Development of a histotripsy agent using host-guest interaction

Abstract

Histotripsy is a mechanical cell ablation technique, which works on the mechanism of acoustic cavitation using microsecond-long, high-frequency ultrasound (US) pulses that can generate a bubble cloud (cavitation) using the already existing gas pockets in the tissue. Once the bubble cloud gains enough energy, it collapses resulting in the cellular destruction/ablation of the surrounding tissue. Histotripsy requires extremely high pressures to initiate cavitation in the tissue. Recently developed Nanodroplet Mediated Histotripsy (NMH) addresses this limitation by lowering the cavitation threshold using perfluorocarbon filled nanodroplets as a histotripsy agent. Despite the fact that these nanodroplets work perfectly for NMH, the synthesis of these nanodroplets is complex, and requires expertise in the eld of polymer chemistry. Thus, this work aims to address the need for a new histotripsy agent that can work as e ectively as nanodroplets, but have better potential in terms of being more user-friendly, straightforward, and economical. Two currently available Food and Drug Administration (FDA) approved and commercial compounds, -cyclodextrin (BCD) and perfluorohexane (PFH), were used to obtain an inclusion complex (IC) through host-guest interaction, where hydrophobic cavity of BCD accommodates hydrophobic perfluorocarbon that might act as cavitation nuclei, and lower the threshold during histotripsy treatment. PFH was successfully encapsulated in the cavity of BCD with an encapsulation efficiency of 98%. Physiochemical characterization of the IC supported the complex formation and indicated the potential of having more than one PFC in the cavity, depending on PFH/BCD ratio. The size of the complex was measured at 48 nm, which is smaller than the size of nanodroplets. However, it has a tendency to form a bigger self-assembly depending on the dispersion concentration, which may affect cavitation behavior. Hemolytic activity and cytotoxicity experiments revealed that the inclusion complex is biocompatible at the concentration as high as 1 mg/mL. Finally, the ability to lower cavitation threshold for histotripsy was tested, and it showed that it acts as desired nuclei sites for cavitation at low pressures of around 15 MPa, indicating that this new agent can be effectively used as a histotripsy agent.

Histotripsi, mikrosaniye boyunda, yüksek frekanslı ultrason (US) sinyallerini kullanarak, akustik kavitasyon mekanizmasını ile mekanik olarak hücre parçalama tekniğidir. Bu US sinyalleri vücutta hâlihazırda çözünmüş olarak bulunan gaz baloncuklarından bir baloncuk bulutu oluştururlar. Bu bulutun yeteri kadar enerji kazanarak parçalanması sonucu içerisinde bulundukları dokuda da mekanik bir parçalanma/hasar oluşur ve bu prosesin gerçekleşmesi için çok yüksek basınç gerekmektedir. Yakın zamanlarda, içerisine perflorokarbon doldurulmuş nanodamlacıkların histotoripsi ajanı olarak kullanıldığı nanodamlacık ortamlı histotoripsi (NMH) bu yüksek basınç sınırlamasına çözüm olmuştur. nanodamlacıklar histotripsi için mükemmel ajanlar olmalarına rağmen, sentezleri karmaşıktır ve polimer kimyası alanında tecrübe gerektirmektedir. Bu çalışmanın amacı, histotripsi için nanodamlacıklar kadar etkin çalışacak, ama üretimi çok daha kolay, büyük miktarlarda üretime uygun ve daha kolay ticarileşebilme potansiyeli olan yeni bir histortripsi ajanı geliştirmektir. Amerikan Gıda ve İlaç Kurumu (FDA) tarafından onaylamış ve ticari olarak temin edilebilen β-siklodekstrin (CD) ve perfloroheksan (PFH) bileşiklerinin ev sahibi–misafir etkileşimi ile inklüsyon kompleksi oluşturması ile, hidrofobik karakterdeki perflorokarbon siklodekstrinin hidrofobik kavitesine girerek, histotripsi sırasında kavitasyon oluşturacak çekirdek görevi üstelenebilir. Bu durum histotripsi uygulaması sırasında kavitasyon için gerekli esik basıncının düşürülmesini sağlayacaktır. PFH başarılı bir şekilde %98 etkinlikle siklodektrinin hidrofobik kavitesine yerleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları inklüsyon kompleksinin oluşumunu desteklemiş ve PFH/CD oranına bağlı olarak bir CD kavitesine 2 tane PFH`nin girme olasılığını desteklemiştir. Bu inklusyon kompleksinin boyutu nanodamlacıklardan daha küçük bir değer olan 48 nm olarak ölçülmüştür, fakat elde edilen komleksin suda dağıtılma konsantrasyonuna bağlı olarak kendi kendini daha büyük boyutlu parçacıklar halinde düzenlediği gözlenmiştik, bu durum histotoripside kavitasyon davranışını etkileyen bir parametre olabilir. Ayrıca hemolitik aktivitelerinin ve hücre içi sitotoksisitelerinin incelenmesi sonucu bu komplekslerin 1mg/mL gibi yüksek konsantrasyonlarda bile toksik etki göstermediği gözlenmiştir. Son olarak, histotripsi ajanı olarak kavitasyon esik basıncını düşürebilme kapasitesi test edildiğinde, beklenen etkiyi gerçekleştirdiği, nanodamlacıklarda olduğu gibi kavitasyon esik basıncını yaklaşık 15 MPa`a kadar düşürdüğü gözlenmiştir.