Please wait a minute...
Submit  |   Chinese  | 
Advanced Search
   Home  |  Online Now  |  Current Issue  |  Focus  |  Archive  |  For Authors  |  Journal Information   Open Access  
Submit  |   Chinese  | 
Engineering    2015, Vol. 1 Issue (3) : 344 -350
Research |
Characterizing Thermal Augmentation of Convection-Enhanced Drug Delivery with the Fiberoptic Microneedle Device
R. Lyle Hood1,Rudy T. Andriani2,Tobias E. Ecker2,John L. Robertson3,Christopher G. Rylander4,()
1. Department of Nanomedicine, Houston Methodist Research Institute, Houston, TX 77030, USA
2. Department of Mechanical Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24060, USA
3. School of Biomedical Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA 24060, USA
4. Department of Mechanical Engineering, University of Texas, Austin, TX 78712, USA

Convection-enhanced delivery (CED) is a promising technique leveraging pressure-driven flow to increase penetration of infused drugs into interstitial spaces. We have developed a fiberoptic microneedle device for inducing local sub-lethal hyperthermia to further improve CED drug distribution volumes, and this study seeks to quantitatively characterize this approach in agarose tissue phantoms. Infusions of dye were conducted in 0.6% (w/w) agarose tissue phantoms with isothermal conditions at 15 °C, 20 °C, 25 °C, and 30 °C. Infusion metrics were quantified using a custom shadowgraphy setup and image-processing algorithm. These data were used to build an empirical predictive temporal model of distribution volume as a function of phantom temperature. A second set of proof-of-concept experiments was conducted to evaluate a novel fiberoptic device capable of generating local photothermal heating during fluid infusion. The isothermal infusions showed a positive correlation between temperature and distribution volume, with the volume at 30 °C showing a 7-fold increase at 100 min over the 15 °C isothermal case. Infusions during photothermal heating (1064 nm at 500 mW) showed a similar effect with a 3.5-fold increase at 4 h over the control (0 mW). These results and analyses serve to provide insight into and characterization of heat-mediated enhancement of volumetric dispersal.

Keywords near-infrared laser      thermochemotherapy      agar­ose      photothermal heating      micro-catheter      malignant glioma     
Corresponding Authors: Christopher G. Rylander   
Just Accepted Date: 17 September 2015   Issue Date: 16 October 2015
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
R. Lyle Hood
Rudy T. Andriani
Tobias E. Ecker
John L. Robertson
Christopher G. Rylander
Cite this article:   
R. Lyle Hood,Rudy T. Andriani,Tobias E. Ecker, et al. Characterizing Thermal Augmentation of Convection-Enhanced Drug Delivery with the Fiberoptic Microneedle Device[J]. Engineering, 2015, 1(3): 344 -350 .
