A sonotrombólise pela combinação de ultrassom (US) e microbolhas com medicamento trombolítico tem indicado grande eficácia na quebra de coágulos in vitro, devido a efeitos de cavitação. Contudo, estudos in vivo sobre drug delivery demonstram que a cavitação de microbolhas é também capaz de abrir local e transientemente a barreira hematoencefálica (BHE) - estrutura de permeabilidade seletiva que protege o Sistema Nervoso Central. Um estudo clínico sobre sonotrombólise foi interrompido precocemente devido a evolução de casos de Acidente Vascular Cerebral isquêmicos para hemorrágicos associados a danos na BHE e formação de ondas estacionárias. Nesta tese, foram realizados estudos in vitro e in vivo sobre técnicas de US multifrequencial para trombólise. Além disso, verificou-se os limiares para a abertura da BHE e efeitos de neuromodulação ambos causados pelo ultrassom transcraniano. Foi demonstrado que o duplo feixe de US e a variação temporal de frequências (excitação codificada) são capazes de reduzir a formação de ondas estacionárias e gerar regiões focais mais confinadas do que feixes focalizados monofrequenciais. O duplo feixe foi incapaz de gerar ondas de baixa frequência para trombólise (menor ou igual a 1 Pa para feixes primários de 1,58 MPa). Exames histológicos e por imagens de ressonância magnética mostraram que a cavitação de microbolhas pode causar danos ao tecido cerebral para níveis de pressão de mesma ordem necessários para se observar efeito trombolítico. Além disso, foi observado que o US é capaz de disparar atividade neuronal causando respostas motoras e indícios de respostas associadas a modulação de atividades cognitivas. A focalização de feixes por excitação multifrequencial é um grande avanço para sonotrombólise. Contudo, a potencialização do efeito trombolítico do US por cavitação e medicamento é limitada devido a danos a BHE e critérios de exclusão do medicamento. / Sonothrombolysis by combining ultrasound (US) and microbubbles with thrombolytic drugs has been demonstrated capable of breaking blood clots in in vitro studies, due to cavitation effects. However, in vivo drug delivery studies have demonstrated that cavitation of microbubbles is also capable of opening locally and transiently the blood-brain barrier (BBB) - structure with selective permeability that protects the Central Nervous System. A sonothrombolysis clinical study was interrupted prematurely because of the occurrence of intracerebral hemorrhages after treatment associated with damages in the BBB and standing waves formation. In this dissertation, in vitro and in vivo studies evaluated techniques of multifrequency US for thrombolysis. Furthermore, the ultrasound pressure threshold to obtain the BBB opening and neuromodulation effects were explored during transcranial insonation. It has been demonstrated that the double US beam and the time variation of frequencies (coded excitation) are capable of reducing standing wave formation and generating more confined focus zones than monofrequency focused beams. The double US beam was not capable of generating low frequency waves for thrombolysis (less than or equal to 1 Pa obtained from primary beams with 1.58 MPa). Histological exams and magnetic resonance images demonstrated that microbubbles cavitation can damage the brain tissue with acoustic pressures of the same level necessary to observe thrombolytic effects. Furthermore, it was observed motor responses and other responses associated with cognitive activity triggered by US. The capability of multifrequency excitation in focusing US beams is an important advance for sonothrombolysis. However, the enhancement of fibrinolytic effect of US by microbubbles cavitation and with thrombolytic drugs is limited by associated damages to the BBB and by exclusion criteria for the use of the thrombolytic drugs.

A sonotrombólise pela combinação de ultrassom (US) e microbolhas com medicamento trombolítico tem indicado grande eficácia na quebra de coágulos in vitro, devido a efeitos de cavitação. Contudo, estudos in vivo sobre drug delivery demonstram que a cavitação de microbolhas é também capaz de abrir local e transientemente a barreira hematoencefálica (BHE) - estrutura de permeabilidade seletiva que protege o Sistema Nervoso Central. Um estudo clínico sobre sonotrombólise foi interrompido precocemente devido a evolução de casos de Acidente Vascular Cerebral isquêmicos para hemorrágicos associados a danos na BHE e formação de ondas estacionárias. Nesta tese, foram realizados estudos in vitro e in vivo sobre técnicas de US multifrequencial para trombólise. Além disso, verificou-se os limiares para a abertura da BHE e efeitos de neuromodulação ambos causados pelo ultrassom transcraniano. Foi demonstrado que o duplo feixe de US e a variação temporal de frequências (excitação codificada) são capazes de reduzir a formação de ondas estacionárias e gerar regiões focais mais confinadas do que feixes focalizados monofrequenciais. O duplo feixe foi incapaz de gerar ondas de baixa frequência para trombólise (menor ou igual a 1 Pa para feixes primários de 1,58 MPa). Exames histológicos e por imagens de ressonância magnética mostraram que a cavitação de microbolhas pode causar danos ao tecido cerebral para níveis de pressão de mesma ordem