Krooninen sairaus

tiivistelmä

Tässä esittelemme romaanin kuvantamisen alustan tutkia biologisten vaikutusten ei-invasiivisia radiotaajuisen ( RF) sähkökenttä syöpä lämmönnousua. Tämä järjestelmä mahdollistaa

reaaliaikaisen in vivo

Elintensisäistä mikroskopia (IVM) kuvantaminen radiotaajuisten aiheuttaman biologisen muutokset kuten muutokset astiassa rakenteeseen ja huumeiden perfuusio. Tuloksemme osoittavat, että IVM järjestelmä pystyy käsittelemään altistuminen suuritehoisia sähkö-kentät aiheuttamatta merkittäviä laitteisto- vahinkoja tai kuvantamisen esineitä. Lisäksi lyhyt kesto pienitehoisia ( 200 W) radiotaajuisen altistuksen lisääntynyt liikenne ja perfuusiota loisteputki merkkiaineiden osaksi kasvaimia lämpötiloissa alle 41 ° C. Aluksen muodonmuutokset ja veren hyytymistä nähtiin kasvaimen lämpötila noin 44 ° C. Nämä tulokset korostavat käytön integroitujen IVM-RF kuvantaminen alustan uuden tehokkaan työkalun visualisoida dynamiikkaa ja vuorovaikutusta radiotaajuisen energian ja biologisten kudosten, elinten, ja kasvaimet.

Citation: Corr SJ, Shamsudeen S, Vergara LA, Ho JC-S, Ware MJ, Keshishian V, et ai. (2015) Uusi Imaging Platform for Visualizing Biological Effects noninvasiivisten Radiotaajuinen sähkökentän Cancer hypertermia. PLoS ONE 10 (8): e0136382. doi: 10,1371 /journal.pone.0136382

Editor: Arrate Muñoz-Barrutia, Universidad Carlos III de Madrid; Instituto de Investigación Sanitaria Gregorio Marañon, ESPANJA

vastaanotettu: 03 kesäkuu 2014; Hyväksytty: 03 elokuu 2015; Julkaistu: 26 elokuu 2015

Copyright: © 2015 Corr et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään

Data Saatavuus: kaikki asiaankuuluvat tiedot kuuluvat paperin ja sen tukeminen Information tiedostoja.

Rahoittajat: Tutkimus raportoitu tässä julkaisussa tukivat NIH Physical Science in Oncology Program (U54CA143837), NIH MD Anderson Cancer Center Support Grants (CA016672), The Welch Foundation (C-0627, 616 LJW), rajoittamattoman tutkimus avustusta Kanzius 617 Research Foundation (SAC, Erie, PA), ja National Center for edistäminen Translational laitos National Institutes of Health alle Award numerot TL1TR000369 ja UL1TR000371. Sisältö on ainoastaan ​​vastuulla kirjoittajien ja ei välttämättä edusta näkemyksiä National Institutes of Health. Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistamista käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

Interactions korkean taajuuden radioaaltoja (13,56 MHz) kudoksia ja nanomateriaalien biologisten kudosten tutkitaan parhaillaan terapeuttisena alustana ei-invasiivisen syövän hypertermian hoitoon. Ainutlaatuinen dielektriset ominaisuudet syöpäkudoksen suosivat radiotaajuisen (RF) energian imeytymistä ja muuntaminen lämmöksi ja on oletettu edelleen kiihtynyt käyttämällä RF-energiaa imevää nanomateriaaleja kuten kultananopartikkeleilla ja yksiseinämäisten hiilinanoputkia. Parannettu kasvain lämmitys johtuu suurempi eristetappioita sisällä kasvainkudoksessa verrattuna normaaleissa kudoksissa [1] ja on löytänyt käyttöön kliinisissä lämmönnousua [2]. Paljon työtä oli keskittynyt mittaamiseen ja tulkitsemaan lämpötilan jakautuminen [3] ja dielektriset ominaisuudet eri terveen ja syöpä- eläinten kudoksiin kaikkialla radio- ja mikroaaltouunit taajuudet [4-6]. Verrattuna muihin nano-pohjainen photothermal hypertermia lähestyy RF hoidon etuna on suurempi kudospenetraatio syvyydessä (~ 5-30 cm), joka johtuu suhteellisen pitkä RF aallonpituuksilla (~ 22 m 13,56 MHz), verrattuna pinnanalainen millimetri tunkeutuminen syvyydessä (IR) ja lähi-infrapuna (NIR) valoa.