URL:     OR
1   C. V. Pardeshi, V. S. Belgamwar. Direct nose to brain drug delivery via integrated nerve pathways bypassing the blood-brain barrier: An excellent platform for brain targeting. Expert Opin. Drug Deliv., 2013, 10(7): 957–972
2   B. S. Bleier, R. E. Kohman, R. E. Feldman, S. Ramanlal, X. Han. Permeabilization of the blood-brain barrier via mucosal engrafting: Implications for drug delivery to the brain. PLoS One, 2013, 8(4): e61694
3   M. Aryal, C. D. Arvanitis, P. M. Alexander, N. McDannold. Ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Adv. Drug Deliv. Rev., 2014, 72: 94–109
4   F. Dilnawaz, A. Singh, S. Mewar, U. Sharma, N. R. Jagannathan, S. K. Sahoo. The transport of non-surfactant based paclitaxel loaded magnetic nanoparticles across the blood brain barrier in a rat model. Biomaterials, 2012, 33(10): 2936–2951
5   P. A. Garcia,  7.0-T magnetic resonance imaging characterization of acute blood-brain-barrier disruption achieved with intracranial irreversible electroporation. PLoS One, 2012, 7(11): e50482
6   D. W. Laske, R. J. Youle, E. H. Oldfield. Tumor regression with regional distribution of the targeted toxin TF-CRM107 in patients with malignant brain tumors. Nat. Med., 1997, 3(12): 1362–1368
7   R. H. Bobo, D. W. Laske, A. Akbasak, P. F. Morrison, R. L. Dedrick, E. H. Oldfield. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1994, 91(6): 2076–2080
8   K. S. Bankiewicz,  Convection-enhanced delivery of AAV vector in parkinsonian monkeys; in vivo detection of gene expression and restoration of dopaminergic function using pro-drug approach. Exp. Neurol., 2000, 164(1): 2–14
9   L. C. Vazquez,  Polymer-coated cannulas for the reduction of backflow during intraparenchymal infusions. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2012, 23(8): 2037–2046
10   S. S. Gill,  Direct brain infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor in Parkinson disease. Nat. Med., 2003, 9(5): 589–595
11   M. A. Rogawski. Convection-enhanced delivery in the treatment of epilepsy. Neurotherapeutics, 2009, 6(2): 344–351
12   J. H. Sampson,  Intracerebral infusate distribution by convection-enhanced delivery in humans with malignant gliomas: Descriptive effects of target anatomy and catheter positioning. Neurosurgery, 2007, 60(2 Suppl 1): ONS89-98; discussion ONS98-9
13   J. F. Hamilton,  Heparin coinfusion during convection-enhanced delivery (CED) increases the distribution of the glial-derived neurotrophic factor (GDNF) ligand family in rat striatum and enhances the pharmacological activity of neurturin. Exp. Neurol., 2001, 168(1): 155–161
14   A. A. Kanner. Convection-enhanced delivery.In: G. H. Barnett, ed. High-Grade Gliomas: Diagnosis and Treatment. Totowa, NJ: Humana Press, 2007: 303–314
15   W. A. Vandergrift, S. J. Patel, J. S. Nicholas, A. K. Varma. Convection-enhanced delivery of immunotoxins and radioisotopes for treatment of malignant gliomas. Neurosurg. Focus, 2006, 20(4): E13
16   M. Bettag,  Stereotactic laser therapy in cerebral gliomas. Acta Neurochir. Suppl. (Wien), 1991, 52: 81–83
17   A. Carpentier,  MR-guided laser-induced thermal therapy (LITT) for recurrent glioblastomas. Lasers Surg. Med., 2012, 44(5): 361–368
18   H. J. Schwarzmaier, I. V. Yaroslavsky, A. N. Yaroslavsky, V. Fiedler, F. Ulrich, T. Kahn. Treatment planning for MRI-guided laser-induced interstitial thermotherapy of brain tumors—The role of blood perfusion. J. Magn. Reson. Imaging, 1998, 8(1): 121–127
19   A. Carpentier,  Real-time magnetic resonance-guided laser thermal therapy for focal metastatic brain tumors. Neurosurgery, 2008, 63(1 Suppl 1): ONS21-8; discussion ONS28-9
20   R. J. Stafford, D. Fuentes, A. A. Elliott, J. S. Weinberg, K. Ahrar. Laser-induced thermal therapy for tumor ablation. Crit. Rev. Biomed. Eng., 2010, 38(1): 79–100
21   C. G. Hadjipanayis,  EGFRvIII antibody-conjugated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging-guided convection-enhanced delivery and targeted therapy of glioblastoma. Cancer Res., 2010, 70(15): 6303–6312
