该协议通过同时接触近红外脉冲激光和高强度聚焦超声 (HIFU), 证明了凝胶幽灵中空化的可控成核。空化活性可用于增强 HIFU 的成像和/或治疗应用。
在本研究中, 等离子金纳米粒子同时暴露于脉冲近红外激光光和高强度聚焦超声 (HIFU) 中, 用于组织模拟凝胶幽灵的空化成核。这项体外协议的制定, 以证明这种方法的可行性, 既增强成像和治疗应用癌症。同样的仪器可以用于成像和治疗应用, 通过改变 HIFU 系统的曝光时间。对于短时间曝光 (10 µs), 通过在金纳米粒子周围的惯性空化的控制成核, 产生宽带声发射。这些排放提供了纳米粒子的直接定位。对于未来的应用, 这些微粒可能是功能性的分子靶向抗体 (如 anti-HER2 为乳腺癌), 并可以提供精确定位癌区, 补充常规诊断超声成像。对于连续波 (CW) 曝光, 利用气蚀活性增加了高强度聚焦超声照射下的局部加热, 导致凝胶幽灵的热损伤较大。利用被动空化检测 (PCD) 系统对惯性空化活动产生的声发射进行了监测, 以提供空化活动的反馈。只有通过纳米粒子、激光光和 HIFU 的独特组合, 才能提高局部加热。在癌症的临床前模型中进一步验证这种技术是必要的。
高强度聚焦超声 (HIFU), 或聚焦超声手术 (FUS), 是一种非电离和非侵入性技术, 用于热消融的皮下组织1。HIFU 的主要用途是治疗软组织肿瘤2, 但它已开始用于其他应用, 如治疗骨肿瘤3或神经疾病4。影响 HIFU 在临床中广泛应用的主要因素有两个: 一是治疗指导困难, 二是治疗时间长5。用该方法描述的 hifu、脉冲激光照明和等离子金纳米棒的结合, 可以为高强度聚焦超声6的当前局限性提供一种克服的方法。
在高强度聚焦超声照射下, 组织消融的主要机制是热损伤。然而, 空化活动也可以起到8的作用。在 HIFU 曝光期间发生的空化活动可以由机械和/或热介导的气蚀组成。机械介导的空化通常被称为声空化7, 它进一步分为为经历非惯性或惯性9行为的气泡。热介导的空化是从气袋的形成, 通过前溶液或汽化, 通常称为 ‘ 沸腾 ‘10。气蚀活性, 最常见的惯性空化, 已经表明, 以提高热加热率可达到通过 HIFU 曝光11 , 从而帮助解决其关键的限制之一。然而, 在高强度聚焦超声曝光过程中, 气穴的形成和活动可能是不可预知的, 并会导致诸如过度处理区域或非对称热消融12等负面影响。为了控制 HIFU 暴露过程中的空化活动, 研究了外核的引入。这些可以采取微气泡13, 相移 nanoemulsions14或等离子纳米粒子15的形式。微气泡和 nanoemulsions 都被证明可以改善成像和增强热消融的信噪比。然而, 它们的瞬态性质意味着它们的功能有限, 而重复高强度聚焦超声暴露。利用主动或被动空化检测 (分别为聚能或 PCD), 对 HIFU 曝光过程中的空化活动进行监测。PCD 是一种很受欢迎的空化检测技术, 它可以与 HIFU 曝光同时进行, 并提供光谱内容信息。然后可以进一步分析这一光谱内容, 以帮助识别发生16的空化活动类型。使用宽带声发射, 因为这些排放是唯一的存在的惯性空化10 , 并连接到增强的 HIFU 加热11。
光声成像 (排) 是一种新兴的临床成像技术17, 它结合了脉冲激光激发的光谱选择性和高分辨率的超声成像18。它以前曾被用来指导 HIFU 曝光率19, 但这种成像技术受激光穿透深度的限制。等离子金纳米粒子可作为 “对比剂”, 增加激光的局部吸收, 并随后产生光声发射的振幅20。对于足够高的激光 fluences, 有可能导致产生微观蒸气气泡, 可用于高度本地化成像21。然而, 这些暴露水平通常超过使用激光光在人类22的最大允许接触限制, 因此使用有限。本研究采用的方法曾表明, 通过同时将等离子纳米粒子暴露于激光照射和 HIFU 中, 这些小气泡的核激光强度和声学压力会大大降低,成像的信噪比增加了23。本文介绍了一种将等离子纳米粒子与激光和高强度聚焦超声相结合的方法, 用于一种高度可控的汽泡成核和活性的技术。