Kun tarjous lisätä ero-lämmitysnopeudet ja RF aiheuttama syöpä sytotoksisuus, useat tutkimukset ovat osoittaneet, lämmitys- ominaisuudet [7- 12]; biologinen myrkyllisyys [13-20]; sähkö vuorovaikutusta [11, 21-24]; ja toteutettavuutta nanomateriaaliin vuorovaikutusta radiotaajuusenergiaa ja niiden käyttöä mahdollisena lääkärin lämmönnousua adjuvanttia. Huolimatta jatkuvasta kehityksestä eri roolit, nanomateriaaleja olla lokalisoitu lämmöntuotanto ja sytotoksisuutta, molemmat yksinkertaistettuja vesiliuoksia ja biologisten materiaalien, paljon työtä on saavutettu kohti ymmärtämään perustiedot tieteen takana RF vuorovaikutusta biologisten kudosten kanssa mahdollisuuksia synergian olemassa joilla on kliinisesti hyväksytty kemoterapiaa, kuten Abraxanen, setuksimabi, ja gemsitabiinin [25]. Viitattu katsaukset Collins

et al

. ja Liu

et al

. Tarjoamme kattavan ja tiiviin katsauksen alan [26, 27].

Keino suoraan visualisoinnin vuorovaikutusta biologisten kudosten ja RF sähkö-aloilla, joiden käsityksen perusprosesseja ja perus tieteen takana tämän terapian, on ollut kadoksissa. Kuin vielä ei ole muotoilu syömällä näitä dynaamisia tapahtumia, erityisesti johtuen vaikeudesta integroida korkean tehon sähkökentän generaattori erilaisiin kuvantamismodaliteeteilla. Tässä esittelemme integroiva järjestelmä yhdistetään radiotaajuusaltistumista korkean resoluution Elintensisäistä mikroskopia (IVM) (RF-IVM) sallimaan

reaaliaikaisen in vivo

loisteputki kuvantamiseen RF aiheuttama biologisia vaikutuksia. IVM, konfokaali ja tai multiphoton magnetointi tekniikka, on tehokas tekniikka kuvantamisen elävien eläinten korkean resoluution kanssa kyky saavuttaa kudoksen syvyyksiin useita satoja mikrometriä. Tällä tekniikalla, tutkijat osaa arvioida kudosten ja solujen vasteet ajan ja kolmiulotteisessa avaruudessa elävässä kudoksessa luonnollisissa fysiologisissa olosuhteissa [28]. Tiedot esitetään tässä tutkimuksessa osoittavat, että (i) korkean tehon RF generaattori (200 W, ~ 15 kV /m) voidaan menestyksellisesti olla retro-asennettaviksi Nikon A1R IVM järjestelmä ilman laitteiston vaurioita tai kuvantamisen esineitä; ja (ii) integroidun IVM-RF-järjestelmä mahdollistaa kuvantamisen lievän lämmönnousua aiheuttama dynaaminen tapahtumia ( 41 ° C), kuten lisääntynyt kasvain perfuusio systeemisesti loisteputki merkkiaineet (albumiini ja FITC-dekstraani) sekä astian muodonmuutos ja hyytyminen havaittiin kaikilla lämpötila-alueella 44-49 ° C. Näiden tulosten odotamme, että IVM-RF-järjestelmän avulla voimme kuvan RF aiheuttama biologisten tapahtumien kuten muutokset verisuonten läpäisevyyttä, muutokset kudoksessa eheys, vaikutus nanohiukkasten ja huumeiden kerääntyminen, kudosten levinneisyys ja solujen siirtymätapahtumien.

Materiaalit ja menetelmät

kannettava-RF-järjestelmä

valokuva kannettavan-RF-järjestelmän (p-RF-järjestelmä) rinnalla kaavamainen esitys p-RF koejärjestely on kuviossa 1A ja 1B. Full mitat löytyvät S1 kuviossa Laite saa virtansa 200 W kiinteän taajuuden (13,56 MHz) vesijäähdytteinen virtalähde (Seren, RX01 /LX01 Series, Industrial Power Systems, Inc.), joka on kytketty korkea -JUOKSEVAT kantavuus 50 Ω koaksiaalikaapeli. Näyte altistetaan RF sijoitetaan lähettävän ja vastaanottavan päät (TX ja RX, vastaavasti). Lämpötilan nousu tallennetaan käyttäen joko 1 mm ulkohalkaisija valokuitu Teflonpinnoitettu terminen antureista (Photon ohjaus, Kanada), joiden lämpötila ± 0,5 ° C, tai infrapuna (IR) kamera (FLIR SC 6000, FLIR Systems, Inc., Boston, MA), joiden lämpötila on ± 2 ° C (640 x 512 resoluutio InSb ilmaisimen puolivälissä aallonpituuden IR spektrialueella 3,0-5,0 um). Lämpöanturi data siepataan tarkoitukseen rakennetulla LabVIEW virtuaalinen väline (National Instruments, Austin, TX). Muodostettu RF sähkökentän karakterisoitiin käyttäen teflon-pinnoitettu sähkökentän koetin (TherMed, LLC, Erie, PA) on kiinnitetty säädettävä x, y, z vaiheessa (Thorlabs, Inc.) säädettävä asemointi, kuten on esitetty kuviossa 1C ja 1D. Koko tiedot sähkökentän mittauksia löytyy S2 kuvassa Kuten voidaan nähdä kuviosta 1D, ”aktiivisen” alueella RF sähkökentän altistus on keskitetty ~ 6 cm ympärille keskikohdan TX pään ja ulottuu ~ 1 -2 cm koko x-akselilla, jolloin lämmitys profiili, joka pienenee vähitellen näyte sijaitsee kauempana TX pään.

