Dit werk werd gefinancierd door de National Institutes of Health, Grant R01HL13334. De auteurs willen Dr. Kevin Haworth bedanken voor het assisteren bij drabkin's test en Dr. Viktor Bollen voor zijn steun bij het ontwerpen van het protocol. De auteurs zijn ook Dr. Adam Maxwell dankbaar voor zijn begeleiding bij het ontwerpen van de histotripsy bron.

Voor de hier gepresenteerde resultaten werd veneus menselijk bloed getrokken om stolsels te vormen na goedkeuring van de lokale interne beoordelingscommissie (IRB # 19-1300) en schriftelijke geïnformeerde toestemming van vrijwillige donoren24. Deze sectie schetst een ontwerpprotocol om de werkzaamheid van lysotripsie te beoordelen. Het protocol is gebaseerd op een eerder werk van Bollen et al.24.
1. Stolsel modellering
...

Het voorgestelde protocol presenteert een model om de werkzaamheid van lysotripsy bij de behandeling te kwantificeren. Hoewel de belangrijkste details zijn besproken, zijn er bepaalde kritieke aspecten waarmee rekening moet worden gehouden voor het succes van dit protocol. De enzymatische activiteit van rt-PA heeft een Arrhenius temperatuurafhankelijkheid30. Temperatuur is ook een factor die bijdraagt aan de snelheid van geluid in water en weefsel, en variaties in temperatuur kunnen kleine verande...

