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Mechanistic insights and basis for real-time monitoring and closed-loop feedback control in sonodynamic therapy for glioblastoma - 17/08/25

Doi : 10.1016/j.biopha.2025.118433 
Harshal A. Shah a, b, Hasan Slika a, Fnu Ruchika a, Danielle Golub b, Michael Schulder b, Henry Brem a, c, d, e, Amir Manbachi a, e, f, Jordina Rincon-Torroella a, Chetan Bettegowda a, Pavlos Anastasiadis g, h, i, j, Francesco Prada k, l, m, Graeme F. Woodworth g, h, i, j, Betty M. Tyler a, ⁎
a Department of Neurosurgery, The Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
b Department of Neurosurgery, North Shore University Hospital/Donald and Barbara Zucker School of Medicine at Hofstra/Northwell, Manhasset, NY, USA 
c Department of Ophthalmology, The Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
d Department of Oncology, The Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
e Department of Biomedical Engineering, The Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
f HEPIUS Innovation Laboratory, The Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
g Department of Neurosurgery, University of Maryland School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
h Marlene and Stewart Greenebaum Comprehensive Cancer Center, University of Maryland School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
i Department of Diagnostic Radiology and Nuclear Medicine, University of Maryland School of Medicine, Baltimore, MD, USA 
j Fishell Department of Bioengineering, University of Maryland, College Park, MD, USA 
k Acoustic Neuroimaging and Therapy Lab, Istituto Neurologico C. Besta, Milan, Italy 
l Department of Neurological Surgery, University of Virginia, Charlottesville, VA, USA 
m Focused Ultrasound Foundation, Charlottesville, VA, USA 

⁎Correspondence to: Department of Neurosurgery, The Johns Hopkins University School of Medicine, 1800 Orleans St, Baltimore, MD 21287, USA.Department of Neurosurgery, The Johns Hopkins University School of Medicine1800 Orleans StBaltimoreMD21287USA

Abstract

Sonodynamic therapy (SDT) involves the administration of otherwise inactive agents that can be activated by acoustic energy (‘sonosensitizers’) to impart therapeutic effects. SDT is a treatment of significant clinical interest in glioblastoma, a highly aggressive brain tumor, due to the known uptake and conversion of the clinically approved fluorescence guided surgery agent, 5-aminolevulinic acid (5-ALA). Building evidence suggests acoustic energy may activate the converted product of 5-ALA, protoporphyrin IX. Despite ongoing clinical trials using 5-ALA-based SDT demonstrating treatment safety, feasibility, and potential efficacy, the precise underlying tumoricidal mechanisms of SDT remain unknown. Additionally, the ability to monitor SDT effects during treatments remains underexplored. Here we synthesize existing evidence regarding mechanisms behind the antitumoral effects of SDT, including various SDT agents studied in their capacity to generate reactive oxygen species that result in intrinsic apoptotic pathway activation, sonomechanical effects that result in cellular damage, pyrolytic and sonoluminescent reactions, and immunological activation. Additionally, we discuss the opportunities for in situ, real-time monitoring of SDT and related effects to enable safe, reproducible, and prescriptive treatments. Specifically, we explore the potential utility of magnetic resonance (MR) based monitoring tools including MR thermometry and MR acoustic radiation force imaging, and acoustic emissions feedback monitoring.

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Graphical Abstract




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Highlights

•
SDT exhibits tumoricidal effects in glioblastoma through numerous mechanisms.
•
Several existing imaging techniques can be employed to monitor FUS effects.
•
Real-time FUS parameter monitoring is necessary for clinical applicability.

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Keywords : Focused ultrasound, Glioblastoma, Magnetic resonance imaging (MRI), Sonodynamic therapy (SDT), High grade glioma


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