया गया था । कैंसर के पूर्व नैदानिक मॉडलों में इस तकनीक के आगे सत्यापन आवश्यक है.
उच्च तीव्रता केंद्रित अल्ट्रासाउंड (HIFU), या ध्यान केंद्रित अल्ट्रासाउंड सर्जरी (FUS), एक गैर-है और गैर इनवेसिव तकनीक है कि चमड़े के नीचे ऊतक1के थर्मल पृथक के लिए प्रयोग किया जाता है । HIFU का मुख्य उपयोग कोमल ऊतक ट्यूमर2के उपचार में है, लेकिन यह अन्य अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा करने के लिए शुरू कर रहा है, इस तरह के उपचार के रूप में अस्थि ट्यूमर3 या तंत्रिका विज्ञान शर्तों4. वहां दो मुख्य कारक है कि क्लिनिक में HIFU के व्यापक उपयोग की सीमा: सबसे पहले, उपचार मार्गदर्शन में कठिनाइयों और दूसरे, लंबे समय से उपचार5बार कर रहे हैं । HIFU, स्पंदित लेजर रोशनी का संयोजन है, और plasmonic गोल्ड nanorods इस विधि द्वारा वर्णित के लिए6HIFU के लिए वर्तमान सीमाओं को दूर करने के लिए एक रास्ता प्रदान कर सकता है ।
HIFU जोखिम के दौरान, ऊतक पृथक के प्रमुख तंत्र थर्मल क्षति है । हालांकि, cavitation गतिविधि भी एक भूमिका8खेल सकते हैं । cavitation गतिविधि है कि HIFU जोखिम के दौरान होता है दोनों यांत्रिक और/या थर्मल मध्यस्थता cavitation से मिलकर कर सकते हैं । यांत्रिक रूप से मध्यस्थता cavitation आमतौर पर ध्वनिक cavitation7, जो आगे या तो गैर inertial या inertial9 व्यवहार के दौर से गुजर बुलबुले के रूप में वर्गीकृत किया जाता है के रूप में संदर्भित किया जाता है । थर्मल मध्यस्थता cavitation गैस जेब के गठन से है, पूर्व समाधान या वाष्पीकरण के माध्यम से, और सामांयतः ‘ उबलते ‘10के रूप में जाना जाता है । cavitation गतिविधि, सबसे अधिक सामांयतः inertial cavitation, HIFU एक्सपोजर11 के माध्यम से प्राप्त ताप ताप दरों को बढ़ाने के लिए दिखाया गया है और इस प्रकार अपनी महत्वपूर्ण सीमाओं में से एक को संबोधित करने में मदद । हालांकि, गठन और HIFU जोखिम के दौरान cavitation की गतिविधि अप्रत्याशित हो सकता है और इस तरह के अधिक इलाज क्षेत्रों, या विषम थर्मल पृथक12के रूप में नकारात्मक प्रभाव के लिए नेतृत्व कर सकते हैं । HIFU एक्सपोजर के दौरान cavitation गतिविधि को नियंत्रित करने के लिए, बाहरी नाभिक की शुरूआत की जांच की गई है । इनमें microbubbles13, फेज-शिफ्ट nanoemulsions14 या plasmonic नैनोकणों15का फार्म ले सकते हैं । दोनों microbubbles और nanoemulsions इमेजिंग और बढ़ाया थर्मल ablations के लिए संकेत करने के लिए शोर में सुधार दिखाया गया है । हालांकि, उनके क्षणिक प्रकृति का मतलब है कि वे दोहराया HIFU जोखिम पर सीमित कार्यक्षमता है । HIFU जोखिम के दौरान cavitation गतिविधि की निगरानी या तो सक्रिय या निष्क्रिय cavitation डिटेक्शन (एसीडी या PCD, क्रमशः) का उपयोग किया जाता है । PCD cavitation का पता लगाने के लिए एक इष्ट तकनीक है, क्योंकि यह HIFU एक्सपोजर के साथ समवर्ती प्रदर्शन किया जा सकता है और वर्णक्रमीय सामग्री जानकारी प्रदान करता है । इस वर्णक्रमीय सामग्री तो आगे की मदद cavitation16होने वाली गतिविधि के प्रकार की पहचान करने के लिए विश्लेषण किया जा सकता है । ब्रॉडबैंड ध्वनिक उत्सर्जन का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इन उत्सर्जन inertial cavitation10 की उपस्थिति के लिए अद्वितीय है और बढ़ाया HIFU हीटिंग11से जुड़े हुए हैं ।
