광학적으로 활성화 된 퍼플 루오로 카본 나노 방울은 혈관 시스템 외부의 이미징 응용 분야에서 가능성을 보여줍니다. 이 기사에서는 이러한 입자를 합성하고, 폴리아크릴아미드 팬텀을 가교결합하고, 액적을 음향적으로 변조하여 신호를 향상시키는 방법을 보여줍니다.
마이크로 버블은 초음파에서 가장 일반적으로 사용되는 영상 조영제입니다. 그러나 크기 때문에 혈관 구획으로 제한됩니다. 이러한 마이크로버블은 혈관을 유출할 수 있을 만큼 충분히 작은 과불화탄소 나노방울(PFCnD)로 응축되거나 공식화될 수 있으며 표적 부위에서 음향적으로 촉발될 수 있습니다. 이들 나노입자는 근적외선 유기 염료 또는 나노입자(예를 들어, 황화구리 나노입자 또는 금 나노입자/나노로드)와 같은 광흡수제를 포함함으로써 더욱 향상될 수 있다. 광학적으로 태그가 지정된 PFCnD는 광학 액적 기화(ODV)로 알려진 공정에서 레이저 조사를 통해 기화될 수 있습니다. 이 활성화 과정은 진단 이미징을 위한 최대 기계적 지수 임계값 미만에서 음향적으로 기화될 수 없는 고비점 퍼플루오로카본 코어의 사용을 가능하게 합니다. 끓는점 코어가 높을수록 기화 후 재응축되는 액적이 생성되어 기화 후 나노액적 형태로 다시 응축되기 전에 잠시 대비를 생성하는 “깜박임” PFCnD가 생성됩니다. 이 프로세스를 반복하여 필요에 따라 대비를 생성할 수 있으므로 광학 및 음향 변조를 통해 배경 없는 이미징, 멀티플렉싱, 초고해상도 및 대비 향상이 가능합니다. 이 기사에서는 프로브 초음파 처리를 사용하여 광학적으로 트리거 가능한 지질 쉘 PFCnD를 합성하고, 나노 방울을 특성화하기 위해 폴리 아크릴아미드 팬텀을 만들고, ODV 후 PFCnD를 음향 조절하여 대비를 개선하는 방법을 보여줍니다.
Microbubbles는 연조직에 비해 생체 적합성과 우수한 에코 발생성으로 인해 가장 유비쿼터스 초음파 조영제입니다. 이것은 혈류, 장기 묘사 및기타 응용 프로그램을 시각화하는 데 유용한 도구가 됩니다1. 그러나 공진 주파수를 기반으로 한 이미징에 탁월한 크기 (1-10 μm)는 적용을 혈관 구조2로 제한합니다.
이러한 한계로 인해 액체 퍼플루오로카본 코어 주위에 둘러싸인 계면활성제로 구성된 나노 에멀젼인 PFCnD가 개발되었습니다. 이 나노 입자는 200nm만큼 작은 크기로 합성 될 수 있으며 종양 혈관계에서 발견되는 “누출 된”혈관 구조 또는 기공 및 열린 fenestrations를 활용하도록 설계되었습니다. 이러한 파괴는 종양 의존적이지만,이 투과성은 종양에 따라 ~ 200 nm – 1.2 μm의 나노 입자의 혈관 외 유출을 허용합니다 3,4. 초기 형태에서 이러한 입자는 초음파 대비를 거의 또는 전혀 생성하지 않습니다. 음향 또는 광학적으로 유도 된 기화시 코어 상이 액체에서 기체로 바뀌어 직경 5,6,7이 2 배 반에서5 배 증가하고 광 음향 및 초음파 대비가 생성됩니다. 음향 기화가 가장 일반적인 활성화 방법이지만 이 접근 방식은 기화의 이미징을 제한하는 음향 아티팩트를 생성합니다. 또한 대부분의 퍼플루오로카본은 기화하기 위해 안전 임계값을 초과하는 기계적 지수를 가진 집중 초음파가필요합니다8. 이로 인해 저비점 PFCnD가 개발되었으며, 이는 마이크로 버블을 나노 방울9로 응축하여 합성 할 수 있습니다. 그러나, 이들 액적은 더 휘발성이고 자발적인 기화(10)를 받는다.