(A) Kannettavat RF-järjestelmä koostuu lähetysyksikön (TX) ja saada ensin (RX), joka generoi suuritehoisia sähkökenttä poikki näytteen (esim hiiri). Järjestelmä ohjaa muuttuvan tehon kiinteän RF-vahvistimen (0-200 W, 13,56 MHz), joka jäähdytetään käytön aikana, jonka vedenjäähdyttimeen. Lämmön tuotanto seurataan infrapuna- (IR) kameran tai suoraan lisäämällä kuidun optisen antureista. (B) Circuit edustus kannettavien RF-järjestelmän. (C) Asetukset erottamiseksi sähkökentän voimakkuudet. Sähköinen-kentän koetin (EFP) on sijoitettu tiettyihin kohtiin pitkin x- ja z-akselin välillä TX ja RX päät ja mittaa jännite kunkin pisteen 20 W RF-teho. (D) Sähkökenttä johdetaan jännitettä tiedot ja piirretään intensiteetti ääriviivaa.

p-RF-järjestelmä itsessään on suhteellisen pieni (pituus ~ 60 cm) verrattuna Suurempien RF-mallit [1, 7, 14]. Samanlaisia ​​edellisessä RF generaattorit, suunnittelu tuottaa vahvan vuorottelevat (13,56 MHz) sähkökentän poikki TX ja RX päätä [29] käyttäen kaskadi LC verkkoon. Kuitenkin, toisin kuin aiempien järjestelmien, tämä järjestelmä ei kapasitiivisesti kytketty ja ei mallinna ihanteellinen rinnakkain levykondensaattori kokoonpanossa, jossa sähkökenttä olisi noin yhdenmukainen koko TX- ja RX-päät. Sen sijaan tämä järjestelmä lähettää sähkökentän, joka vähitellen pienenee poikki TX-RX päätä ja on siten luokiteltu ”end-potkut lähetysmäärittelyä”.

IVM-RF-järjestelmä

kuva p-RF-järjestelmä jälkiasentaa Nikon A1R

+ IVM on esitetty kuviossa 2A. Nikon A1R

+ on laserskannaus -konfokaalimikroskoopilla varustettu kahdella skannaus mekanismeja, tavanomainen galvanometer vetoinen ja kaikuva skanneri. A1R

+ on varustettu 4 solid-state-laser (405, 488, 561 ja 640 nm) ja 4 fluoresenssidetektorit, mukaan lukien kaksi GaAsP PMT: t. A1R

+ on myös varustettu suuri alustan moottoroitu vaiheessa (ennen Scientific ZDeck) ja kokoelma pitkän työskentelyetäisyyttä tavoitteet vaihtelevat pieni suurennus, laajan näkökentän (4x 0.2NA ja 10x 0,4 NA), jopa korkean resoluution, vesiupotukseen (16x 0,8 NA ja 25x 1.2NA) linssit. Järjestelmän toiminta ja kuva hankinta ohjataan Nikon NIS Elements (v 4.0). Kun RF väline sovitettiin IVM, meidän alustavan arvioinnin yhdennetyn järjestelmän mukana vähitellen lisäämällä p-RF-teho (ilman näytettä), kun taas seurannan jännitteen aiheuttama poikki IVM runko liittämällä oskilloskooppi koetin elektrodin maattonastat sijaitsee takana objektiivilinssin on IVM järjestelmään. Eri tehoilla, mukaan lukien suurin teho 200 W RF, indusoitunut jännite alustassa oli alle 500 mV, jota pidetään hyvin vähäistä eikä ennustettu puuttua laitteiston. Tätä testausmenettelyä suoritettiin varmistaa radiosignaaleja ei suoraan kytkemällä IVM mikroskooppi, mikä Todennäköisin syy peruuttamaton sähköisiä ja rakenteellisia vaurioita IVM järjestelmään. Minor häiriöt sisältyvät ohjelmiston toimintahäiriö muodossa satunnaisesti avattu selainikkunat ja teksti esiintymisiä-me kutsutaan tätä ”haamukirjoittaja” ja löysi Tämän vaikutuksen alkuperä johtuvan radiotaajuuskentille kytkemällä tietokoneen näppäimistön. Kääre näppäimistön kaapeli ympärille ferriittisydän balun radiotaajuisten häiriöiden vähentämiseksi ratkaisi ongelman. Havaitsimme myös häiriöitä moottorivaihetta, joka ratkaisi eristämällä ohjainta ohjauskeskuksen alumiinifoliolla.

