BMEF | 粒子介导的组织消融在处理管腔生物膜中的应用
https://doi.org/10.34133/2022/9826279
近日，美国弗吉尼亚理工大学的Christopher Childers教授团队在Science合作刊 BMEF 上发表题为" Particle-Mediated Histotripsy for the Targeted Treatment of Intraluminal Biofilms in Catheter-Based Medical Devices "的文章。
导管型医疗器械（Catheter-Based Medical Devices，CMBD）是一种常见的由医学材料制成的细管，具有排尿、透析等多种功能。CBMDs通常会因为悬浮细菌与非生物导管壁结合而形成生物膜，一旦脱落，将导致导管相关血流感染（Catheter-Related Bloodstream Infections，CRBSI）。传统的组织消融( Histotripsy)方法可以用于精确定位导尿管的内腔，去除内腔生物膜，并杀死悬浮的细菌，但通常需要高峰值负压（p-）大于25 MPa以产生空化气泡云。此外，传统的组织消融术还需要实时图像引导来实现精确的靶向，在临床环境中，对医生的专业性要求很高。因此，开发一种选择性靶向已形成的管腔生物膜并应用于预防或处理CBMD生物膜的方法已迫在眉睫。
在本项研究中，Christopher Childers教授团队开发了一种全氟己烷（Perfluorohexane）“纳米锥”（Nanocones, NCs），该纳米微粒可以降低组织消融空化阈值，且尺寸更小，稳定性更高。这些颗粒能在特定的区域产生组织分解空化，从而不需要强大的组织消融换能器和实时图像引导。作者团队研究了在导管模拟模型中使用粒子介导的组织消融术（Particle-Mediated Histotripsy，PMH）处理管腔生物膜的可行性。
首先，研究团队进行了导管内选择性空化阈值的测试，对含有普通微泡（Microbubbles, MBs）、NCs和无颗粒的样本（常规组织消融对照）分别进行了测试。假设PMH可以用来降低空化压力阈值，测试在导管内产生组织消融空化云所需的压力（图1）。
图1：实验装置。(a)显示3D定位系统的示意图，该系统用于通过带有同轴超声成像和垂直高速光学成像的固定组织消融换能器的焦点精确移动样品。(b)微气泡的分子结构。(c)纳米锥簇的分子结构。(d)实验装置的视觉图像。(e)带有生物膜和15.5 mm处理区的导管的图示。(f)带有结晶紫染色生物膜的导管的视觉图像。
结果显示，与对照样本相比，PMH的空化阈值显著降低，超声成像显示导管腔内动态变化的高回声区为空化云，光学成像显示导管腔内黑暗、界限分明的气泡云。MBs和NCs导管腔内观察到的气泡云（图2）在明显低于组织固有阈值的压力下显现，符合预期。
图2：MB介导空化。含有MBs或NCs的导管在一定浓度范围和选定压力下产生的空化气泡云的同轴超声成像和垂直光学成像
图3：MB和NC空化阈值。该图显示了在导管模拟管腔内产生PMH空化所需的压力。空化阈值表示(a) MB (b) NC初始空化产生
随后，作者团队比较含有 MBs、NCs的样品的空化阈值，研究表明NCs可以在多个脉冲过程中用作可持续的空化核，与MBs相比，NCs具有稳定的分子结构和降低空化阈值的机制（PFH流体与受限制气体核），所以NCs有更一致的空化降低曲线（图3）。
为了验证 PMH可以在导管内产生选择性管腔空化而不在导管外产生任何空化的假设，作者团队进行了第二组空化实验，结果表明在12.3 MPa下，PMH能够在腔内产生选择性的空化（图4）。与传统方法相比，这将不需要精确图像引导，并且可以用大焦点区域的换能器在包含CBMD的大体积上快速扫描，去除粘附的细菌并防止生物膜成型，达到重复处理的效果。减少了专业人员的培训时间和技术要求，用于门诊更加方便经济。
图4：MB介导选择性空化。显示不同的MB、NC浓度，仅焦点覆盖表示选择性空化的管腔
之后，研究团队进行了生物膜的去除实验。结果显示MB介导的组织消融术（MB-Mediated Histotripsy，MMH）在12.3 MPa的压力下产生的气泡云在整个处理过程中完全充满了导管内腔，经MMH处理后，导管腔内结晶紫染色消失，表明生物膜已被清除（图5(c)）。应用NC介导的组织消融术（NC-Mediated Histotripsy，NMH）处理的导管，管腔内的结晶紫染色明显减少（图5(e)）。由于NMH产生的空化没有完全充满导管内腔，去除效果不佳，可以使用更高的压力来优化，更有效地去除生物膜。实验结果表明，在明显低于常规组织消融术固有阈值的压力水平下，使用PMH产生组织消融气泡云能有效去除细菌生物膜，可用于安全、精确和非侵入性地去除生物膜，相比于常规组织消融术更具优势。
图5：MB生物膜去除。MB和NC生物膜在12.3 MPa 、200 PRF下去除生物膜。总处理区15.5 mm，每次增量500个脉冲，焦点增量为0.1 mm。 (a)溶解CV着色剂在590 nm的光密度。(b)未处理。(c)经MB处理。 (d)未处理。(e) 经NC处理。
最后，研究团队测试了PMH杀死悬浮细菌的能力。理想的PMH疗法既能去除细菌生物膜，又能破坏生物膜去除后释放的悬浮细菌，通过对含有MBs和NCs的样品进行多次扫描。结果显示，在使用MBs和NCs的多次扫描处理中，PMH的杀菌效果略有增加，对于4次和6次扫描处理，未处理的样品和MMH处理的导管存在显著统计学差异（p<0.05），而对于任何经NMH处理的导管无显著差异（图6）。作者认为组织消融气泡云产生的压力会影响杀菌效果。因为组织消融术需要一致的气泡云才能有效，随着扫描次数的增加，空化的消失会影响杀菌活性。在未来的研究中，可以开发更稳定的粒子，延长处理时间，增加粒子的浓度，注射恒定的新鲜粒子流，或者开发特异性结合细菌细胞的粒子以增加PMH消融的效率。
图6：MB和NC对悬浮细菌的杀菌作用。图中显示了处理后的活菌量，对照导管模拟填充有悬浮的PA14和1×109微泡/mL，(a) 6×10-6 PFH mL/mL水，(b) 扫描处理换能器通过导管的次数。
总的来说，本研究验证了PMH处理管腔内生物膜是一种方便、快捷、经济、有效的方法，能降低对专业人员和特殊设备的依赖性，也可预防管腔内生物膜的形成，改善对患者的治疗结果并降低了医疗成本。在预防及处理管腔生物膜方面具有深远意义。
作者介绍
本研究的通讯作者是Christopher Childers教授，目前就职于美国弗吉尼亚理工大学Carilion医学院，主要的研究领域包括聚焦超声和组织分析、空化物理、纳米粒子介导组织分析等。撰稿：李天冉、 张宏
审核：孙敏轩、刘萍萍、邓旻
原文链接：
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