Purpose: This study will analyze the mechanical effects (immediate lysis) and biological effects (cell survival, apoptosis, cell cycle) on U937 cells subjected to different sonication conditions with increasing and decreasing frequencies and burst rate (number of burst of a repeating signal in a specific time unit), in order to determine the best conditions of sonication to produce high mortality, apoptosis and inhibition of hyperproliferation.
Method: Cells are been stressed by pulse wave ultrasounds with increasing and decreasing frequencies between 400 and 620 kHz, at burst rates of 0.5, 10, 50 Hz and 50 % duty cycle (percentage of one period in which a signal is active), ultrasound intensities (spatial average-temporal peak) 0.045 and 0.09 W/cm(2). The sonication durations were 90 and 180 s.
Results: The decreasing mode was found to be better than the increasing mode for 10 and 50 Hz burst rates, while at 0.5 Hz the increasing mode gave better results for the time of 180 s. For 10 Hz burst rate, decreasing frequency, 180 s, 0.09 W/cm(2), 20 % survival rate was found; after 6-h incubation, cells showed 13 % of early apoptosis and 11 % of late apoptosis. For these conditions of sonication, the hyperproliferation of cells was inhibited.
Conclusion: Survival rate decreases for increasing intensity and duration with each burst rate. The best performance is decreasing mode in a range between 620 and 400 kHz, duty cycle 50 %, burst rate 10 Hz. In these conditions after 180 s duration, the average survival rate is 20 %, the survived cells manifest apoptosis after 6-h incubation and hyperproliferation is prevented. The results seem to lead toward a non-invasive and effective purging of leukemic cells.
Scopo: Questo studio analizzerà gli effetti meccanici (lisi valutata immediatamente dopo la sonicazione) e gli effetti biologici (sopravvivenza delle cellule, apoptosis e lisi cellulare) su cellule U937 soggette a differenti condizioni di sonicazione con frequenze crescenti e decrescenti, a burst rate (numero di impulsi di un segnale che si ripete in una specifica unità di tempo) variabili, al fine di determinare le migliori condizioni di sonicazione per produrre alta mortalità, apoptosi e inibizione dell’iperproliferazione cellulare.
Metodi: Le cellule sono state sollecitate con ultrasuoni ad onda pulsata con frequenze crescenti e decrescenti fra 400 e 620 kHz a burst rate di 0.5 Hz, 10 Hz, 50 Hz, con un ciclo di lavoro (frazione di tempo in cui il segnale è attivo in proporzione al tempo totale) del 50 %, intensità (picco spaziale medio-temporale) 0.045 W/cm2 and 0.09 W/cm2. I tempi di sonicazione erano di 90 s e 180 s.
Risultati: La modalità a frequenza decrescente risultava essere migliore di quella crescente per burst rate 10 Hz e 50 Hz, mentre a 0.5 Hz la modalità a frequenza crescente risultava migliore per un tempo di 180 s. Con un burst rate di 10 Hz, a frequenza decrescente fra 620 e 400 kHz, esposizione per 180 s, intensità 0.09 W/cm2, fu rilevato un tasso di sopravvivenza cellulare del 20 %; dopo sei ore di incubazione le cellule mostravano il 13 % di apoptosi precoce e 11 % di tarda apoptosi. Nelle predette condizioni di sonicazione l’iperproliferazione cellulare era inibita.
Conclusione: Il tasso di sopravvivenza delle cellule si riduce se l’intensità e il tempo di esposizione aumentano con ogni burst rate. La migliore performance si ha in modalità a frequenza decrescente in un intervallo fra 620 kHz e 400 kHz, ciclo di lavoro 50 %, burst rate 10 Hz. In queste condizioni dopo un’esposizione di 180 secondi il tasso medio di sopravvivenza è del 20 %, le cellule mani-festano apoptosi e l’iperproliferazione cellulare è ridotta. I risultati sembrano condurre verso un’efficiente e non invasiva purificazione delle cellule leucemiche.
Keywords: Cell cycle; Cell lysis; Hyperproliferation apoptosis; Low intensity ultrasound.