השראת מיקרו-סטרימינג על ידי תנודות בועות לא כדוריות במערכת ריחוף אקוסטית

Summary

טכניקה מהירה ואמינה מוצעת לשליטה בתנודות הצורה של בועה אקוסטית אחת לכודה המבוססת על טכניקת התלכדות בין שתי בועות. תנודות צורת הבועה במצב יציב ומבוקרות סימטריה מאפשרות ניתוח של זרימת הנוזל הנוצרת בקרבת ממשק הבועות.

Abstract

כאשר הן ממוקמות ליד מחסומים ביולוגיים, מיקרו-בועות מתנדנדות עשויות להגביר את חדירות קרום התא, ולאפשר הפנמה של תרופות וגנים. תצפיות ניסיוניות מצביעות על כך שהחדירות הזמנית של מחסומים אלה עשויה לנבוע מלחץ גזירה המופעל על רקמות התא על ידי מיקרו-זרם קוויטציה. מיקרו-סטרימינג קביטציה הוא יצירה של זרמי מערבולות המתעוררים סביב מיקרו-בועות אולטרסאונד מתנדנדות. כדי לייצר זרימות נוזליות כאלה, תנודות הבועות חייבות לסטות מתנודות כדוריות גרידא ולכלול חוסר יציבות תרגומית או מצבי צורה. מחקרים ניסיוניים של זרימות המושרות על ידי בועות ולחץ גזירה על משטחים סמוכים מוגבלים לעתים קרובות בהיקפם בשל הקושי ללכוד עיוותים צורניים של מיקרו-בועות באופן יציב וניתן לשליטה. אנו מתארים תכנון של תא ריחוף אקוסטי לחקר תנודות לא כדוריות מבוקרות סימטריה. בקרה כזו מתבצעת באמצעות טכניקת התלכדות בין שתי בועות מתקרבות בשדה אולטרסאונד אינטנסיבי מספיק. השליטה בתנודות לא כדוריות פותחת את הדרך למיקרו-סטרימינג מבוקר של מיקרו-בועות חופשיות המתנדנדות על פני השטח. מצלמות בקצב פריימים גבוה מאפשרות לחקור בו זמנית את דינמיקת הבועות הלא כדוריות בסקאלת הזמן האקוסטית ואת זרימת הנוזל בסקאלת זמן נמוכה יותר. ניתן לראות כי ניתן להשיג מגוון רחב של דפוסי נוזלים וכי הם מתואמים עם התוכן המודאלי של ממשק הבועה. אנו מראים שאפילו מצבי צורה מסדר גבוה יכולים ליצור תבניות נוזל למרחקים גדולים אם דינמיקת הממשק מכילה מספר מצבים, המדגישים את הפוטנציאל של תנודות לא כדוריות לאספקת תרופות ממוקדת ומקומית.

Introduction

ברפואה, תרופה הניתנת חייבת לחדור מכשולים רבים במערכת החיים לפני שתגיע למטרות הרצויות. עם זאת, רוב התרופות מנוקות במהירות מזרם הדם. יעילות המיקוד נמוכה והם אינם יכולים לחצות בקלות את קרום התא, מה שמוביל לאספקת תרופות לא יעילה. כיום, השימוש במיקרו-בועות בשילוב עם אולטרסאונד הוצע כשיטה חדשנית להעברה לא פולשנית, מדויקת וממוקדת של תרופות וגנים לרקמות ותאים פתולוגיים¹. בגישה זו, מיקרו-בועות יכולות למלא תפקיד כנשאיות שבהן תרופות חופשיות מוזרקות יחד עם תרחיף בועת גז או נטענות על פני השטח שלה. מיקרו-בועות יכולות לשמש גם כווקטור מקומי למיקוד מחדש של אנרגיית האולטרסאונד על מנת לקיים אינטראקציה עם התאים. בעיקרון, תחת חשיפה לאולטרסאונד, בועות נדחסות ומתרחבות ביציבות, משטר הנקרא קוויטציה יציבה המייצרת זרימות נוזלים ומכאן לחץ גזירה על עצמים קרובים. מיקרו-בועות עשויות גם להתנדנד באופן לא ליניארי ולהתרחב עד להתמוטטות, במשטר של קוויטציה אינרציאלית, ולייצר גלי הלם המתפשטים רדיאלית מאתר הקריסה². הוכח כי קוויטציה, יציבה או אינרציאלית, משפרת את החדירות של קרום התא, ובכך מגבירה את הפנמת התרופות לתוך התא³.

