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Sonoporation bezeichnet die vorübergehende unspezifische Permeabilität von Zellmembranen unter Ultraschalleinwirkung, die durch den Einsatz von Mikroblasen verstärkt werden kann. Eine effektive Permeabilität wird durch die starke Oszillation der Mikroblasen und deren anschließenden Auflösung hervorgerufen [1,2]. Eine gezielte Nutzung dieses Effekts in der Therapie hängt wesentlich von den Parametern der akustischen Anregung der Mikroblasen ab: Bei hohen Druckamplituden sterben viele Zellen ab, bei niedrigen Druckamplituden tritt nur wenig Sonoporation auf [3]. Problematisch ist, dass die Druckamplituden der Schallwellen im Therapiegebiet auf Grund von Gewebedämpfung und konstruktiven bzw. destruktiven Interferenzen oft deutlich von den Kalibrationsmessungen abweichen. Deswegen ist eine zuverlässige Vorhersage der Druckamplitude im Therapiegebiet nicht möglich. Zusätzlich können die Umgebungsbedingungen variieren, da eine Therapieanwendung häufig über verschiedene Positionen der Beschallung definiert ist.
Der hier vorgestellte Ansatz besteht darin, über eine Steuerung der Schalldruckamplitude eine kontrollierte Sonoporationsrate zu gewährleisten: Die Mikroblasen werden akustisch beobachtet, um ihre Zerstörung in aufeinanderfolgenden Pulsen zu detektieren. Außerdem wird die Gesamtdämpfung des geschichteten Gewebes bestimmt. Auf diese Weise wird es möglich, die Anregung der Mikrobläschen auf einen spezifischen Arbeitspunkt einzustellen.
Das Gerät für die sonoporationsunterstützte Therapie besteht aus einem 1MHz Ringwandler (130mm Durchmesser) mit einer zentralen Öffnung von 60mm Durchmesser und einem Fokusabstand von 100mm (Imasonic, Voray-sur-l'Ognon, France), der anwendungsspezifisch hergestellt wurde. Die -6 dBFokusbreite von lateral 1,45mm und axial 11,4mm wurde mit einem kalibrierten Nadelhydrophon (0,2mm Nadeldurchmesser, Precision Acoustics, Inc., Dorchester, UK) bestimmt. Über ein wassergefülltes Gehäuse mit einer schalltransparenten Polyehtylenmembran (0,025mm Dicke, Goodfellow Cambridge Ltd., Huntingdon, UK) und eine Gelschicht wird der Schall in das Phantom eingekoppelt. Ein lineares Bildgebungsarray eines programmierbaren, medizinischen Ultraschallgeräts (L14–5/38, Sonix Touch, Ultrasonix, Richmond, Kanada) ist in der Mitte des Ringwandlers positioniert, so dass eine Beobachtung des Therapiegebietes und die Aufzeichnung von zurückgestreuten Therapiesignalen möglich sind.
Das Flussphantom besteht aus einem 0,8mm hohen Kanal in einer Polystyrenfolie (µ-Slide upright, Ibidi, Martinsried, Germany), die in ein Phantom aus Polyvinylalkohol (PVA) eingebettet ist. Die Mikroblasenlösung aus 0,1ml SonoVue (Bracco SpA, Milano, Italien) in 100ml Phosphat-gepufferter Saline wird mit einem konstanten Fluss durch den Kanal gepumpt. Im Kanal des Zellcontainers werden die Zellen kultiviert. Zwischen Membran und Phantom können verschiedene Dämpfungsschichten aus PVA platziert werden.
Der Algorithmus basiert auf der Mikroblasen-Zerstörungsdetektion mit einer Doppelpulstechnik. Dazu sendet der Ringwandler nacheinander zwei identische Sinuspulse (5 Perioden bei 1MHz). Die Echos werden vom linearen Bildgebungsarray aufgenommen. Bei zunehmender Schallamplitude indiziert eine Dekorrelation der Echos die Zerstörung von Mikroblasen [4]. Weiterhin kann die Gewebedämpfung aus den zurückgestreuten, hochfrequenten Signalen des Bildgebungsarrays geschätzt werden [5,6]. Beide Informationen werden kombiniert, um die Übertragungsfunktion des Schallweges zu schätzen. Diese Übertragungsfunktion wird in eine Regelstrecke zur Ansteuerung des Ringwandlers eingebracht.
Bei der Evaluierung der Methode durch eine gleichzeitige optische Überwachung konnte nachgewiesen werden, dass mithilfe des Algorithmus die Anzahl der zerstörten Mikroblasen bestimmt werden kann. Der Zerstörungsschwellwert von SonoVue im Flussphantom lag bei 0,46 MPa mit einem RMSE von 0,14 MPa unabhängig von variierenden Gewebedämpfungen (0,1–4 dB). Im Zellexperiment mit SW480-Zellen wurde bei diesem Schwellwert die höchste Sonoporationsrate (4,6%) mit einer geringen Anzahl von toten Zellen (0,3%) erreicht.
Schlussfolgerung/Summary:
Durch den Einsatz der entwickelten Technik kann ein günstiger Arbeitspunkt der Schalldruckamplituden für die sonoporationsunterstützte Therapie unabhängig von Gewebedämpfung und Interferenzen eingestellt werden. Dadurch wird eine effektive und sichere Therapieanwendung möglich.
[1] A. vanWamel, K. Kooimann, M. Harteveld, M. Emmer, F.J. ten Cate, M. Versluis, and N. De Jong, „Vibrating microbubbles poking individual cells: Drug transfer into cells via sonoporation,“ J Controlled Release, vol. 112, no. 2, pp. 149–155, 2006.
[2] K. Hensel, R. Haagen, A. Maghnouj, S.A. Hahn, and G. Schmitz, „Evaluation ofsubharmonic emission from encapsulated microbubbles as an indicator for sonoporation of cell monolayers,“ in IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, pp. 19–22, 2009.
[3] H.R. Azencott, G.F. Peter, and M.R. Prausnitz, „Influence of the cell wall on intracellular delivery to algal cells by electroporation and sonification,“ Ultrasound Med Biol, vol. 33, no. 11, pp. 1805–1817, 2007.
[4] J.E. Chomas, P. Dayton, J. Allen, K. Morgan, K.W. Ferrara, „Mechanisms of contrast agent destruction,“ IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, vol. 48, no. 1, pp. 232–248, 2001.
[5] T.A. Bigelow, „Ultrasound attenuation estimation using backscattered echoes from multiple sources,“ J Acoust Soc Am, vol. 124, no. 2, pp. 1367–1373, 2008.
[6] Y. Labyed and T.A. Bigelow, „Estimating the total ultrasound attenuation along the propagation path by using a reference phantom,“ J Acoust Soc Am, vol. 128, no. 5, pp. 3232–3238, 2010.
Mikroblasen - Sonoporation - Doppelpulstechnik - Dämpfungsschätzung - Steuerung