Photoacoustic इमेजिंग (पै) एक उभरती हुई नैदानिक इमेजिंग तकनीक17है, जो अल्ट्रासाउंड इमेजिंग18के उच्च संकल्प के साथ स्पंदित लेजर उत्तेजना के वर्णक्रमीय selectivity को जोड़ती है । यह पहले HIFU जोखिम19गाइड किया गया है, लेकिन इस इमेजिंग तकनीक लेजर प्रकाश की पैठ गहराई तक सीमित है । Plasmonic गोल्ड नैनोकणों के रूप में कार्य करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ‘ इसके विपरीत ‘ एजेंट लेजर प्रकाश के स्थानीय अवशोषण में वृद्धि और बाद में photoacoustic उत्सर्जन20के आयाम । पर्याप्त रूप से उच्च लेजर प्रवाह के लिए, यह सूक्ष्म वाष्प बुलबुले कि उच्च स्थानीयकृत इमेजिंग21के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है की पीढ़ी के कारण संभव है । हालांकि, इन जोखिम का स्तर आम तौर पर22मनुष्यों में लेजर प्रकाश के उपयोग के लिए अधिकतम स्वीकार्य जोखिम सीमा से अधिक है, और इस तरह का उपयोग सीमित है । इस अध्ययन में कार्यरत विधि पहले से पता चला है कि एक साथ दोनों लेजर रोशनी और HIFU, लेजर को प्रभावित करने और ध्वनिक इन छोटे वाष्प बुलबुले nucleate करने की जरूरत दबाव नाटकीय रूप से कम है plasmonic नैनोकणों को उजागर, और इमेजिंग के लिए सिग्नल-टू-शोर अनुपात23बढ़ा है । एक विधि दोनों लेजर और nucleation और वाष्प बुलबुले की गतिविधि के लिए एक उच्च नियंत्रणीय तकनीक के लिए HIFU जोखिम के साथ plasmonic नैनोकणों के संयोजन के लिए यहां वर्णित है ।
इस प्रोटोकॉल चार अलग वर्गों में विभाजित है, के माध्यम से ऊतक नकल उतार प्रेत के निर्माण का वर्णन उन में CW जोखिम के लिए थर्मल जनित विकार का उत्पादन करने के लिए । प्रेतों के इस विकार HIFU1करने के लिए उजागर नरम ऊतक द्वारा अनुभवी थर्मल उत्पन्न जमावट परिगलन simulates. उनके निर्माण में यह सुनिश्चित करना जरूरी है कि अनुप और TEMED का अनुपात ऐसा हो कि प्रक्रिया भी जल्दी उत्प्रेरित न हो. इस प्रक्रिया के रूप में अमबर है, तेजी से इस दर, उच्च तापमान25 तक पहुंच गया और इस तरह BSA प्रोटीन जोखिम से पहले स्वभाव सकता है । इस प्रोटोकॉल में TEMED करने के लिए ए पी एस का अनुपात इस तरह है कि यह नहीं होना चाहिए सेट किया गया है, लेकिन मोल्ड को आगे इस संभावना को कम करने के लिए जेल के polymerizing के दौरान बर्फ के पानी में रखा जा सकता है ।
इस प्रोटोकॉल के रूप में नैनोकणों के संयोजन के माध्यम से cavitation के nucleation पर केंद्रित है, लेजर रोशनी और HIFU एक्सपोजर, जेल प्रेतों के निर्माण में एक महत्वपूर्ण कदम है उन्हें शूंय के तहत 30 मिनट की एक ंयूनतम के लिए degas । एक बार HIFU को उजागर (विशेष रूप से CW जोखिम), भले ही एक थर्मल घाव मौजूद नहीं था, यह जेल प्रेतों में एक ताजा स्थान को लक्षित करने के लिए मौजूदा नाभिक से बचने के लिए महत्वपूर्ण है । जब कंप्यूटर नियंत्रित अनुवाद प्रणाली का उपयोग कर प्रेत चलती यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि HIFU ध्यान की गहराई (और इस प्रकार गठबंधन क्षेत्र) लगातार रखा जाता है । यह सुनिश्चित करता है कि HIFU दबाव और लेजर स्तर को प्रभावित प्रत्येक विशिष्ट जोखिम पैरामीटर के लिए समान हैं । इस प्रोटोकॉल के लिए और प्रेत धारक के प्रारंभिक स्थान के बाद, यह तो केवल ऊर्ध्वाधर धुरी में अनुवाद किया है ।
