超声联合微泡增强细胞内药物递送的研究进展

超声联合微泡介导的细胞内药物递送是通过微泡的声空化与细胞的相互作用而实现的.作为一种非侵入式的、非病毒的、具有靶向性的、可在成像技术引导下的药物递送技术,超声联合微泡在临床应用上具有独特的优势.该文围绕超声联合微泡实现药物递送的发生机理,从微泡的声学动态响应、细胞响应、细胞外物质进入细胞的动态过程及临床试验进展4方面对...     

经颅聚焦超声联合微泡开放血脑屏障的数值仿真研究

近年大鼠等动物实验表明经颅聚焦超声联合微泡技术可无创开放血脑屏障实现药物递送,但在临床治疗时由于人体头颅非均质结构及其高声衰减特性,需优化超声经颅聚焦参数和微泡参数。本文基于人头颅CT数据、82阵元相控换能器和血管建立了三维数值仿真模型,研究超声及微泡参数对机械指数和靶区声发射的影响,评估血脑屏障开放程度及组织损伤的可能性。结果表明,声功率和微泡初始密度增大,机械指数和宽带噪声强度增大;频率增大,稳态空化强度增大;当微泡初始半径大于5μm时,稳态空化显著增强。该研究结果为经颅聚焦超声联合微泡技术诱导可控的BBB开放及安全有效递送治疗药物提供了理论数据和技术参考。     

多层膜磁性微泡的非线性声振动特性

超顺磁性氧化铁纳米粒子与造影剂微泡结合形成磁性微泡,用于产生多模态造影剂,以增强医学超声和磁共振成像.将装载有纳米磁性颗粒的微泡包膜层看作由磁流体膜与磷脂膜组合而成的双层膜结构,同时考虑磁性纳米颗粒体积分数a对膜密度及黏度的影响,从气泡动力学基本理论出发,构建多层膜结构磁性微泡非线性动力学方程.数值分析了驱动声压和频率等声场参数、颗粒体积分数、膜层厚度以及表面张力等膜壳参数对微泡声动力学行为的影响.结果表明,当磁性颗粒体积分数较小且a≤0.1时,磁性微泡声响应特性与普通包膜微泡相似,微泡的声频响应与其初始尺寸和驱动压有关;当驱动声场频率f为磁性微泡共振频率f0的2倍(f=2f0)时,微泡振动失稳临界声压最低;磁性颗粒的存在抑制了泡的膨胀和收缩但抑制效果非常有限;磁性微泡外膜层材料的表面张力参数K及膜层厚度d也会影响微泡的振动,当表面张力参数及膜厚取值分别为0.2—0.4 N/m及50—150 nm时,可观察到气泡存在不稳定振动响应区.     

微泡对高强度聚焦超声焦域影响的研究

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU治疗焦域的影响尚不清楚。本文基于声传播方程、Yang-Church气泡运动方程、生物热传导方程、时域有限差分法(FDTD)、龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入功率、激励频率和气泡初始半径对HIFU在含气泡体模中形成焦域的影响,并利用含Sono Vue造影剂的仿组织体模研究进行实验验证。结果表明,增大输入功率、气泡初始半径和升高激励频率均可增大焦域,随着输入功率的增大,焦域形状可能发生变化,而随着激励频率升高和气泡初始半径的增大,焦域会向远离换能器的方向移动。     

超声微泡低频动力学特性及其生物效应

理论上利用有耗散函数的Lagrange方程,建立了有壳微泡的R(t)运动方程,开展了自由空间中有壳微泡动力学特性的研究,表明微泡内外半径增量随声压的增大、超声频率的降低、初始内径的增大及壳厚的减薄而迅速增大。实验上,利用Mie散射技术在80°散射角和前向Mie散射检测新技术实验测量了微泡R(t)曲线;利用体视显微镜,实时观察了超声微泡对动物活体微血管损伤,开展了超声微泡生物效应的动物和细胞试验研究。结果表明:(1)超声作用下,微泡引起肿瘤中微血管壁周期性膨胀收缩而发生管壁破裂,形成血栓和微血管栓塞,抑制了肿瘤生长;(2)超声联合微泡可以破坏微血管内皮生长因子(VEGF)和肝癌细胞,可以减少肿瘤血管和癌细胞再生,因此,低频超声联合微泡技术是一种值得探索抑制肿瘤生长的新技术。     