22   J. H. Sampson, , and PRECISE Trial Investigators. Poor drug distribution as a possible explanation for the results of the PRECISE trial. J. Neurosurg., 2010, 113(2): 301–309
23   R. Hamazoe, M. Maeta, N. Kaibara. Intraperitoneal thermochemotherapy for prevention of peritoneal recurrence of gastric cancer. Final results of a randomized controlled study. Cancer, 1994, 73(8): 2048–2052
24   Y. Liu,  Ultrasound-induced hyperthermia increases cellular uptake and cytotoxicity of P-glycoprotein substrates in multi-drug resistant cells. Pharm. Res., 2001, 18(9): 1255–1261
25   A. H. Saad, G. M. Hahn. Ultrasound-enhanced effects of adriamycin against murine tumors. Ultrasound Med. Biol., 1992, 18(8): 715–723
26   J. B. Block, P. A. Harris, A. Peale. Preliminary observations on temperature-enhanced drug uptake by leukemic leukocytes in vitro. Cancer Chemother. Rep., 1975, 59(5): 985–988
27   M. R. DeWitt, A. M. Pekkanen, J. Robertson, C. G. Rylander, M. Nichole Rylander. Influence of hyperthermia on efficacy and uptake of carbon nanohorn-cisplatin conjugates. J. Biomech. Eng., 2014, 136(2): 021003
28   R. L. Hood, R. T. Andriani Jr., S. Emch, J. L. Robertson, C. G. Rylander, J. H. Rossmeisl Jr. Fiberoptic microneedle device facilitates volumetric infusate dispersion during convection-enhanced delivery in the brain. Lasers Surg. Med., 2013, 45(7): 418–426
29   M. A. Kosoglu, R. L. Hood, Y. Chen, Y. Xu, M. N. Rylander, C. G. Rylander. Fiber optic microneedles for transdermal light delivery: Ex vivo porcine skin penetration experiments. J. Biomech. Eng., 2010, 132(9): 091014
30   M. A. Kosoglu,  Fiberoptic microneedles for microscale interstitial delivery of therapeutic light. Laser. Surg. Med., 2011, 43(9): 914–920
31   R. L. Hood, M. A. Kosoglu, M. Parker, C. G. Rylander. Effects of microneedle design parameters on hydraulic resistance. J. Med. Device., 2011, 5(3): 31012–31016
32   Z. J. Chen,  A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. J. Neurosurg., 2004, 101(2): 314–322
33   T. Gill,  In vitro and in vivo testing of a novel recessed-step catheter for reflux-free convection-enhanced drug delivery to the brain. J. Neurosci. Methods, 2013, 219(1): 1–9
34   R. L. Hood, T. Ecker, R. Andriani, J. Robertson, J. Rossmeisl, C. G. Rylander. Augmenting convection-enhanced delivery through simultaneous co-delivery of fluids and laser energy with a fiberoptic microneedle device. In: I. Gannot, ed. Proceedings of SPIE 8576: Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XIII. San Francisco, CA, USA, 2013
35   F. Casanova, P. R. Carney, M. Sarntinoranont. Influence of needle insertion speed on backflow for convection-enhanced delivery. J. Biomech. Eng., 2012, 134(4): 041006
36   W. Martanto, J. S. Moore, T. Couse, M. R. Prousnitz. Mechanism of fluid infusion during microneedle insertion and retraction. J. Contrd. Release, 2006, 112(37): 357–361
37   Z. J. Chen, W. C. Broaddus, R. R. Viswanathan, R. Raghavan, G. T. Gillies. Intraparenchymal drug delivery via positive-pressure infusion: Experimental and modeling studies of poroelasticity in brain phantom gels. IEEE Trans. Biomed. Eng., 2002, 49(2): 85–96
38   Z. J. Chen, W. C. Broaddus, R. R. Viswanathan, R. Raghavan, G. T. Gillies. Intraparenchymal drug delivery via positive-pressure infusion: Experimental and modeling studies of poroelasticity in brain phantom gels. IEEE Trans. Biomed. Eng., 2002, 49(2): 85–96
39   G. T. Gillies, J. H. Smith, J. A. Humphrey, W. C. Broaddus. Positive pressure infusion of therapeutic agents into brain tissues: Mathematical and experimental simulations. Technol. Health Care, 2005, 13(4): 235–243
40   S. J. Panse, H. L. Fillmore, Z. J. Chen, G. T. Gillies, W. C. Broaddus. A novel coaxial tube catheter for central nervous system infusions: Performance characteristics in brain phantom gel. J. Med. Eng. Technol., 2010, 34(7−8): 408–414
[1] Holger Krueger. Standardization for Additive Manufacturing in Aerospace[J]. Engineering, 2017, 3(5): 585 .
