Using propidium iodide to determine the mechanism involved for a temporary increase in permeability of a bullfrog urinary bladder due to ultrasonically induced cavitation

Abstract

The recent advantages in medical ultrasound, in therapeutic application suggest that in the future ultrasound can be a tool for a safe drug delivery. It was found that acoustically induced cavitation permeabilizes cell membranes therefore enhancing the delivery of drugs [Fechheimer et al., 1987], [Lui et al., 1998], [Ng and Liu 2002]. However, lack of control over the pressure field, and consequently on the location and intensity of the cavitation, has hindered the capability of understanding the fundamentals involved in this phenomenon [Pitt et al., 2004], [Levy et al., 1989], [Mitragotri et al., 1996], [Benson et al., 1991], [Tang et al 2001], [Hynynen 1991], [Schlicher et al., 2006], [Terahara et al., 2002]. It has been previously shown that under certain conditions, ultrasonically induced cavitation bubbles can cause a transient increase in permeability [Cancelos et al., 2010]. The objective of this research is to determine the necessary amount of cavitation events to had a temporary increase in permeability without a permanent damage to the biological tissue. In order to gain more insight on the mechanisms involved we propose the use of a DNA stain impermeable to the cell membrane, such as propidium iodide. Therefore, if the cell’s plasma membrane is damaged during the application of ultrasound, the propidium iodide will stain the nucleus of damaged cells and they will remain stained after the ultrasound is removed even when the tissue membrane recovers its integrity. Using imaging techniques it is possible to assess the percentage of mechanically damaged cells that later recovered. The results show that the initial permeability value of a bullfrog urinary bladder for Propidium Iodide was P0=(3.07±2.87) x10-5 cm/sec. An increase in the permeability was consistently found in all experiments where cavitation was present. For experiments where cavitation was absent, there was no evidence for an increase in permeability. In experiments where the permeability recovered its initial value after a 10 times increased during ultrasound exposure, the dissipative power threshold was between 1.5 Watts and 2.5 Watts and 6-10 cavitation events were counted. It was noticed, that after a cavitation event occurred, the permeability increased instantly and retained the same value until the ultrasound was removed. Also, no signs of disruption of the epithelial cell layer were observed. The images look like the normal control with some of the nucleuses stained with Propidium Iodide and are consistent with the fact that the epithelial cell layer recuperates after the ultrasound is removed. All experiments where there was no recuperation in permeability, are correlated with a higher content of air in the liquid, possibly leading to the formation of air bubbles that erode the tissue continuously.

El uso de ultrasonido en las aplicaciones terapéuticas sugiere que en el futuro el ultrasonido podría ser una herramienta para la entrega de algún fármaco de forma segura. Se encontró que la cavitación acústica es la razón del aumento en permeabilidad de las membranas celulares que aumenta la administración de algún fármaco [Fechheimer et al., 1987], [Lui et al., 1998], [Ng and Liu 2002]. Sin embargo, la falta de control sobre el campo de presión, y en consecuencia sobre la ubicación y la intensidad de la cavitación, ha obstaculizado la capacidad de comprender los mecanismos que participan durante este fenómeno [Pitt et al., 2004], [Levy et al., 1989], [Mitragotri et al., 1996], [Benson et al., 1991], [Tang et al 2001], [Hynynen 1991], [Schlicher et al., 2006], [Terahara et al., 2002]. Se ha demostrado previamente que en determinadas condiciones, la cavitación acústica puede causar un aumento transitorio en permeabilidad [Cancelos et al., 2010]. El objetivo de esta investigación es determinar los eventos de cavitación necesarias para tener un aumento temporal de permeabilidad sin un daño permanente al tejido biológico. Con el fin de conseguir más información sobre los mecanismos implicados, se propone el uso de una tinta de ADN impermeable a la membrana celular, tal como yoduro de propidio. Por lo tanto, si la membrana celular se daña durante la aplicación del ultrasonido, el yoduro de propidio teñirá el núcleo de las células dañadas y permanecerán teñidas después de que el ultrasonido sea removido, incluso cuando la membrana celular recupere su integridad. Usando microscopia con focal, es posible evaluar el porcentaje de células dañadas mecánicamente que posteriormente se recuperan. Los resultados del estudio muestran que el valor de la permeabilidad inicial de la vejiga urinaria de la rana toro para yoduro de propidio es P0=(3.07±2.87) x10-5 cm/sec. Un aumento en la permeabilidad se encontró consistentemente en todos los experimentos en los que estaba presente cavitación. Para los experimentos donde la cavitación estaba ausente, no hubo evidencia de algún aumento en permeabilidad. En los experimentos en que la permeabilidad recupera su valor inicial después de un aumento de 10 veces su valor inicial durante la exposición del ultrasonido, el umbral de potencia disipada fue de entre 1.5 Watts y 2.5 Watts y 6-10 eventos de cavitación fueron contados. Se observó que después de que ocurriera un evento de cavitación, la permeabilidad aumenta instantáneamente y mantiene el mismo valor hasta que el ultrasonido es removido. Además, no se observó signos de alteración en la capa de membrana celular. Las imágenes se ven como una muestra control con algunos de los núcleos se teñidos con yoduro de propidio. Estos resultados son consistentes con el hecho de que la capa de la membrana celular se recupera después de que el ultrasonido es retirado. Todos los experimentos en los que no hubo recuperación en permeabilidad, se correlacionan con un mayor contenido de aire en el líquido, que puede dar lugar a la formación de burbujas de aire que erosionan el tejido continuamente.