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

结合空化微泡母小波变换的高空化噪声比超快速主动空化成像方法

为了提高空化图像的质量,该文提出一种结合空化微泡母小波技术(CBWT)、波束合成和平方差值求和减影(SSD)的超快速主动空化成像方法。该方法首先发射平面波并接收空化回波信号;其次,基于RPNNP模型构建空化微泡母小波,对空化回波信号进行连续小波变换;再次,对获得的小波系数进行波束合成,包括延迟叠加算法(DAS)、最小方差算法(MV)和相干系数最小方差算法(MVCF),再结合SSD,得到空化图像。结果表明,与未采用CBWT相比,基于CBWT-DAS-SSD、CBWT-MV-SSD和CBWT-MVCF-SSD的空化噪声比分别提高了16.34 dB、15.07 dB、17.71 d B。该方法可提高空化成像质量,为空化动态实时监控提供参考。     

流动微泡群瞬态空化强度时域分布的比例反馈调节*

声波、血流环境及流动微泡群的稳定性都会影响焦区内瞬态空化强度(ICI)在超声作用时间内的分布,从而影响基于瞬态空化的治疗效率和生物安全性。本文在搭建仿体中流动微泡群瞬态空化发生和实时测量系统的基础上,设计了基于LabView FPGA的比例反馈控制器,在保持脉冲重复频率和脉冲长度不变的条件下,通过选择适当的比例系数,依据当前周期的声波激励下实时测量的ICI,实时调节下一周期声波信号的峰值负压,以调控ICI在时间上的分布。研究表明,在最优比例系数(1 × 107)下,和开环系统相比,ICI的稳定率提升~2.31 倍,ICI的时域下降速率减小~94.41%;在超声作用时间内总ICI也基本达到期望水平。这些结果表明该比例反馈控制器在调控脉冲超声激励下流动微泡群ICI时域分布的有效性,有望改进瞬态空化在相关疾病治疗中的效率和安全性。     

超声波作用下泡群的共振声响应

从球状泡群气泡动力学方程出发, 考虑泡群间次级声辐射的影响, 得到了声场中两泡群共同存在时气泡振动的动力学方程, 并以此为基础探讨声波驱动下双泡群振动系统的共振响应特征. 由于泡群间气泡间的相互作用, 系统存在低频共振和高频共振现象, 两不同共振频率的数值与泡群内气泡的本征频率相关. 泡群内气泡的本征频率又受到初始半径、泡群大小和泡群内气泡数量的影响. 气泡自由振动和驱动声波的耦合激起泡群内气泡的受迫振动, 气泡初始半径、气泡数密度和驱动声波频率等都会影响泡群内气泡的振动幅值和初相位. 关键词： 气泡群 共振 声响应 超声空化     

Nonlinear oscillation characteristics of magnetic microbubbles under acoustic and magnetic fields

Microbubbles loaded with magnetic nanoparticles (MMBs) have attracted increasing interests in multimode imaging and drug/gene delivery and targeted therapy. However, the dynamic behaviors generated in diagnostic and therapeutic applications are not clear. In the present work, a novel theoretical model of a single MMB was developed, and the dynamic responses in an infinite viscous fluid were investigated under simultaneous exposure to magnetic and acoustic fields. The results showed that the amplitude reduces and the resonant frequency increases with the strength of the applied steady magnetic field and the susceptibility of the magnetic shell. However, the magnetic field has a limited influence on the oscillating. It is also noticed that the responses of MMB to a time-varying magnetic field is different from a steady magnetic field. The subharmonic components increase firstly and then decrease with the frequency of the magnetic field and the enhanced effect is related to the acoustic driving frequency. It is indicated that there may be a coupling interaction effect between the acoustic and magnetic fields.     

超声药物释放空化动力学行为研究

以直径1 μm的脂质体为空化研究对象,从修正的Rayleigh空化方程入手,研究机械系数(MI)对300 kHz和1 MHz超声作用时空化效应的影响。脂质体的药物释放以超声作用前后脂质体中钙黄绿素的荧光强度为量度。模拟结果表明:在微泡振荡过程中,由超声波驱动产生的负向最大泡壁运动速度促使微泡半径从最大快速减小接近于零,微泡积聚到最大能量。对于300 kHz和1 MHz的激励超声,存在一个拐点(MI)值,当MI小于接近0.4时,1 MHz微泡半径变化幅度强于300 kHz;当MI>0.4时,300 kHz微泡半径变化幅度强于1 MHz。这一结果预示在此范围内,300 kHz的药物释放效果好于1 MHz。本研究为超声空化效应研究及超声药物释放应用提供了理论依据。     