necessários para se observar efeito trombolítico. Além disso, foi observado que o US é capaz de disparar atividade neuronal causando respostas motoras e indícios de respostas associadas a modulação de atividades cognitivas. A focalização de feixes por excitação multifrequencial é um grande avanço para sonotrombólise. Contudo, a potencialização do efeito trombolítico do US por cavitação e medicamento é limitada devido a danos a BHE e critérios de exclusão do medicamento. / Sonothrombolysis by combining ultrasound (US) and microbubbles with thrombolytic drugs has been demonstrated capable of breaking blood clots in in vitro studies, due to cavitation effects. However, in vivo drug delivery studies have demonstrated that cavitation of microbubbles is also capable of opening locally and transiently the blood-brain barrier (BBB) - structure with selective permeability that protects the Central Nervous System. A sonothrombolysis clinical study was interrupted prematurely because of the occurrence of intracerebral hemorrhages after treatment associated with damages in the BBB and standing waves formation. In this dissertation, in vitro and in vivo studies evaluated techniques of multifrequency US for thrombolysis. Furthermore, the ultrasound pressure threshold to obtain the BBB opening and neuromodulation effects were explored during transcranial insonation. It has been demonstrated that the double US beam and the time variation of frequencies (coded excitation) are capable of reducing standing wave formation and generating more confined focus zones than monofrequency focused beams. The double US beam was not capable of generating low frequency waves for thrombolysis (less than or equal to 1 Pa obtained from primary beams with 1.58 MPa). Histological exams and magnetic resonance images demonstrated that microbubbles cavitation can damage the brain tissue with acoustic pressures of the same level necessary to observe thrombolytic effects. Furthermore, it was observed motor responses and other responses associated with cognitive activity triggered by US. The capability of multifrequency excitation in focusing US beams is an important advance for sonothrombolysis. However, the enhancement of fibrinolytic effect of US by microbubbles cavitation and with thrombolytic drugs is limited by associated damages to the BBB and by exclusion criteria for the use of the thrombolytic drugs.

Introdução: Estudos pré-clínicos demonstraram que impulsos de alto índice mecânico (IM) de um transdutor de ultrassom diagnóstico durante uma infusão intravenosa de microbolhas (sonotrombólise) podem restaurar o fluxo epicárdico e microvascular no infarto agudo do miocárdio com supradesnivelamento do segmento ST (IAMCSST). Objetivo: Testamos a eficácia clínica da sonotrombólise em pacientes com IAMCSST medindo a taxa de recanalização coronariana precoce, tamanho do infarto do miocárdio por ressonância magnética e ecocardiograma e a evolução do defeito de perfusão e função ventricular esquerda à chegada, após a intervenção coronária percutânea (ICP), 72h a 96h e em um e seis meses de acompanhamento. Métodos: Pacientes com seu primeiro IAMCSST foram prospectivamente randomizados para receberem impulsos de alto IM guiados por ultrassom diagnóstico (grupo terapia) durante a infusão intravenosa de um agente de ultrassom antes e após a ICP ou para um grupo controle que recebeu apenas ICP (n = 50 em cada grupo). Um grupo de referência (n = 203) que chegou fora da janela de randomização também foi analisado. Recanalização angiográfica prévia à ICP, tamanho do infarto (TI) por ressonância magnética e alteração no defeito de perfusão e função sistólica pela ecocardiografia à chegada, após-ICP, 72h a 96h, em um e seis meses foram comparados. Resultados: A média de idade dos pacientes randomizados foi de 59 anos e não houve diferença de sexo, presença de diabetes, hipertensão arterial e dislipidemia entre os grupos estudados. Os tempos porta-balão não foram diferentes entre os grupos analisados (78 ± 32 minutos para o grupo controle versus 77 ± 26 minutos para o grupo terapia, p = 0,42), mas foram mais longos no grupo de referência (96 ± 49 minutos, p < 0,001 comparado aos grupos controle e terapia). A recanalização angiográfica foi de 48% no grupo terapia versus 20% no grupo controle e 21% no grupos de referência (p < 0,001). O TI foi reduzido (29 ± 22 gramas do grupo terapia versus 40 ± 20 gramas do grupo controle, p = 0,026). Da mesma forma, as taxas de fluxo TIMI 3 pré-ICP foram maiores no grupo terapia (32% versus 14% no grupo controle e 16% no grupo de referência, p = 0,02). Após a ICP, fluxo TIMI 3 foi observado no vaso culpado em 37/50 (74%) pacientes no grupo terapia e 30/50 (60%) pacientes do grupo controle. A fração de ejeção do ventrículo esquerdo (FEVE) não foi diferente entre os grupos antes do tratamento (44 ± 11% no grupo terapia versus 43 ± 10% no grupo controle, p = 0,39), mas aumentou imediatamente após a ICP no grupo terapia (p = 0,03) e permaneceu maior aos seis meses (p = 0,015). A correlação entre as medidas do tamanho do infarto (TI) em gramas por ressonância magnética e ecocardiografia com contraste, utilizando o coeficiente de correlação intraclasses foi de 0,672 (p < 0,001). Não houve diferença significativa na % de