(A) RF-järjestelmän integroitu Elintensisäistä mikroskooppi (IVM) reaaliaikaiseen kuvantamiseen alla radiotaajuusaltistumista . (B) Hiiren manipulointi kuvantamiseen-tehdään viilto paljastamaan ja varovasti manipuloida 4T1 kasvaimen varten IVM kuvantamiseen. (C) 4T1 kasvain alle IVM valaistuksen kanssa x4 objektiivilinssillä.

eläinmallit

Nude-hiirten (4-6 vk ikäisiä) hankittiin Charles River Laboratories, Inc. ( Wilmington, MA). Rintojen kasvaimet perustettiin fluoresoivalla 4T1 td-Tomaatti Bioware Ultra Red hiiren maitorauhasen syöpäsoluja ostettiin Caliper Life Sciences (Hopkinton, MA). Hiiriä käsiteltiin ja kuvattiin, kun kasvaimet saavuttivat koon ~ 8-10 mm halkaisijaltaan. Klo päättymisen kuvaustilanteeseen, eläimet tapettiin CO

2 altistus seuraa niskanmurrolla. Kaikki menettelyt suoritettiin protokollien mukaisesti hyväksymien Institutional Animal Care ja käyttö komitean Houston Methodist tutkimuslaitos ja mukaan NIH Guide for Care ja koe-eläinten käytön.

RF-IVM eläimen manipulointi

Hiiret laakeri 4T1 kasvaimet olivat altistuneet pieni keskilinjaviilto jolloin ketjussa välillä ihon ja lihaksen häiriintyi pumpulipuikolla. Käännetyn iho läppä nostettiin käyttäen rullattu puuvilla sideharso. Kuvia hiiristä manipuloidaan RF-IVM on esitetty kuviossa 2B ja 2C. Hiiret nukutettiin käyttämällä 2-3% isofluraania (Aerrane; Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA) antaa käyttäen isofluraanin höyrystimen järjestelmä (E-Z Systems, Palmer, PA, USA). Hiiriä pidetty lämpöpehmustetta kirurgisissa valmistelun ja kuvantaminen kokeita ylläpitää ruumiinlämpöä. Aikana kuvatallenteet kasvaimen jatkuvasti kostutettiin suolaliuoksella ja lämpötilaa seurattiin käyttäen teflon-pinnoitettu valokuitu koettimia ja /tai IR-kamera. Kuvantaminen vedellä upottamalla linssit, peitelevy oli kevyesti sijoitetaan päälle kostutettu kuvantamisen alueella käyttäen manuaalista mikromanipulaattorilla (Kite, WPI). Time-lapse tallenteet vangittiin valittujen näkökenttien kuvanopeus 10-30 fps.

fluoresoiva merkkiaineita

fluoresoiva merkkiaineiden käytetään tässä kokeet olivat Albumiinipitoisuudella Alexa Fluor 647 (MW ~ 66kDa) ja fluoreseiini-isotiosyanaatti-dekstraania (FITC-dekstraani, MW noin 70 kDa). Molemmat saatiin Life Technologies, Grand Island, NY. Hiirille annettiin 50 ui retro-orbital injektioita joko Alexa 647 tai FITC-dekstraania (tai molemmat) pitoisuuksina 10 mg /kg (suspendoitiin fosfaattipuskuroituun suolaliuokseen, PBS). Sitten hiiret altistettiin RF altistuksen kanssa tai ilman samanaikaista IVM kuvantaminen. Fluoresoivat merkkiaineet käytettiin tässä tutkimuksessa verrata kasvaimen verisuonten ja tutkimaan ekstravasaation, lisääntyneen verisuonten läpäisevyyttä ja diffuusiota merkkiaineiden osaksi kasvaimia. Syövän solut tunnistettiin niiden ilmentyminen tdTomato-fluoresoivan proteiinin. FITC-dekstraania, Td-Tomaatti ja Albumiinipitoisuudella 647 fluoresenssisignaalien havaittiin peräkkäin käyttäen laservirityksellä linjat 488, 561 ja 640 nm, kun taas emissio tallennettiin käyttäen kapean päästökaistan suodattimia (30-50 nm kaistanleveys) 520, 600 ja pidempi kuin 640 nm, vastaavasti. Kolmen kanavan kuvat otettiin kiinni 512×512 kokoluokkien pinhole halkaisijat asetettu 1 Ilmava yksikkö (AU) laskettuna 561 nm.