Trombose is de toestand van stolselvorming in een verder gezond bloedvat dat de bloedsomloop belemmert1,2. Veneuze trombo-embolie heeft een jaarlijkse gezondheidszorgkost van $ 7-10 miljard, met 375.000-425.000 gevallen in de Verenigde Staten3. Longembolie is de obstructie van de longslagader en is het ernstigste gevolg van veneuze trombo-embolie. De primaire bron van longobstructie is diepe veneuze trombi, voornamelijk van iliofemorale veneuze segmenten4,5,6. Diepe veneuze trombose (DVT) heeft inherente gevolgen naast pulmonale obstructies, met complicaties op lange termijn die resulteren in pijn, zwelling, beenzweren en ledemaat amputaties7,8,9. Voor kritieke obstructies zijn kathetergerichte trombolytica (CDT) de eerstelijnsbenadering voor vatrekanalisatie10. De uitkomst van CDT hangt af van een aantal factoren, waaronder trombusleeftijd, locatie, grootte, samenstelling, etiologie en patiëntrisicocategorie11. Bovendien wordt CDT geassocieerd met vasculaire schade, infecties, bloedingscomplicaties en lange behandelingstijd10. Apparaten van de volgende generatie zijn gericht op het combineren van mechanische trombectomie met trombolytica (d.w.z. farmacomechanische trombectomie)12,13. Het gebruik van deze apparaten verlaagt de lytische dosering, wat leidt tot verminderde bloedingscomplicaties en verkorte de behandelingstijd12,13,14 in vergelijking met CDT. Deze apparaten hebben nog steeds problemen met hemorragische bijwerkingen en onvolledige verwijdering van chronische trombi15. Er is dus een adjuvante strategie nodig die de trombus volledig kan verwijderen met lagere bloedingscomplicaties.
Een mogelijke benadering is histotripsy-aided trombolytische behandeling, aangeduid als lysotripsy. Histotripsy is een niet-invasieve behandelingsmodaliteit die gerichte echografie gebruikt om bubbelwolken in weefsels te nucleeren16. Bubbelactiviteit wordt niet gegenereerd via exogene kernen, maar door de toepassing van ultrasone pulsen met voldoende spanning om kernen te activeren die intrinsiek zijn aan weefsels, waaronder stolsel17,18. De mechanische oscillatie van de bellenwolk geeft spanning aan het stolsel, waardoor de structuur uiteenvalt in acellulair puin19. Histotripsy bubbelactiviteit zorgt voor een effectieve afbraak van ingetrokken en niet-teruggetrokken bloedstolsels, zowel in vivo als in vitro20,21,22. Eerdere studies hebben23,24 aangetoond dat de combinatie van histotripsie en de lytische recombinante weefseltype plasminogeenactivator (rt-PA) de werkzaamheid van de behandeling aanzienlijk verhoogt in vergelijking met lytisch alleen of histotripsie alleen. Er wordt verondersteld dat twee primaire mechanismen geassocieerd met histotripsy bubbelactiviteit verantwoordelijk zijn voor de verbeterde werkzaamheid van de behandeling: 1) verhoogde fibrinolyse als gevolg van verbeterde lytische afgifte en 2) hemolyse van rode bloedcellen in het stolsel. Het grootste deel van de stolselmassa bestaat uit rode bloedcellen24en daarom is het volgen van de afbraak van erytrocyten een goed surrogaat voor ablatie van het monster. Andere gevormde stolselelementen zijn waarschijnlijk ook gedesintegreerd onder histotripsy bubbelactiviteit, maar worden niet in dit protocol overwogen.
Hier wordt een benchtop-benadering geschetst om DVT in vitro met lysotripsie te behandelen. Het protocol beschrijft kritische operationele parameters van de histotripsiebron, beoordeling van de werkzaamheid van de behandeling en beeldbegeleiding. Het protocol omvat het ontwerpen van een stroomkanaal om een iliofemoraal veneus segment na te bootsen en het produceren van menselijke volbloedstolsels. De experimentele procedure schetst de positionering van de histotripsiebron en beeldvormingsarray om histotripsy-blootstelling te bereiken langs het stolsel dat in het stroomkanaal is geplaatst. Relevante insonatieparameters om stolselverstoring te bereiken en off-target bubbelactiviteit te minimaliseren, worden gedefinieerd. Het gebruik van echografie voor begeleiding en beoordeling van bubbelactiviteit wordt geïllustreerd24. Statistieken om de werkzaamheid van de behandeling te kwantificeren, zoals stolselmassaverlies, D-dimeer (fibrinolyse) en hemoglobine (hemolyse) worden geschetst23,24,25,26,27. Over het algemeen biedt de studie een effectief middel voor het uitvoeren en beoordelen van de werkzaamheid van lysotripsy om DVT te behandelen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Absorbing sheets</td>
			<td>Precision acoustics</td>
			<td>F28-SMALL-M</td>
			<td>300mm x 300 mm x 10 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Borosilicate Pasteur pippettes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>1367820A</td>
			<td>14.6 cm length, 2 mL capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge tubes</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>22364111</td>
			<td>1.5 mL capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drabkin&#39;s assay</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D5941-6VL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Draw syringe</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-07945-43</td>
			<td>60 mL capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter bags</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5162K111</td>
			<td>Remove particle size upto 1 microns</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow channel tubing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5154K25</td>
			<td>Polyethylene-lined EVA plastic tubing (Outer diameter: 3/8&#34;, Inner diameter: 1/4&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating elements</td>
			<td>Won Brothers</td>
			<td>HT 300 Titanium</td>
			<td>Titanium rods placed at the bottom of tank</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imaging array</td>
			<td>Verasonics</td>
			<td>L11-5v</td>
			<td>128 element with sensitivity from -55 to -49 dB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low gelling agarose</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>A9414</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Model vessel</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5234K98</td>
			<td>6.6 cm length, 0.6 cm inner diameter, 1 mm thickness</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanopure water</td>
			<td>Barnstead</td>
			<td>Nanopure Diamond</td>
			<td>ASTM type I, 18 Mohm-cm resistivity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasma</td>
			<td>Vitalant</td>
			<td>4PF000</td>
			<td>Plasma frozen within 24 hours</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plate reader</td>
			<td>Biotek</td>
			<td>Synergy Neo HST Plate Reader</td>
			<td>For haemoglobin quantification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Probe cover</td>
			<td>Civco</td>
			<td>610-362</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Programming platform</td>
			<td>MATLAB (the Mathworks, Natick, MA, USA)</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant tissue-type plasminogen activator (rt-PA)</td>
			<td>Genentech</td>
			<td>Activase</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reservoir</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-07945-43</td>
			<td>60 mL capacity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-74900-20</td>
			<td>pump attached to the syringe to draw the flow in the flow channel at a pre-determined fized rate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer</td>
			<td>In-house customized</td>
			<td></td>
			<td>Eight-element, elliptically-focused transducer (9 cm major axis, 7 cm minor axis and 6 cm focal length), powered by custom designed and built class D amplifier and matching network</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound scaning system</td>
			<td>Verasonics</td>
			<td></td>
			<td>Vantage Research Ultrasound System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water tank</td>
			<td>Advanced acrylics</td>
			<td>C133</td>
			<td>14 x 14 x 12, 1/2&#34;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an in vitro system to gauge the thrombolytic efficacy of histotripsy and a lytic drug