ביישומים טיפוליים, הבנת מנגנון האינטראקציה בין תא הבועה חשובה מאוד, אך ישנם מספר חסמים, הן מהצד המדעי והן מהצד הטכני, המונעים מהידע שלנו להתקדם. ראשית, קשה מאוד ללכוד את הדינמיקה של תאים בתגובה לגירויים מכניים הנגרמים על ידי בועות⁴. בסקאלת הזמן האקוסטית, תנודות המיקרו-בועות מסדר ראשון יכולות להוביל להפעלה של תעלות ממברנה, מה שמקל על מעבר מולקולרי בין ממשקים ביולוגיים. זה קורה באמצעות תנודה ישירה של קרום התא, המכונה גם “עיסוי תאי”⁵. הפעלת תעלה בעקבות לחץ מכני ישיר הודגמה באמצעות טכניקות מהדק טלאי שמדדו תכונות אלקטרופיזיולוגיות של קרום התא במהלך ואחרי חשיפה לאולטרסאונד⁶. מדידת דינמיקה תאית הנגרמת על ידי בועות (כלומר שדה העיוות המלא של קרום התא) בסקאלת הזמן האקוסטית, תספק גם תובנות לגבי סף התרחבות שטח הממברנה Δ A/A הנדרש כדי לגרום לנקבוביות לתוך קרום התא⁷. המחסום השני הוא שליטה במשטר הבועות הקורסות כדי למנוע ליזה של תאים הנגרמת על ידי מיקרו-בועות. קריסת בועות ומיקרו-סילונים מושרים זוהו כמנגנון שבאמצעותו מתרחש ניקוב הממברנה ^8,9. לאחר החדירה, קרום התא מתקן באמצעות איטום עצמי של סידן של שתי שכבות השומנים ואיחוי של שלפוחיות תוך תאיות⁹. התרחשות של קריסת בועות עלולה גם לגרום לנזקים קטלניים לתא ולגרום לתופעות לוואי מיותרות בתאים הסובבים אותו. ביישומים רגישים כגון פתיחת מחסום דם-מוח בתיווך אולטרסאונד, מקובל כי יש להימנע מקריסת בועות אינרציאליות¹⁰.

לכן, מאמצים אדירים מוקדשים כיום לתכנון רצפי פליטת אולטרסאונד, יחד עם ניטור ובקרה פסיביים של קוויטציה, על מנת להבטיח תנודות יציבות של מיקרו-בועות¹¹. במשטר יציב זה, הועלתה השערה כי בועות מתנדנדות ביציבות ממלאות תפקיד חזק בהפעלת חדירת הממברנה על ידי קידום לחץ גזירה ממוקד מרחבית על קרום התא⁷. עקת הגזירה נובעת מזרימות הנוזל הנוצרות בקרבת הבועות המתנדנדות. זרימות נוזליות אלה נקראות מיקרו-זרם קוויטציה, וכפי שהוזכר לעיל, הן אחד מכמה מנגנונים אפשריים האחראים לספיגה מוגברת של מולקולות חוץ-תאיות. כאשר מתמודדים עם השעיה של בועות או תאים כגון טרנספקציות ביולוגיות במבחנה¹², חלחול על ידי מיקרו-סטרימינג עשוי להיות יעיל הרבה יותר מאשר חלחול על ידי קריסת בועות. ניתן להראות זאת על ידי שיקול גיאומטרי פשוט. בתרחיפים של תאים, סונופורציה תהיה יעילה אם רוב התאים המרחפים מוגשים להשפעות מכניות גדולות מספיק (מה שמוביל לחדירות הממברנה). ידוע שקריסת בועות מכוונות לכיוון שבירת הסימטריה האיזוטרופית, כגון ציר קיר הבועה¹³ או קו הבועה-בועה וקו תאי הבועה המתחברים למרכז המסה¹⁴ שלהם. המיקרו-סילון המיוצר הוא אפוא תופעה מרחבית-מקומית לאורך מספר סופי של קווים המצטרפים למרכזי התא והבועות. בהתאם לריכוז התא והבועה, כמו גם למרחק תא הבועה, השפעה זו עשויה שלא להיות היעילה ביותר לחדור את כל מספר התאים המרחפים . לעומת זאת, מיקרו-סטרימינג קוויטציה הוא תופעה המתרחשת בסקאלת זמן איטית, עם התרחבות מרחבית גדולה בהשוואה לרדיוס הבועה. כמו כן, זרימת הנוזל מפוזרת סביב הבועה, ולכן עשויה להשפיע על מספר גדול יותר של תאים, בטווח ארוך מאוד. לכן, הבנת המיקרו-זרימה של הקוויטציה הנוצרת סביב בועה מתנדנדת היא תנאי מוקדם לשליטה וכימות של עקה גזירה הנגרמת על ידי בועה המופעלת על תאים.