Immunofluoresoivat kuvantamisen

Täydellinen makro-perfuusio ja omaksumista loisteputki merkkiaineiden kaikkialla kasvain RF ja ei-RF-käsitellyillä hiirillä analysoitiin

ex vivo

käyttäen immunofluoresenssilla kuvantaminen. Tuumoriverisuonten visualisoitiin käyttämällä vasta-aineita CD31 arvioida kudokseen tunkeutumista kudokseen albumiini tai FITC-dekstraania. Jäädytetyt kasvaimen leikkeet kiinnitettiin 4% paraformaldehydillä, blokattiin 5% normaalia hevosen seerumia ja 1% normaalia vuohen seerumilla PBS: ssä, ja immunofluorescently värjättiin käyttäen vasta-aineita CD31 (BD Biosciences, San Jose, CA). Leikkeitä inkuboitiin sitten vuohen anti-rotta-IgG Alexa Fluor 488-vasta-ainetta (Jackson ImmunoResearch, West Groove, PA) [30]. Kuvat otettiin käyttäen meidän Nikon A1R

+ -konfokaalimikroskoopilla ja analysoitiin Nikon NIS-elementit AR ohjelmisto (v3.2). Suhde pikselien koko kuva, joka on korkeampi fluoresenssi-intensiteetti kuin kynnys (tausta) on esitetty positiivisen alueen osa [31, 32]. Aineisto esitetään keskiarvo ± SD edustavien osien yli 5 kuviin kasvaimista.

algoritmit kvantifioivien fluoresoiva merkkiaine perfuusio

kvantitoimiseksi fluoresoiva merkkiaine kerääntymistä kasvaimen ja ekstravasaatio verisuonista, käytimme yksinkertaista algoritmia, joka perustuu maailmanlaajuiseen kynnyksen segmentointia ja binary rajauksella tekniikoita soveltaa kuvien hankittu eläviä eläimiä. Kynnystämällä Td-Tomato fluoresenssin komponentti, ensin luodaan binary kuva, jota käytetään muodostamaan peite kasvain. Laajeta ja heikentää toimintaa käytetään poistamaan reiät ja sileä reunat tämän maskin. Samanlaista menetelmää käytetään luomaan verisuonistoon maski, joka perustuu korkean intensiteetin arvot FITC-dekstraani tai albumiini-647 signaaleja. Kaksi naamarit yhdistetään sitten löytää suonten osa kasvaimen alueelle ja tämän tuloksena maski käytetään määrittämään määrän merkkiaineen väriaine, joka on siirtynyt kasvaimeen.

Tulokset ja keskustelu

kasvain lämpötila modulaatio

alustava testaus RF-IVM järjestelmään kuuluu altistuminen 4T1 kasvain hiirtä radiosignaaleille ilman kuvantaminen, vahvistaa kasvaimen lämmitykseen. Kuvio 3A kuvaa koejärjestely. Hiiri pantiin erityisesti suunniteltu Teflon vaihe peittää ohut kalvo kuparifolio sähköisesti maadoittaa eläin: estää pinnan sähkövarauksen kerääntymistä, joka voisi aiheuttaa lämpövaurioilta. Eläin ladattu vaihe väliin TX ja RX päät p-RF-järjestelmän. Kolme valokuitu terminen koettimet liitettiin suoraan hiiren eri asemissa ympäröivät kasvainta ja ainutlaatuinen etäisyyksillä TX pään. Probe # 1 (lähinnä TX pää) liitettiin ihon alle, mutta yläpuolella kasvain massa; koetin # 2 on asetettu ihon alle väliin alueella, jossa kasvain työntyy päärungosta hiiri; ja koetin # 3 lisättiin edellä paljastetun vatsaonteloon. Koska kudos sijaitsee lähellä anturi # 1 todennäköisesti lämmitä eniten johtuen sen läheisyydestä TX päähän, käytimme tämän viittaukseksi kääntämällä päälle ja pois päältä RF-järjestelmän eri lämpötilassa pistettä: 45 ° C, 43 ° C ja 41 ° C. Kudos lämpötila jäähdytettiin noin ~ 30 ° C (johtuen ilmastoitu leikkaussali) väliltä radiotaajuusaltistumista. Kokonaisteho tarvitaan tuottamaan nämä lämmitys profiilit oli 90 W. Kuten kuvasta 3B, kasvain lämpötila ensin nousi 30 ° C: sta 45 ° C ~ 250 s ottaen ~ 375 s jäähtyä takaisin alas 30 ° C. Tässä vaiheessa RF käännettiin takaisin päälle ja kasvaimen kuumennettiin 43 ° C: ssa ennen kytketään pois päältä. Tämä toistettiin lopulliseen kasvaimen lämpötilassa 41 ° C. Lämpötila tietoja antureista # 1- # 3 osoitti vähenemistä kudoksen lämmityksen laskun seurauksena pois sähkökentän voimakkuus TX pään. Jos sähkökenttä oli vakioksi koko TX ja RX päät, kuten lähestyy kunnon ihanteellinen rinnakkain levykondensaattori malli, niin kaikki vaihtelut ja lämpötilan vaihteluille mitä todennäköisimmin johtua eroista permittiivisyyden ja johtavuuden välillä kudosten , elimet ja kasvaimet hiiren, kuten selostetaan.