área acometida pelo infarto pelo ecocardiograma realizado pré-ICP, pós-ICP e durante a internação com 72h a 96h de evolução, mas no seguimento de 1 mês houve consolidação de maior redução da % de área infartada no grupo terapia 20,67 ± 8,99 a 11,87 ± 7,49 quando comparado ao grupo controle 19,16 ± 10,08 a 17,02 ± 10,02 (p = 0,016), mostrando uma diferença comportamental durante as avaliações temporais, com uma maior diminuição no tamanho do infarto no grupo terapia (p < 0,001). Ao comparar a porcentagem média de áreas infartadas naqueles pacientes com artérias coronárias obstruídas na primeira angiografia, houve um menor comprometimento microvascular naqueles do grupo terapia 12,99 ± 6,53 versus 18,87 ± 9,93 do grupo controle (p = 0,015 ). Ainda assim, como consequência das melhorias observadas na % do tamanho do infarto, notamos uma melhora progressiva na fração de ejeção nos pacientes do grupo terapia: 44,0% ± 11,0% para 53,0% ± 10% versus 43 % ± 10% para 48,0% ± 11,0% no grupo controles (p = 0,048) da chegada aos 6 meses de acompanhamento. Conclusões: A sonotrombólise adicionada à ICP melhora as taxas de recanalização e reduz o tamanho do infarto, resultando em melhorias sustentadas na perfusão miocárdica e na função sistólica após o IAMCSST / Background: Pre-clinical studies have demonstrated that high mechanical index (MI) impulses from a diagnostic ultrasound transducer during an intravenous microbubble infusion (sonothrombolysis) can restore epicardial and microvascular flow in acute ST-segment elevation myocardial infarction (STEMI). Objective: We tested the clinical effectiveness of sonothrombolysis in patients with STEMI by measuring early coronary recanalization rate, size of myocardial infarction by MRI and echocardiography and the evolution of the perfusion defect and left ventricular function at arrival, after PCI, 72h to 96h and at one- and six-months follow-up. Methods: Patients with their first STEMI were prospectively randomized to either diagnostic ultrasound-guided high MI impulses (therapy group) during an intravenous ultrasound agent infusion prior to, and following emergent percutaneous coronary intervention (PCI), or to a control group that received PCI only (n = 50 in each group). A reference group (n = 203) who arrived outside the randomization window was also analyzed. Angiographic recanalization prior to PCI, infarct size (IS) by magnetic resonance imaging, and change in perfusion defect and systolic function by echocardiography at arrival, post PCI, 72h to 96h, one and six months were compared. Results: The mean age of the randomized patients was 59 years and there was no difference in gender, presence of diabetes, arterial hypertension and dyslipidemia between the groups studied. Door to balloon times were not different between groups (78 ± 32 minutes for control versus 77 ± 26 minutes for therapy groups, p = 0.42), but were longer in the reference group (96 ± 49 minutes, p < 0.001 compared to control and therapy groups). Angiographic recanalization was 48% in therapy group versus 20% in control group and 21% in the reference group (p < 0.001). IS was reduced (29 ± 22 grams in therapy group versus 40 ± 20 grams in control group, p = 0.026). Likewise, pre-PCI TIMI 3 flow rates were higher in the therapy group (32% versus 14% in control group and 16% in the reference group, p = 0.02). After PCI, the TIMI 3 flow was observed in the culprit vessel in 37/50 (74%) patients in therapy group and 30/50 (60%) in patients in the control group. Left ventricular ejection fraction (LVEF) was not different between groups before treatment (44 ± 11% in therapy group versus 43 ± 10% in control group, p = 0.39), but increased immediately after PCI in the therapy group (p = 0.03) and remained higher at six months (p = 0.015). The correlation between the measurements of infarct size (IS) in grams by magnetic resonance and contrast echocardiography, using the intra-class correlation coefficient was 0.672 (p < 0.001). There was no significant difference in the % area affected by the infarction on echocardiography performed pre-PCI, post-PCI and during hospital stay with 72h to 96h of evolution, but in the follow-up of 1 month there was a consolidation of greater reduction of the % infarcted area in the therapy group 20.67 ± 8.99 to 11.87 ± 7.49 when compared to control group 19.16 ± 10.08 to 17.02 ± 10.02 (p = 0.016), showing a behavioral difference during the temporal evaluations, with a greater decrease in infarct size in the therapy group (p < 0.001). When comparing the mean % of infarcted areas in those patients with occluded coronary arteries at the first angiography, there was a lower microvascular impairment in those in the therapy group 12.99 ± 6.53 versus 18.87 ± 9,93 in control group (p = 0.015). Still, as a consequence of the improvements observed in the % of infarct size, we noticed a progressive improvement in the ejection fraction in patients in the therapy group 44.0% ± 11.0% to 53.0% ± 10% versus 43% ± 10% to 48.0% ± 11,0% in the control group (p = 0.048) from arrival to 6-month follow-up. Conclusions: Sonothrombolysis added to PCI improves recanalization rates and reduces infarct size, resulting in sustained improvements in myocardial perfusion and systolic function after STEMI