Diepe veneuze trombose (DVT) is een wereldwijd gezondheidsprobleem. De primaire benadering om vaatrekanalisatie voor kritieke obstructies te bereiken, is kathetergerichte trombolytica (CDT). Om bijtende bijwerkingen en de lange behandelingstijd geassocieerd met CDT te verminderen, zijn adjuvante en alternatieve benaderingen in ontwikkeling. Een van die benaderingen is histotripsy, een gerichte ultrasone therapie om weefsel te aborteren via bubbelwolknucleatie. Preklinische studies hebben een sterke synergie aangetoond tussen histotripsie en trombolytica voor stolselafbraak. Dit rapport schetst een benchtop-methode om de werkzaamheid van histotripsy-aided trombolytische therapie of lysotripsie te beoordelen.
Stolsels vervaardigd uit vers menselijk veneus bloed werden geïntroduceerd in een stroomkanaal waarvan de afmetingen en acousto-mechanische eigenschappen een iliofemorale ader nabootsen. Het kanaal was doordrenkt met plasma en de lytische recombinante weefseltype plasminogeen activator. Bubbelwolken werden gegenereerd in het stolsel met een gerichte ultrasone bron ontworpen voor de behandeling van femorale veneuze stolsels. Gemotoriseerde positioners werden gebruikt om de bronfocus langs de stolsellengte te vertalen. Op elke insonatielocatie werden akoestische emissies van de bellenwolk passief geregistreerd en straalgevormd om passieve cavitatiebeelden te genereren. Metrieken om de werkzaamheid van de behandeling te meten, omvatten stolselmassaverlies (algehele werkzaamheid van de behandeling) en de concentraties van D-dimeer (fibrinolyse) en hemoglobine (hemolyse) in het perfusaat. Er zijn beperkingen aan dit in vitro ontwerp, waaronder een gebrek aan middelen om in vivo bijwerkingen of dynamische veranderingen in de stroomsnelheid te beoordelen naarmate het stolsel lyseert. Over het algemeen biedt de opstelling een effectieve methode om de werkzaamheid van op histotripsy gebaseerde strategieën voor de behandeling van DVT te beoordelen.

Het protocol dat in deze studie wordt geschetst, benadrukt de details van veneuze stolselmodellering, lysotripsie voor stolselverstoring en echografie in een in vitro opstelling van DVT. De goedgekeurde procedure toont de stappen die nodig zijn om stolselverstoring te beoordelen als gevolg van de gecombineerde effecten van rt-PA en histotripsy bubble cloud-activiteit. De benchtopopstelling is ontworpen om de kenmerken van een veneuze iliofemorale ader na te bootsen. Figuur 1A toont een model...

Watch this Scientific Journal Video about An In vitro System to Gauge the Thrombolytic Efficacy of Histotripsy and a Lytic Drug at JoVE.com

An In vitro System to Gauge the Thrombolytic Efficacy of Histotripsy and a Lytic Drug

Histotripsy-aided lytic delivery of lysotripsy is in ontwikkeling voor de behandeling van diepe veneuze trombose. Een in vitro procedure wordt hier gepresenteerd om de werkzaamheid van deze combinatietherapie te beoordelen. Belangrijke protocollen voor het stolselmodel, beeldbegeleiding en beoordeling van de werkzaamheid van de behandeling worden besproken.

Een in vitro systeem om de trombolytische werkzaamheid van histotripsie en een lytisch medicijn te meten

Deep vein thrombosis (DVT) is a global health concern. The primary approach to achieve vessel recanalization for critical obstructions is ...