반면에 광학 액적 기화 (ODV)는 나노 입자 11,12,13 또는 염료 6,14,15와 같은 광학 트리거를 추가해야하며 ANSI 안전 한계 (11) 내의 플루언스를 사용하여 더 높은 끓는점 퍼플 루오로 카본을 기화 할 수 있습니다. 더 높은 끓는점 코어로 합성된 PFCnD는 더 안정적이고 기화 후 재응축되어 배경 없는 이미징16, 멀티플렉싱(17) 및 초고해상도(18)가 가능합니다. 이러한 기술의 주요 한계 중 하나는 높은 끓는점 PFCnD가 기화 후 밀리 초19의 규모로 짧은 시간 동안 만 에코 생성되고 상대적으로 희미하다는 사실입니다. 이 문제는 반복적인 기화 및 평균화를 통해 완화할 수 있지만 액적 신호의 검출 및 분리는 여전히 과제로 남아 있습니다.
펄스 반전으로부터 영감을 얻어서, 지속 시간 및 대비는 초음파 이미징 펄스(19)의 위상을 수정함으로써 향상될 수 있다. 희박한 단계 (n- 펄스)로 초음파 이미징 펄스를 시작하면 기화 된 PFCnD의 지속 시간과 대비가 모두 증가합니다. 대조적으로, 압축 위상 (p- 펄스)으로 초음파 영상 펄스를 시작하면 대비가 감소하고 지속 시간이 단축됩니다. 이 기사에서는 광학적으로 트리거 가능한 퍼플루오로카본 나노방울, 이미징에 일반적으로 사용되는 폴리아크릴아미드 팬텀을 합성하고 음향 변조를 통해 대비 향상 및 향상된 신호 수명을 입증하는 방법을 설명합니다.
프로브 초음파 처리는 PFCnD를 제조하는 비교적 간단하고 배우기 쉬운 방법입니다. 주의를 기울여야 할 몇 가지 단계가 있습니다. 클로로포름을 취급할 때는 휘발성이고 표준 공기 변위 피펫에서 “누출”되므로 용적형 피펫 또는 유리 주사기를 사용해야 합니다. 또한 정변위를 사용하는 경우 클로로포름이 대부분의 플라스틱 팁을 용해시켜 용액에 오염 물질을 유입시킬 수 있으므로 적절한 팁을 사?…
The authors have nothing to disclose.
이 연구는 BCRF-20-043 보조금으로 유방암 연구 재단에 의해 부분적으로 지원되었습니다.
Ammonium Persulfate (APS) | VWR | 97064-592 | |
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC) | Avanti Polar Lipids | 850365C | Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical. |
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (DSPE-PEG) | Avanti Polar Lipids | 880120C | Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical. |
Acrylamide : Bisacrylamide solution (19:1) 40% (w/v), OmniPur® | VWR | EM-1300 | acrylamide solution, lower concentration/ powder |
IR-1048 | Sigma | 405175 | Infrared dye |
L11-4v | Verasonics | – | ultrasound linear array transducer |
Microtip 1/8" | Qsonica LLC | 4418 | microtip for probe sonicator |
N, N, N′, N′ -Tetramethylethylenediamine (TEMED) | VWR | 97064-902 | Used to polymerize polyacrylamide by forming free radicals in the presence of ammonium persulfate |
Nova II | Ophir-Spiricon | 7Z01550 | laser power meter |
Perfluorohexane | Fluoromed | APF-60M | perfluorocarbon liquid |
Phosphate buffered saline (PBS) tablets | VWR | 97062-732 | Tablets used to make PBS |
Q500 | Qsonica LLC | Q500-110 | Probe sonicator |
Silica gel | Sigma-Aldrich | 288500 | 2-25 μm particle size |
Tempest 30 | New wave research | – | Pulsed laser system |
Vantage 128 | Verasonics | – | research ultrasound imaging system |
Zetasizer Nano ZS | Malvern Instruments Ltd | – | Makes size measurements based on dynamic light scattering |