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Nature子刊: 超声波驱动的可植入微光源(μLight)用于肿瘤PDT

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μLight用于PDT有望治疗深层肿瘤

光动力疗法(PDT)在肿瘤治疗方面非常具有前景,然而,迄今为止,光在生物组织中的低穿透性(<1cm)限制了其的应用范围。

Nature子刊: 超声波驱动的可植入微光源(μLight)用于肿瘤PDT
Δ 图1:b插图的植入式μLight深部肿瘤:超声波应用从外部传感器触发光穿过组织代μLight,从而激活光敏剂,进而产生活性氧(ROS)来杀死癌细胞。

避免这种限制的一种可能方法是在肿瘤内部署无线微型光源。前面文章介绍过的射频微型光源,深度最大可达5 cm;类似地,粘合组织的无线供电式发光器件用于节律性PDT治疗肿瘤。在本文中,我们介绍一种超声波驱动的可植入微光源(Ultrasonically-
Powered Micro-Light-Source,μLight),它可以将超声波转换成原位光(in-situ light),使其传递到深层实体肿瘤。


μLight 装置

超声波供电允许小的接收器形状因子(毫米级),因此活检针可以轻松地将其植入组织深部。此外,超声波供电可以在深部组织中供电(> 10cm),这是传统感应方法无法实现的。植入物由压电传感器组成,压力传感器尺寸为2×2×2 mm3和2×4×2 mm3,表面带有微型红色和蓝色LED。当在720 kHz下以185 mW / cm2的功率通电时,μLight可以产生0.048至6.5 mW /cm2的光功率(取决于压电元件的尺寸和光波长光谱)。

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Δ 图2:(c)超声供电。(d)μLigh制造工艺

图1b示出了植入深部肿瘤(例如,胰腺)中的μLight。外部超声换能器产生声波,该声波穿过组织到达植入物。通电后,板载LED亮起并激活光敏剂。根据使用的光敏剂,选择合适的LED。μLight可以在2×2×2mm3传感器的表面上携带多达四个LED,或者在2×4×2mm3的上携带多达六个;因此,能够充分激活靶位置的光敏剂。

Nature子刊: 超声波驱动的可植入微光源(μLight)用于肿瘤PDT
Δ 表1:μLight中使用的组件的特性

体外试验表明μLight 用于PDT的有效性

体外试验表明,与对照组相比,用μLights照射的HeLa细胞的平均细胞活力降低了70%。植入4T1诱导的肿瘤(乳腺癌)的小鼠体内试验显示uLight的光传递能力,满足治疗剂量水平。结果表明植入多个μLight并且操作它们1-2小时,产生的细胞毒性水平与使用外部光源的临床报告中的相当。

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Δ 图3:(c)体内实验设置:μLight植入老鼠。(d)鼠光学图像(PDT治疗后24小时内)

μLight可用于原发性或转移性不可切除的实体瘤。如胰腺癌,其中80%的肿瘤不可切除且容易复发。μLight可用于消融或缩小肿瘤,μLight允许剂量分级(即,治疗可以在几个疗程中施用),因此既减少副作用又增加功效。最后,最近在头骨上传输超声治疗/消融颅内肿瘤的进展为将μLight通过钻孔放置在肿瘤中(不需要大量侵入性开颅手术的情况下)进行PDT提供全新的机会。

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Δ 图4:(e)植入时肿瘤体积随植入装置大小的变化。PDT治疗μLights 7天进行手术后伤口愈合

作者:Albert Kim1, Jiawei Zhou2,3, Shayak Samaddar4, Seung Hyun Song5, Bennet D. Elzey6,
David H. Thompson 4 & Babak Ziaie2,3
作者单位:
1Department of Electrical and Computer Engineering, Temple University, Philadelphia, PA, USA.
2School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN , USA.
3Birck Nanotechnology Center,West Lafayette, IN, USA.
4Department of Chemistry, Purdue University, West Lafayette, IN, USA.
5Department of Electronic Engineering, Sookmyung Women’s University, Seoul, Republic of Korea.
6Department of Comparative Pathobiology, Purdue University, West Lafayette, IN , USA.
来源:Scientific Reportsvolume 9, Article number: 1395 (2019)
链接:https://www.nature.com/articles/s41598-019-38554-2


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