כדי לעשות זאת, שלב מקדים מורכב משליטה בתנודות הכדוריות והלא כדוריות של בועה מונעת אולטרסאונד, שכן זרימות הנוזל הנוצרות מושרות על ידי תנועת ממשק הבועות^15,16. בפרט, תנודות צורה של מיקרו-בועות צריכות להיות מופעלות ולשמור על יציבות. יתר על כן, יש לשלוט בכיוון תנודות צורת הבועה כדי לנתח כראוי את המתאם בין דינמיקת ממשק הבועות לבין תבנית המיקרו-זרימה המושרה. כאשר מסכמים את הספרות הקיימת, ברור כי תוצאות ניסוי מפורטות של מיקרו-סטרימינג המושרה על ידי קוויטציה זמינות רק עבור בועות המחוברות למשטח. מיקרו-בועות המחוברות לקיר משמשות בדרך כלל להערכת דינמיקת ממשק מדויקת ואינטראקציות תאים בקנה מידה מיקרומטרי תחת מערכת מיקרוסקופיה מהירה במיוחד. תצורה זו רלוונטית מבחינה טיפולית כאשר בוחנים מיקרו-בועות רוטטות הממוקמות על קרום התא^17,18,19. עם זאת, המחקר של בועה המחוברת למצע עשוי להפוך את ניתוח דינמיקת הבועות למסובך יותר, בין היתר בשל האופי המורכב של דינמיקת קו מגע²⁰, והפעלת מצבי צורה אסימטריים²¹. ביישומים רפואיים וביולוגיים, בועות שאינן מחוברות לקיר נמצאות בדרך כלל בגאומטריות סגורות כגון כלי דם קטנים. זה משפיע באופן משמעותי על דינמיקת הבועות ועל חוסר יציבות בצורה. בפרט, נוכחותו של קיר סמוך מזיזה את סף הלחץ עבור מצב צורה ומפעילה ערכי לחץ נמוכים יותר בהתאם למספר מצב הצורה ולגודל הבועה²². הקיר משפיע גם על המיקרו-סטרימינג המושרה על ידי בועות עם עוצמה גבוהה יותר עבור הזרימה המיוצרת²³.