Dit protocol biedt een benchtop-methode voor het beoordelen van de werkzaamheid en werkingsmechanismen van histotripsie-gehulpte trombolytische therapie of lysotripsie, een alternatieve niet-invasieve benadering voor de behandeling van kritieke diepe veneuze trombose. Deze techniek maakt gebruik van bubbelactiviteit om een tweerichtingseffect te hebben door een verhoogde fibrinolyse als gevolg van een verbeterde lytische afgifte en de hemolyse van rode bloedcellen in het stolsel. Deze benchtop-benadering voor de behandeling van diepe veneuze trombose vergemakkelijkt de modellering van bloedstolsels, behandeling met lysotripsie en gelijktijdige beeldvorming tijdens de behandeling.Bubble cloud generatie, behandelingsplanning en beeldbegeleiding kunnen verder worden gebruikt om in vitro histotripsy-gebaseerde behandelingen van andere ziekten, zoals nier- en levertumoren, te onderzoeken. Om de histotripsy-bron in te stellen, monteert u de bron op een gemotoriseerd positioneringssysteem. Bedek de beeldarray met een sondedeksel en bevestig de array coaxieel in het diafragma van de histotripsybron.Sluit de beeldvormingsarray aan op een echografiescansysteem en dompel de histotripsybron en beeldvormingsarray volledig onder in de tank. Gebruik een spuit om eventuele luchtbellen voorzichtig te verwijderen en gebruik de beeldarray en scanner om ontgaste B-modus waterbeelden te verkrijgen met 20 frames per seconde. Pas tijdens het verkrijgen van de beelden de positie van de beeldarray in de confocale transduceropening aan totdat de bellenwolk zich ongeveer in het midden van het beeldvenster bevindt en noteer de gedetecteerde focuslocatie in het beeldvenster.Stop vervolgens met de insonatie en stel de spanning die op de histotripsybron wordt toegepast in op nul. Om een stolsel voor analyse voor te bereiden, gebruikt u een tang om het afgesloten uiteinde van een pipet met een stolsel te snijden en het stolsel en serum in een petrischaaltje te laten glijden. Gebruik een scalpel om het stolsel tot een lengte van één centimeter te snijden en gebruik een reinigingsdoekje om het gesneden gedeelte voorzichtig te deppen om overtollig vocht te verwijderen.Gebruik een pincet om het gedeelte van het stolsel voorzichtig op een weegschaal te plaatsen en het gewicht te registreren. Til vervolgens handmatig het stroomkanaal op uit een ontgaste omgekeerde osmose watertank en verwijder het modelvat uit het kanaal. Gebruik een pincet om het stolsel voorzichtig in het modelvat te plaatsen zonder het stolsel te beschadigen en bevestig het vat aan het stroomkanaal.Laat het stroomkanaal in de tank zo zakken dat het proximale uiteinde van het stadium ten opzichte van het reservoir laag is in vergelijking met de distale kant en gebruik een pipet om 30 microliter van 37 graden Celsius verwarmd plasma aan het reservoir toe te voegen. Controleer de temperatuur van het waterreservoir totdat het ten minste 36 graden Celsius bereikt en gebruik een pipet om 80,4 microgram rt-PA in het plasmareservoir toe te voegen. Om het stroomkanaal voor te maken, gebruikt u een spuitpomp om plasma uit het reservoir in het kanaal te trekken totdat het modelvat is gevuld.Maak het modelvat vervolgens handmatig waterpas om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen in het modelvat aanwezig zijn, zoals te zien is in het beeldvormingsvenster. Om een pad te plannen voor de histotripsy bron en imaging array voor een uniforme histotripsy blootstelling langs de stolsellengte, gebruik je het imaging script om de gemotoriseerde positioners te gebruiken om de imaging array parallel aan de lengte van het stolsel uit te lijnen en te bevestigen dat er geen luchtbellen aanwezig zijn in het vat. Gebruik de gemotoriseerde positioners om de beeldarray zo uit te lijnen dat het beeldvlak evenwijdig is aan de doorsnede van het stolsel.Gebruik het