(A) Terminen valokuitu koetin sijoitus. Koettimet # 1-3 on sijoitettu (i) ihon alle vaan ennen kasvain; (Ii) ihon alle väliin kasvain ja päärungosta; ja (iii) ihon alle vieressä vatsaonteloon. (B) lingottu terminen anturi tietoja. Tallennettuja lämpötila antureista oli mukautettu kytkemällä päälle ja pois RF-järjestelmän (+ RF ja RF). Järjestelmä kytkettiin pois heti, kun kasvain lämpötila (anturi # 1) saavutti 45 ° C, 43 ° C, ja 41 ° C, vastaavasti, ja oli päällä, kun kaikki antureista oli arvojen välillä ~ 29-31 ° C. (C) IR Kamera mitattava samanaikaisesti pintalämpötila kohdissa, joissa termistä koettimet sijaitsevat.

sähkökentän voimakkuus ympärille kasvain sekä kasvainten ”dielektriset ominaisuudet ovat ehkä kaksi eniten tärkeät fysikaaliset parametrit koskevat lämmitysnopeudesta yksittäisten kasvaimia. Dielektriset tässä tapauksessa tarkoittaa sitä, kuinka paljon sähköenergiaa materiaali imee ja muuntaa lämmölle, ja on taajuudesta riippuvainen. Tuore julkaisu osoitti antituumorivaikutuksia johtuvat ei-invasiivisia RF [1]. Heidän tutkimuksessaan Raoof

et al

. alistetaan hiirillä potilaalle tehdä-istutettu ihmisen hepatosellulaarinen ja haima- ksenograftit viikoittain RF vastuita. Niiden tulokset osoittivat, että RF-yksinään riittää aiheuttamaan kasvaimen vastaisen vaikutuksen maksasolukarsinoomat ja voitaisiin selittää pelkästään periaatteen kasvainten ”dielektriset ominaisuudet on suurempi kuin normaali, terve kudoksissa. Kyky materiaalin tallentamiseen ja purkaa sähköenergian lämpönä voidaan kuvata todellisia (

ε ’

) ja kuvitteellinen (

ε ”

) osat monimutkainen permittiivisyys toiminto (ε * ). Tämä suhde saadaan Eq 1: (1) missä

ω

on säteittäinen taajuus (

2rf

). Todellinen Termi yhtälön 1 antaa tietoa siitä, kuinka paljon sähköenergiaa voidaan varastoida materiaalia, kun taas kuvitteellinen termi tarkoittaa, kuinka paljon tästä energiasta muuttuu lämmöksi.

Puhtaasti paras kliininen tilanne, kuvitteellinen arvot tuumorikudoksia olisi huomattavasti suurempi kuin normaali, terve kudoksia, jolloin kasvain kuumentaa nopeasti jopa lämpötiloissa, jotka aiheuttavat joko hypertermia (joka johtaa luonnollisen ohjelmoitua solukuolemaa mekanismit) tai täydellisen ablaatio ja kuolion. Dielektriset ominaisuudet sekä syöpä- ja normaalien kudosten mitattiin Raoof

et ai

. (Käyttäen permittiivisyys Analyzer), ja niiden osoitettiin olevan suurempi kasvaimia kuin normaalit solut. Suhdetta materiaalin permittiivisyyden ja sen vaikutus lämmön tuotantoon, kun se altistetaan reaktioaika vaihtelee sähkökentän saadaan seuraavasta yhtälöstä: (2) missä

ε

0

on tyhjiö permittiivisyys,

ε ”

on kuvitteellinen osa monimutkaista permittiivisyys,

E

on sähkökentän voimakkuus näytteessä,

ρ

on tiheys, ja

c

p of the ominaislämpökapasiteetti. Tässä olennainen hallintoelimen yhtälö, kaikki kyseisen fyysisen muuttujat sisältyvät, jotka kuvaavat kuinka näyte vastaa altistumista sähkökentän. Tämä yhtälö, erityisesti voimakas riippuvuus sähkökentän voimakkuus, voi auttaa selventämään lasku lämmön tuotanto: lämpötilan koettimet sijaitsevat kauempana TX pään kanssa sähkökentän voimakkuus vähitellen pienenee.