בין כל התרחישים האפשריים שמיקרו-בועות עשויות לחוות (חופשיות או מחוברות, קרובות לקיר, קורסות או מתנדנדות ביציבות), אנו מציעים לחקור את הדינמיקה הלא-כדורית של בועה בודדת הרחוקה מכל גבול. מערך הניסוי מבוסס על מערכת ריחוף אקוסטי²⁴ שבה נעשה שימוש בגל אולטרסאונד עומד כדי ללכוד את הבועה. תרחיש זה עולה בקנה אחד עם יישומים רפואיים שבהם אוסף של בועות ותאים מרחפים מתקיימים יחד בתא סונוטרנספקציה, למשל. ככל שבועות ותאים אינם קרובים מדי, ההנחה היא כי נוכחותו של תא אינה משפיעה על הדינמיקה של ממשק הבועה. כאשר תאים עוקבים אחר המסלולים דמויי הלולאה של המיקרו-זרם המושרה על ידי קוויטציה, הם מתקרבים באופן מחזורי ודוחים את מיקום הבועה, ואנו יכולים להניח שנוכחות התא אינה משפיעה על תבנית הזרימה או על מהירותה הממוצעת. בנוסף, דינמיקה לא כדורית ומיקרו-זרם מושרה מבועות בודדות הרחוקות מהגבול ידועות היטב מנקודת מבט תיאורטית. על מנת לקשר את זרימת הנוזל המושרה על ידי הבועה לדינמיקה של קווי המתאר של הבועה, נדרש לאפיין במדויק את דינמיקת ממשק הבועות. לשם כך, עדיף להתאים את קנה המידה המרחבי-זמני במחקרים ניסיוניים ביחס לאלה המשמשים בטיפולים, כך שרכישה עם מצלמות מהירות נפוצות (מתחת למיליון פריימים לשנייה) תתאפשר באמצעות בועות גדולות המעוררות בתדרים נמוכים יותר. כאשר בוחנים בועות לא מצופות, התדירות העצמית ω n של מצב נתון _n קשורה לגודל הבועה ^כ-25. יחס רדיוס-תדר עצמי זה משתנה מעט כאשר בוחנים בועות פגזיות²⁶, אך סדר הגודל של התדר העצמי ω_n נשאר זהה. לפיכך, חקירת בועות עם רדיוסי שיווי משקל ~50μm בשדה אולטרסאונד של 30 קילוהרץ דומה לחקר בועות מצופות של רדיוסים ~3μm בשדה של 1.7 MHz, כפי שהוצע על ידי Dollet et ^al.27. לכן צפויים מספרי מצב צורה דומים ולכן דפוסי מיקרו-סטרימינג.

כדי להפעיל תנודות לא כדוריות של ממשק הבועות, יש צורך לעבור סף לחץ מסוים שהוא תלוי רדיוס, כפי שמוצג באיור 1. טכניקות ניסוי קיימות מסתמכות על עליית הלחץ האקוסטי כדי להפעיל מצבי משטח (מודגמת על-ידי נתיב (1) באיור 1), על-ידי עליית לחץ שלב אחר שלב²⁸ או על-ידי עירור משרעת מווסתת האחראי להתחלה מחזורית ולהכחדה של מצבי משטח²⁹. החסרונות העיקריים של טכניקות אלה הם: (i) כיוון אקראי של ציר הסימטריה של תנודות פני השטח שלא ניתן לשלוט בהן כדי להיות במישור ההדמיה, (ii) משך חיים קצר של תנודות צורת הבועה המקשות על ניתוח זרימות הנוזל המושרות בסקאלות זמן גדולות יותר, ו-(iii) הפעלה תכופה של מצבי צורה לא יציבים. אנו מציעים טכניקה חלופית לחציית סף הלחץ בלחץ אקוסטי קבוע במפת הרדיוס/לחץ, כפי שמודגם בנתיב (2) באיור 1. לשם כך נדרש להגדיל את גודל הבועה כך שתהיה באזור חוסר היציבות. עלייה כזו מבוצעת על ידי טכניקת התלכדות בועה. ההתלכדות של שתי מיקרו-בועות, שבתחילה מתנודדות כדורית, מנוצלת ליצירת בועה מעוותת אחת. אם הלחץ האקוסטי וגודל הבועה של הבועה המתמזגת נמצאים באזור חוסר היציבות, מופעלים מצבי משטח. כמו כן, הראינו כי טכניקת ההתלכדות גורמת לתנודות צורה יציבות במשטר מצב יציב, כמו גם ציר סימטריה מבוקר המוגדר על ידי התנועה הישרית של שתי הבועות המתקרבות. מכיוון שתנודת צורה יציבה מובטחת במשך דקות, ניתוח זרימת נוזל הנגרמת על ידי בועה אפשרי על ידי זריעת התווך הנוזלי עם מיקרו-חלקיקים פלואורסצנטיים, מוארים על ידי יריעת לייזר דקה. רישום התנועה של המיקרו-חלקיקים המוצקים בקרבת ממשק הבועות מאפשר לזהות את תבנית זרימת הנוזל המושרה³⁰. העיקרון הכולל של הפעלת תנודות בצורת בועה, המובילות לזרימת נוזל יציבה בזמן, מומחש באיור 2.