该协议分为四个单独的部分, 描述了制造的组织模仿幻影通过到 CW 暴露, 以产生热产生变性。这种幽灵的变性模拟了高强度 HIFU1的软组织所经历的热产生的凝血坏死。在制造过程中, 重要的是要确保 ap 和 TEMED 的比例是如此, 这一进程不会催化太快。由于这个过程是放热的, 速度越快, 温度达到25 , 就可以在暴露之前变性 BSA 蛋白。该协议中 APS 与 TEMED 的比值已经设定, 不应发生这种情况, 但是在凝胶聚合过程中可以将霉菌放在冰水中, 以进一步减少这种可能性。
由于该协议的重点是通过结合纳米粒子, 激光照明和 HIFU 曝光的空化成核, 在制造凝胶幽灵的关键步骤是在真空下将它们加成至少30分钟。一旦暴露在 HIFU (特别是连续波暴露), 即使热损伤不存在, 重要的是要在凝胶幽灵的一个新的位置, 以避免先前存在的细胞核。当使用计算机控制的翻译系统移动幻影时, 重要的是要确保 HIFU 聚焦 (以及由此排列的区域) 的深度保持一致。这确保了 HIFU 压力和激光照射量水平是一致的每一个特定的暴露参数。对于这个协议, 在最初放置幻影持有者之后, 它只在垂直轴中被翻译。
温度敏感的组织模拟凝胶广泛应用于 HIFU 研究社区25, 因为它们为监测热损伤的形成提供了视觉机制。这项研究是将它们与纳米粒子结合在一起的第一个例子, 通过控制空化活动来证明对病变形成的增强作用。然而, 尽管它们被归类为对温度反应的组织模仿, 但它们的光学和声学衰减都不是。由于需要可视化凝胶中的病变形成, 幽灵是接近透明的, 略带黄色的色调。由于激光的通量被调整为这一点, 它意味着照亮目标区域的激光光是准直的而不是扩散的, 就像正常组织一样。因此, 为了使临床翻译, 需要多个照明源, 以确保足够的表面上的影响。目前这项工作遵循的指导原则22为安全使用激光时暴露于皮肤。这将限制在深度可实现的最大激光照射量;因此, 这种技术最初将适合治疗浅表性癌症, 如乳房, 或头部和颈部。此外, 针对这些类型的癌症的表面受体的等离子纳米粒子可以提供更多的选择性治疗。然而, 尽管这是一个高度活跃的研究领域, 但目前还没有批准这种微粒用于临床使用。
以纳米粒子为0.7±0.2 的声波衰减率为6, 与3-4 分贝/厘米软组织的值相比, 明显降低。因此, 在这些凝胶中, 高强度聚焦超声照射的加热将比软组织中观察到的要低。已证明, 添加玻璃珠的凝胶增加的衰减水平类似软组织25。然而, 在这个应用中, 这种方法是不可能的, 因为这些珠子将扮演一个成核源的空化活动, 即使在没有纳米粒子, 从而歪曲了空蚀阈值。将加热效率与研究结果进行比较. (2013)25、热损伤发生在峰值压力范围为 14-23 兆帕 (没有说明, 如果这是峰值正或负压)。由于这是在1.1 兆赫, 幽灵的衰减比在本研究中使用的低。然而, 在这项研究中, 纳米颗粒有核的方法能够在1.19 到3.19 兆帕的压力范围内产生这些幽灵的热损伤, 从而证明提高了现有方法的效率。
这种方法的未来测试应该在体内模型中进行, 以纳入肿瘤的减少, 组织灌注, 分子靶向纳米粒子和相关的声学衰减参数。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了 EPSRC 赠款 EP/J021156/1 的支持。撰文人希望感谢早期职业 Leverhulme 奖学金 (ECF-2013-247) 的支持。
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 |