Tässä tutkimus, pintalämpötila paikoista, joissa lämpö koettimet sijaitsevat myös kiinni käyttämällä IR-kamera, kuten kuvassa 3C. Kuten voidaan nähdä, on merkittäviä yhtäläisyyksiä ja eroja verrattuna termisen koetin tiedot. IR-tiedot osoittavat laskua lopullisen kudoksen lämpötilan verrattuna mittapään # 1 mittaus ~ 5 ° C, ja lämpötilan laskiessa ja ~ 3 ° C koettimen # 2. Lämpötilat ovat samanlaisia ​​anturi # 3. Edelleen testata eroja ja virhemarginaali välillä lämpökamera ja terminen anturi tiedot, kaikki kolme koettimet upotettiin 1,3 ml PBS sisältämien kvartsikyvettiin ja altistuvat RF kentän. Lämpötila data esitetään kuviossa 4. On läheinen ottelua äänitetyn lämpökamera ja terminen anturi data virhemarginaalin välillä 0,2-0,5 ° C. Tämä samankaltaisuus oli odotettavissa, koska kvartsikyvettiin on lähes optisesti läpinäkyvä koko IR-aallonpituusalueella 3,0-5,0 um. Koska tiivis yhtäläisyyksiä lämpökamera ja terminen anturi tietojen erot hiirillä lämmitys Kuviossa 3 on todennäköisesti johtuu epäsuhta koetin sijoitus ja IR kohdistinpaikka. Esimerkiksi asema koettimen # 1 on itse asiassa syvemmälle ihon alle hiiren kuin koetin # 3 (sekä lähempänä kasvain), joten todennäköisesti näyttää suuremman lämmön tuotantoa, koska lämmitys kasvaimen verrattuna pinta lämpökamera mittauksia. Myös pinta mittaukset ovat yleensä todennäköisesti alhaisemmat kuin välisten kudoksen lämpötilan takia viilentävä vaikutus huoneen lämpötilan ympäristössä. Lopuksi, optiset häviöt ja imeytymistä lisäys IR energiaa ihon läpi todennäköisesti vähentää intensiteetti IR fotonien pinnalla hiiren, jotka havaitaan käyttäen IR-kamera.

(A) Kolme terminen koettimet olivat paikkoja kvartsikyvettiin täytetty fosfaattipuskuroidulla suolaliuoksella (PBS) ja altistettiin 200 W RF. IR kamera kaapattu pintalämpötila kohdistin vieressä termisen koettimia RF valotusajan 0 s-380 s (B ja C, vastaavasti). (D) vertailu termisen anturin ja lämpökamera lämmitys tiedot.

Monikanavainen IVM-RF kuvantaminen ja korkean lämpötilan alus hajoamisen

Kuva 5 kuvaa reaaliajassa monikanavainen IVM-RF kuvantamisen avoimelle 4T1 kasvain. Kolme erillistä kanavaa oli kuvattu: FITC (aluksille dekstraani), Texas Red (4T1 transfektoitu kasvain), ja Cy5 (punasoluja, RBC). Kuvio 5A esittää sulautuneen kanavia, kun taas yksittäiset kanavat on esitetty kuviossa 5B-5D. Kuva 5E-5H esitetään muutokset aluksen arkkitehtuurin neljälle eri ajankohtina, kuvataan ajankohta 1 läpi 5 kuviossa 5I (Huom: aika piste numero 1 vastaa kuvantamisen ennen lisäämistä radiotaajuusaltistumista). Esitetään myös kuviossa 5I on kuvaaja kasvaimen lämpötilan ja RF-teho versus aika. Kasvain lämpötila tässä tapauksessa seurattiin käyttäen lämpötila-anturia sijoitettiin kasvain. Aika-pakattu elokuva näiden yhdistettiin ja yksittäisiä kanavia löytyy S1 Elokuva.

(A) Overlay itsenäisten IVM kanavat (FITC, Texas Red, ja Cy5). (B) Kasvaimen alukset on merkitty siten FITC-dekstraania loisteputki merkkiaineiden, (C) loisteputki päästö transfektoiduista 4T1 kasvainsolulinjasta, (D) Cy5 emissio DiD-värjätään veren punasoluja. Kuvio (A) – (D) otettiin aika = 78 s. Kuva (E) – (H) kuvaavat FITC kanava (alusta) eri ajankohtina: 762, 1650, 2382, ja 2742 s, vastaavasti. Kuva I havainnollistaa kasvainta lämpötila ajan suhteen ja soveltaa RF-teho. Numerot 1-5 näkyy alhaalla vasemmalla puolella kunkin kuvion vastaavat 5 eri aika-pistettä esitellään kaaviossa I.

Kuten voidaan nähdä näistä tuloksista, kasvain alukset alkavat kapea ja kuristaa kun kasvain lämpötila nostetaan yli 41 ° C. Lopullisessa kasvain lämpötila 44 ° C, suonensisäinen solut ovat täysin pysähtynyt ja alukset ovat lakanneet toimimasta. Tämä voidaan nähdä myös, että S1 Elokuva suhteen virtauksen punasoluja. Kun lämpötila on kohonnut yli 41 ° C virtaus RBC tulee epäsäännöllinen ja joitakin alus osastoja, joilla veren virtaus on lakannut kokonaan. Huomaa, mitä tulee ajankohtina, jossa RF-teho oli ajoittain päättää, jotta ylikuumenemisen estämiseksi kasvain. Käyttö kalteva lämmitys profiilin avulla voimme räätälöidä virta, kun nimetty lämpötila saavutetaan niin, että tarkka asetettu lämpötila voidaan säilyttää. Tämä voidaan nähdä aika 2 ja 3, joissa virta on nopeasti vähentynyt sitten asteittain, jotta entistä lempeä lämmitys profiilin.