Microbubble characteristic in a T-junction microchannel in microfluidic chip

Formation characteristic of microbubble in a T-junction microchannel in polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chip is investigated. Microbubble formation experiments are carried out to investigate the effects of liquid flow rate, gas pressure and gas channel width on the detachment volume and formation time of microbubble. The growth process of the bubble is described by the form of force analysis, and the definition of the bubble detachment distance is introduced. The equivalent spherical theoretical model of bubble detachment diameter prediction is established, and the numerical solution of the model is obtained by the fourth-order Runge–Kutta method. The prediction results of theoretical model correlate well with the experimental data.     

Resonantly driven exciton Rabi oscillation in single quantum dots emitting at 1300 nm

We report on the resonance fluorescence(RF) from single In As quantum dots(QDs) emitting at the telecom band of 1300 nm. The InAs/GaAs QDs are embedded in a planar optical microcavity and the RF is measured by an orthogonal excitation-detection geometry for deeply suppressing the residual laser scattering. An ultra-weak He–Ne laser is necessary to be used as a gate laser for obtaining RF. Rabi oscillation with more than one period is observed through the picosecond(ps) pulsed laser excitation. The resonant control of exciton opens up new possibilities for realizing the on-demand single photon emission and quantum manipulation of solid-state qubits at telecom band.     

The birhythmicity increases the diversity of p53 oscillation induced by DNA damage

The tumor suppressor p53 mediates the cellular response to various stresses. It was experimentally shown that the concentration of p53 can show oscillations with short or long periods upon DNA damage. The underlying mechanism for this phenomenon is still not fully understood. Here, we construct a network model comprising the ATM-p53-Wip1 and p53-Mdm2 negative feedback loops and ATM autoactivation. We recapitulate the typical features of p53 oscillations including p53 birhythmicity. We show the dependence of p53 birhythmicity on various factors such as the phosphorylation status of ATM. We also perform stochastic simulation and find the noise-induced transitions between two modes of p53 oscillation,which increases the p53 variability in both the amplitude and period. These results suggest that p53 birhythmicity enhances the responsiveness of p53 network, which may facilitate its tumor suppressive function.     

飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射空间分布特性

采用单电子模型研究了不同偏振、不同强度飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射的空间分布特性。研究发现:随着激光强度的增加,对圆偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由全空间分布变为前向双叶型结构,而对线偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由类似于偶极天线辐射特性的四重对称双叶结构变为双重对称三叶型结构,这可以为实验研究电子的辐射提供空间分布的相关依据。     

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应

根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.     

飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射空间分布特性

 采用单电子模型研究了不同偏振、不同强度飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射的空间分布特性。研究发现:随着激光强度的增加,对圆偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由全空间分布变为前向双叶型结构,而对线偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由类似于偶极天线辐射特性的四重对称双叶结构变为双重对称三叶型结构,这可以为实验研究电子的辐射提供空间分布的相关依据。     

生物钟基因网络中分子噪声诱导的日夜节律振荡及相干共振

研究了果蝇细胞内生物钟基因调节网络的分子噪声，特别讨论了生物钟系统处于略微远离振荡区域的稳态时分子噪声对于时钟蛋白的日夜节律振荡的影响.结果表明：(1)虽然时钟蛋白合成或者衰减的生化反应事件是在随机的时间间隔里随机发生的，但系统可以依赖自身固有的调节机理诱导出明显的日夜节律振荡；(2)分子噪声诱导的日夜节律振荡的相干性可以在合适的分子噪声水平下到达最佳，说明了相干共振现象的发生.     

生物钟基因网络中分子噪声诱导的日夜节律振荡及相干共振

研究了果蝇细胞内生物钟基因调节网络的分子噪声,特别讨论了生物钟系统处于略微远离振荡区域的稳态时分子噪声对于时钟蛋白的日夜节律振荡的影响.结果表明：(1)虽然时钟蛋白合成或者衰减的生化反应事件是在随机的时间间隔里随机发生的,但系统可以依赖自身固有的调节机理诱导出明显的日夜节律振荡;(2)分子噪声诱导的日夜节律振荡的相干性可以在合适的分子噪声水平下到达最佳,说明了相干共振现象的发生. 关键词： 生物钟 分子噪声 日夜节律振荡 相干共振