בפרוטוקול הבא, אנו מתארים את השלבים הדרושים ליצירת תנודות יציבות בצורת בועה באמצעות טכניקת ההתלכדות ומתארים את המדידות של זרימת הנוזל. זה כולל את העיצוב של מערכת הריחוף האקוסטי, הכיול האקוסטי, נוקלציית בועות וטכניקת ההתלכדות, מדידת דינמיקת ממשק הבועות וזרימת הנוזל שמסביב, ועיבוד התמונה.

Protocol

1. תכנון תא הריחוף האקוסטי תכנן מיכל מעוקב שקוף אופטית (דמוי PMMA) (קצה 8 ס”מ ועובי 2.8 מ”מ לכל פנים) עם מודול הגיאומטריה של תוכנת סימולציה מולטיפיזיקלית (Table of Materials). הכנס משטח גלילי (Ø = 35 מ”מ) במרכז תחתית המיכל, כדי למדל את המתמר העל-קולי. הגדר את תנאי הגבול לאפס לחץ על כל קי…

Representative Results

רצף שלם של התלכדות בועות המוביל לתנודות לא-כדוריות יציבות בזמן ומבוקרות סימטריה מוצג באיור 9. השלב המתקרב של שתי בועות מתנדנדות כדורית מסתיים כאשר הסרט הנוזלי הדק בין שתי הבועות נקרע. ראוי לציין כי בשלב האחרון לפני ההתמזגות, ממשקי הבועה חורגים מהספיריות. ?…

Discussion

ההליך המוצג מורכב משימוש בהתלכדות בועות על מנת להפעיל תנודות בצורת בועה במצב יציב, מבוקר סימטריה, המאפשר לחקור את זרימת הנוזל לטווח ארוך המושרה על ידי תנודות אלה. האתגר העיקרי בטכניקה הוא שליטה בתנודות לא כדוריות עבור בועה שנלכדת, הרחק מכל גבולות.

רוב הטכניקות הקיימות המוצע…

Materials

Aspherical lens	Thorlabs	AL4050	Lens of focus 40 mm
Continuous wave laser source	CNI	MLL6FN	DPSS laser of wavelength 532nm, energy 400 mW
Cylindrical plano-concave lens	Thorlabs	LJ1277L1-A	lens of focus -25?4mm
Cylindrical plano-concave lens	Thorlabs	LK1900L1	lens of focus 250 mm
Fluorescent particles	Duke Scientific	R700	Red polymer fluorescent microspheres
Function generator	Agilent	HP33120	Generator of function feeding the ultrasound transducer
High-speed camera	Vision Research	Phantom v12.0	High-speed recording up to 1 Mfps
Liquid medium	Carlo Erba	Water for analysis	Demineralized, undegassed water
Multiphysics software	Comsol	None	Softwate for simulating the acoustic field of the levitation chamber
Nd:Yag pulsed laser	New Wave Research	Solo III-15	5 ns pulse duration, λ=532 nm, 3.5 mm beam diameter, up to 50 mJ
Plano-concave lens	Thorlabs	N-BK7	lens of focus 125 mm
Spherical concave lens	Thorlabs	N-SF11	Bi-concave lens of focus -25mm
Ultrasound transducer	SinapTec	Custom-made	Nominal frequency 31kHz, active area 35mm diameter
Visualization software	NIH	ImageJ	Software for image processing and analysis in Java
XY Linear stage	Newport	M-406	Displacement stage with micrometric screw
Z-axis linear stage	Edmund Optics	62-299	Vertical displacement stage with micrometric screw