beeldvormingsvenster als leidraad en verplaats de histotripsiebron naar het proximale uiteinde van het stolsel, ten opzichte van het reservoir. Om het insonatiepad langs de stolsellengte te bepalen, stelt u waypoints in over de lengte van het stolsel in stappen van vijf millimeter. Voorafgaand aan het finaliseren van elk waypoint, vuurtestpulsen van de histotripsiebron met dezelfde insonatieparameters als aangetoond, maar met de totale blootstelling teruggebracht tot 10 totale pulsen.Sla op elk waypoint de motorposities op met behulp van de door de fabrikant aangegeven commando's. Om het stolsel langs de lengte te behandelen volgens het pad dat is gedefinieerd in de voorbehandelingsstap, stelt u de spuitpomp in op 0,65 milliliter per minuut en wacht u tot de meniscus van het plasma beweegt. Interpoleer het behandelingspad met tussenstappen tussen de vastgestelde waypoints met een vaste stapgrootte en gebruik de positioners om de histotripsy-bron op elke padlocatie te verplaatsen, met behulp van de oorspronkelijk ingestelde insonatieparameters.Maak vervolgens een script om de beeldvormingsarray in te stellen om een B-modusbeeld van het stolsel en het modelvat te verkrijgen een paar seconden voor de toepassing van histotripsy-puls op elke locatie. Pas vervolgens de histotripsy-puls toe op elk waypoint en verkrijg de akoestische emissies in het script om passieve cavitatiebeelden te vormen na de analyse. Gebruik het afbeeldingsvenster om de belactiviteit tijdens het aanbrengen van de histotripsypuls op elke padlocatie in beeld te brengen.Til na de analyse het modelvat handmatig uit de watertank om het perfusaat via de zwaartekracht af te tappen en gebruik de spuitpomp om de plasmaoplossing uit het stroomkanaal te trekken om het volledige perfusaat in een klein bekerglas te kunnen verzamelen. Koppel het modelvat los en verwijder het stolsel. Veeg vervolgens het stolsel af met laboratoriumweefsels en weeg het stolsel om het verlies van de stolselmassa te beoordelen.Bij toepassing van voldoende spanning op de histotripsiebron wordt een bellenwolk gegenereerd in het focale gebied van de transducer en gevisualiseerd via echografie. De brandpuntspositie wordt gedefinieerd als het centrum van de bellenwolk. Dit controleperfusaat van een stolsel dat alleen aan plasma werd blootgesteld, en dit perfusaat van een met lysotripsie behandeld stolsel werden gebruikt om het hemoglobine- en D-dimeergehalte te beoordelen zoals aangetoond.De variabiliteit in hemoglobineconcentratie kan worden gekwantificeerd door optische absorptie. Hier kan een stolsel worden gevisualiseerd in een modelvat via B-modus beeldvorming voorafgaand aan histotripsieblootstelling om de stolselpositie te bepalen voor segmentatie van het passieve cavitatiebeeld. Zoals dit passieve cavitatiebeeld samen met het B-modusbeeld van het stolsel bevestigt, bevindt de akoestische energie zich voornamelijk in het stolsel tijdens de histotripsieblootstelling.In monsters die worden blootgesteld aan histotripsie, is verstoring voornamelijk beperkt tot het stolselcentrum, in overeenstemming met de waargenomen locaties van bubbelactiviteit die worden gevolgd via passieve cavitatiebeeldvorming. Met de toevoeging van lytisch treedt massaverlies ook op in regio's dichter bij de periferie van het stolsel. Als alternatief kunnen ecogene liposomen die rt-PA bevatten, worden gebruikt in plaats van systemische rt-PA-toediening om de beoordeling van gerichte medicijnafgifte aan het stolsel mogelijk te maken.Lysotripsy biedt een alternatieve niet-invasieve benadering voor de behandeling van vele ziekten. Dit in vitro protocol maakt het mogelijk om de werkzaamheid van de behandeling en het potentiële succes ervan in in vivo toepassing te beoordelen.

Een in vitro systeem om de trombolytische werkzaamheid van histotripsie en een lytisch medicijn te meten

Abstract