वे एक थर्मल घावों के गठन की निगरानी के लिए एक दृश्य तंत्र प्रदान करते हैं के रूप में तापमान के प्रति संवेदनशील ऊतक नकल करने वाली जैल HIFU अनुसंधान समुदाय25द्वारा व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है । यह अध्ययन उंहें नैनोकणों के साथ संयोजन और नियंत्रित cavitation गतिविधि के माध्यम से घाव गठन करने के लिए प्रदान की वृद्धि का प्रदर्शन करने का पहला उदाहरण था । हालांकि, हालांकि वे ऊतक-नकल उतार तापमान के लिए उनकी प्रतिक्रिया के लिए के रूप में वर्गीकृत कर रहे हैं, दोनों अपने ऑप्टिकल और ध्वनिक क्षीणन नहीं कर रहे हैं । जैल में घाव के गठन की कल्पना करने की आवश्यकता के कारण, प्रेतों के निकट पारदर्शी, एक मामूली पीले रंग के साथ कर रहे हैं । के रूप में लेजर प्रवाह के लिए इस खाते में समायोजित है, इसका मतलब यह है कि लेजर प्रकाश लक्ष्य क्षेत्र रोशन के बजाय प्रसार के रूप में सामांय ऊतक के लिए होगा collimated है । इस प्रकार नैदानिक अनुवाद के लिए अनुमति देने के लिए कई प्रदीप्ति स्रोतों सतह पर पर्याप्त प्रवाह को सुनिश्चित करने की जरूरत होगी । वर्तमान में यह काम त्वचा के संपर्क में आने पर पराबैंगनीकिरण के सुरक्षित उपयोग के लिए दिशानिर्देशों22 का पालन करता है । यह अधिकतम लेजर गहराई से प्राप्त करने के लिए प्रवाह को सीमित करेगा; इस प्रकार, इस तकनीक को शुरू में ऐसे स्तन, या सिर और गर्दन के रूप में सतही कैंसर के इलाज के लिए अनुकूल होगा । इसके अलावा, plasmonic नैनोकणों कैंसर के इन प्रकार के लिए रिसेप्टर्स सतह को लक्षित उपचार में वृद्धि की selectivity प्रदान कर सकता है । हालांकि, भले ही यह अनुसंधान का एक अत्यधिक सक्रिय क्षेत्र है, कोई ऐसी कणों वर्तमान में नैदानिक उपयोग के लिए अनुमोदित कर रहे हैं ।
नैनोकणों के साथ प्रेतों के ध्वनिक क्षीणन 0.7 ± 0.2 डीबी होने के लिए मापा गया था/cm6, और, 3-4 dB के नरम ऊतक के लिए मूल्य के साथ तुलना/ इस प्रकार, इन जैल में HIFU जोखिम से हीटिंग नरम ऊतक में मनाया जाएगा की तुलना में कम होगा । यह दिखा दिया गया है कि जेल के लिए कांच मोती के अलावा क्षीणन कोमल ऊतक25के समान स्तर बढ़ जाती है । हालांकि, इस आवेदन में, इस दृष्टिकोण संभव नहीं है के रूप में इन मोतियों नैनोकणों के अभाव में भी cavitation गतिविधि के लिए एक nucleation स्रोतों कार्य करेंगे, और इस प्रकार cavitation थ्रेशोल्ड misrepresent । जब चोई एट अल द्वारा अध्ययन से परिणामों के साथ के लिए हीटिंग दक्षता की तुलना । (२०१३) 25, थर्मल घावों 14-23 MPa की चोटी दबाव पर्वतमाला में उत्पंन किया गया (यह नहीं कहा गया है अगर यह पीक सकारात्मक या नकारात्मक दबाव था) । इस के रूप में १.१ मेगाहर्ट्ज पर प्रदर्शन किया गया था, प्रेतों में क्षीणन इस अध्ययन में इस्तेमाल से कम था । फिर भी, इस अध्ययन में nanoparticle-nucleated दृष्टिकोण १.१९ से ३.१९ MPa को लेकर दबाव में इन प्रेतों में थर्मल घावों उत्पन्न करने में सक्षम था, इस प्रकार वर्तमान के तरीकों पर एक वृद्धि की क्षमता का प्रदर्शन.
इस पद्धति के लिए भविष्य के परीक्षण में एक vivo मॉडल में ट्यूमर की कमी, ऊतक छिड़काव, नैनोकणों और प्रासंगिक ध्वनिक क्षीणन मापदंडों के आणविक लक्ष्यीकरण शामिल करने के लिए किया जाना चाहिए ।
The authors have nothing to disclose.
यह कार्य EPSRC ग्रांट EP/J021156/1 द्वारा समर्थित किया गया था । लेखक के लिए एक जल्दी कैरियर Leverhulme फैलोशिप (ECF-2013-247) से समर्थन स्वीकार करना चाहते हैं ।
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 |