toista Tämän kokeen (mutta ilman RBC värjäys) on esitetty kuvassa 6. vaikutus aluksen hajoaminen on selvempää näissä kuvissa. Katsomalla neljää eri ajankohtina voidaan nähdä, että jotkut vähäinen aluksen hajoamisen on ilmeistä lämpötiloissa 41,5-41,8 ° C (pidimme tällä lämpötilavälillä ~ 10 minuuttia). Tämän jälkeen, kun siihen kohdistetaan enemmän RF-teho, kasvu kasvaimen lämmön tuotannossa (jopa ~ 49 ° C) johti voimakkaasta huonontumisesta ja täydellinen alasajo kasvain alukset. Täydellinen elokuva näistä vaikutuksista voidaan nähdä S2 Elokuva. Tulokset on esitetty kuvioissa 5 ja 6 on esitetty vaikutus korkeissa lämpötiloissa alusten arkkitehtuuriin ja RBC virtauksen dynamiikkaa. Vaikka se on hyvin tiedossa, että alus vahinko voi tapahtua lämpötila on yli 41 ° C, on osoitettu, että parannettu alus läpäisevyyttä ja perfuusio verenkierrossa makromolekyylien, kemoterapeuttisten, ja lääkkeet voidaan odottaa lämpötiloihin poikki välillä 39 ° C-41 ° C (viitattu katsausartikelissa Roussakow tarjoaa kattavan ja tiiviin katsauksen alan [33]).

(A) – (D) vaikutus radiotaajuusaltistumista alusten arkkitehtuuria neljää eri aika-pisteet: 0 : 22, 06:53, 16:18 ja 20:31 minuuttia, vastaavasti. Kasvain lämpötilat ja RF-teho näissä ajankohtina esitetään ylemmän keskitulotason ja ylemmän oikealla sivuosista, vastaavasti. Kuva (E) havainnollistaa muutosta lämpötilan ja tehon ajan suhteen. Aluksen hajoamista voidaan nähdä lämpötilojen 41 ° C: ssa. Täydellinen erittely aluksen arkkitehtuuri voidaan nähdä lämpötilojen 47 ° C.

RF aiheuttama fluoresoiva merkkiaine kuljetuksen ja perfuusio 4T1 kasvaimiin

Hiiret 4T1 kasvaimia kirurgisesti valmisteltu RF-IVM kuvatulla menetelmät jaksossa. Hiiret saivat suonensisäisen injektion 50 ui albumiini-Alexa-fluori 647 väriaine (10 mg /kg) kautta silmäkuopan injektio ja kuvaamisen kanssa ja ilman RF (kontrollina). Kaikissa kokeissa RF on kytketty pois päältä, kun kasvaimen lämpötila saavutti 41 ° C: ssa (ellei toisin ilmoiteta), kuten IR-kamera. Kuvio 7A-7D kuvaavat perfuusio albumiinin merkkiaineen ulos verisuonista ja tuumoriin RF-hoidon kesto 4,5 minuuttia. Parannettu kasvain perfuusio on erityisen selvä verrattaessa kuvion 7A ja 7B alku ja loppu-pistettä (0 ja 4,5 minuuttia, vastaavasti) ja albumiinin vain (sininen) kanava. Täydellinen videotiedostot (muokattu poistaa kuvan värinää johtuen hiiren hengityksen) ovat S3 ja S4 elokuvat. Kontrollille, sama koe kuvattiin ilman RF-altistuksen (kuvio 7E), 30 minuutin ajan. Heikentynyt perfuusio este on ilmeinen, koska ei albumiinin tunkeutumaan kasvain aikana kuvaustilanteeseen (30 min, kuvio 7E). Tämä heikentynyt perfuusio on tunnusomaista kasvainten korkean paineen takia, kaoottinen verisuoniston, ja tuloksena kasvaimen aluksen puristus [34, 35]. Limited verisuonten perfuusio havaittiin useita hiirillä aikana kuvantaminen istuntoja kestää enintään yhden tunnin.

radiotaajuusaltistumista osoittaa kuljetus fluoresoivasti sidotun albumiinin poikki perfuusio este osaksi kasvain alueelle. Kuvio (A) ja (B) esittävät kuvan sini-kanava (albumiini) ennen ja jälkeen (4,5 min) RF altistumista. Nämä tiedot on esitetty päällekkäin kasvaimen (punainen) kanavan kuvassa (C) ja (D). Kuva (E) ohjaus hiiri (ei RF) kuvioitiin 30 minuuttia molemmilla kanavilla. Ei ole kuljetusta albumiinin kasvaimeen poikki perfuusion este.