[2] Joe A. Sestak Jr.. High School Students from 157 Countries Convene to Address One of the 14 Grand Challenges for Engineering: Access to Clean Water[J]. Engineering, 2017, 3(5): 583 -584 .
[3] Lance A. Davis. Climate Agreement—Revisited[J]. Engineering, 2017, 3(5): 578 -579 .
[4] Ben A. Wender, M. Granger Morgan, K. John Holmes. Enhancing the Resilience of Electricity Systems[J]. Engineering, 2017, 3(5): 580 -582 .
[5] Jin-Xun Liu, Peng Wang, Wayne Xu, Emiel J. M. Hensen. Particle Size and Crystal Phase Effects in Fischer-Tropsch Catalysts[J]. Engineering, 2017, 3(4): 467 -476 .
[6] Luis Ribeiro e Sousa, Tiago Miranda, Rita Leal e Sousa, Joaquim Tinoco. The Use of Data Mining Techniques in Rockburst Risk Assessment[J]. Engineering, 2017, 3(4): 552 -558 .
[7] Maggie Bartolomeo. Third Global Grand Challenges Summit for Engineering[J]. Engineering, 2017, 3(4): 434 -435 .
[8] Michael Powalla, Stefan Paetel, Dimitrios Hariskos, Roland Wuerz, Friedrich Kessler, Peter Lechner, Wiltraud Wischmann, Theresa Magorian Friedlmeier. Advances in Cost-Efficient Thin-Film Photovoltaics Based on Cu(In,Ga)Se2[J]. Engineering, 2017, 3(4): 445 -451 .
[9] Raffaella Ocone. Reconciling “Micro” and “Macro” through Meso-Science[J]. Engineering, 2017, 3(3): 281 -282 .
[10] Baoning Zong, Bin Sun, Shibiao Cheng, Xuhong Mu, Keyong Yang, Junqi Zhao, Xiaoxin Zhang, Wei Wu. Green Production Technology of the Monomer of Nylon-6: Caprolactam[J]. Engineering, 2017, 3(3): 379 -384 .
[11] Pengcheng Xu, Yong Jin, Yi Cheng. Thermodynamic Analysis of the Gasification of Municipal Solid Waste[J]. Engineering, 2017, 3(3): 416 -422 .
[12] Lei Xu, Jinhui Peng, Hailong Bai, C. Srinivasakannan, Libo Zhang, Qingtian Wu, Zhaohui Han, Shenghui Guo, Shaohua Ju, Li Yang. Application of Microwave Melting for the Recovery of Tin Powder[J]. Engineering, 2017, 3(3): 423 -427 .
[13] Ee Teng Kho, Salina Jantarang, Zhaoke Zheng, Jason Scott, Rose Amal. Harnessing the Beneficial Attributes of Ceria and Titania in a Mixed-Oxide Support for Nickel-Catalyzed Photothermal CO2 Methanation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 393 -401 .
[14] Ke Dang, Tuo Wang, Chengcheng Li, Jijie Zhang, Shanshan Liu, Jinlong Gong. Improved Oxygen Evolution Kinetics and Surface States Passivation of Ni-Bi Co-Catalyst for a Hematite Photoanode[J]. Engineering, 2017, 3(3): 285 -289 .
[15] Mu Xiao, Songcan Wang, Supphasin Thaweesak, Bin Luo, Lianzhou Wang. Tantalum (Oxy)Nitride: Narrow Bandgap Photocatalysts for Solar Hydrogen Generation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 365 -378 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.