Рецептура и акустическая модуляция оптически испаренных перфторуглеродных нанокапель
Summary
Оптически активированные перфторуглеродные нанокапли показывают многообещающие результаты в приложениях визуализации за пределами сосудистой системы. В этой статье будет показано, как синтезировать эти частицы, сшивать полиакриламидные фантомы и модулировать капли акустически для усиления их сигнала.
Abstract
Микропузырьки являются наиболее часто используемым контрастным веществом для визуализации в ультразвуке. Однако из-за своих размеров они ограничены сосудистыми компартментами. Эти микропузырьки могут быть конденсированы или сформулированы в виде перфторуглеродных нанокапель (PFCnD), которые достаточно малы, чтобы экстравазироваться, а затем акустически запускаться в целевом месте. Эти наночастицы могут быть дополнительно усилены путем включения оптического поглотителя, такого как органический краситель ближнего инфракрасного диапазона или наночастицы (например, наночастицы сульфида меди или наночастицы золота / наностержни). Оптически помеченные PFCnD могут быть испарены с помощью лазерного облучения в процессе, известном как оптической капельной испарение (ODV). Этот процесс активации позволяет использовать перфторуглеродные сердечники с высокой температурой кипения, которые не могут быть акустически испарены при максимальном пороге механического индекса для диагностической визуализации. Сердечники с более высокой температурой кипения приводят к образованию капель, которые будут восстанавливаться после испарения, что приводит к «миганию» PFCnD, которые кратковременно производят контраст после испарения, прежде чем конденсироваться обратно в форму нанокаплей. Этот процесс может быть повторен для создания контраста по требованию, что позволяет получать фоновые изображения, мультиплексирование, сверхразрешение и усиление контрастности с помощью оптической и акустической модуляции. В этой статье будет показано, как синтезировать оптически активируемые PFCnD липидной оболочки с использованием зондовой обработки ультразвуком, создавать полиакриламидные фантомы для характеристики нанокаплей и акустически модулировать PFCnD после ODV для улучшения контраста.
Introduction
Микропузырьки являются наиболее распространенным ультразвуковым контрастным веществом благодаря своей биосовместимости и отличной эхогенности по сравнению с мягкими тканями. Это делает их ценными инструментами для визуализации кровотока, разграничения органов и других приложений1. Однако их размер (1-10 мкм), что делает их исключительными для визуализации на основе их резонансной частоты, ограничивает их применение сосудистой системой2.
Это ограничение привело к разработке PFCnD, которые представляют собой наноэмульсии, состоящие из поверхностно-активного вещества, заключенного вокруг жидкого перфторуглеродного ядра. Эти наночастицы могут быть синтезированы при размерах до 200 нм и предназначены для использования «протекающих» сосудов или пор и открытых фенестрации, обнаруженных в сосудистой системе опухоли. Хотя эти нарушения зависят от опухоли, эта проницаемость позволяет экстравазировать наночастицы от ~ 200 нм до 1,2 мкм в зависимости от опухоли 3,4. В своей первоначальной форме эти частицы практически не производят ультразвукового контраста. При испарении – индуцированном акустически или оптически – фаза ядра изменяется из жидкой в газообразную, вызывая двукратное- пятикратное увеличение диаметра 5,6,7 и создавая фотоакустический и ультразвуковой контраст. Хотя акустическая испарение является наиболее распространенным методом активации, этот подход создает акустические артефакты, которые ограничивают визуализацию испарения. Кроме того, большинство перфторуглеродов требуют сфокусированного ультразвука с механическим индексом, превышающим порог безопасности для испарения8. Это привело к разработке PFCnD с более низкой температурой кипения, которые могут быть синтезированы путем конденсации микропузырьков в нанокапли9. Однако эти капли более летучи и подвержены спонтанному испарению10.
Оптическая капельная испарение (ODV), с другой стороны, требует добавления оптического триггера, такого как наночастицы11,12,13 или краситель 6,14,15, и может испарять перфторуглероды с более высокой температурой кипения с использованием флюенсов в пределах предела безопасностиANSI 11. PFCnD, синтезированные с ядрами с более высокой температурой кипения, более стабильны и будут восстанавливаться после испарения, что позволяет получать фоновые изображения16, мультиплексирование17 и сверхвысокое разрешение18. Одним из основных ограничений этих методов является тот факт, что PFCnD с высокой температурой кипения являются эхогенными после испарения только в течение короткого периода времени, в масштабемиллисекунд 19, и являются относительно слабыми. Хотя эта проблема может быть смягчена путем повторных испарений и усреднения, обнаружение и разделение капельного сигнала остается проблемой.
Черпая вдохновение из инверсии импульса, продолжительность и контраст могут быть увеличены путем изменения фазы ультразвукового импульсавизуализации 19. При запуске импульса ультразвуковой визуализации с фазы разрежения (n-импульса) увеличивается как продолжительность, так и контрастность испарившихся PFCnD. Напротив, запуск ультразвуковой визуализации импульса с фазой сжатия (p-импульс) приводит к снижению контрастности и сокращению продолжительности. В этой статье будет описано, как синтезировать оптически активируемые перфторуглеродные нанокапли, полиакриламидные фантомы, обычно используемые в визуализации, и продемонстрировать усиление контрастности и улучшенную долговечность сигнала с помощью акустической модуляции.
Protocol
Representative Results
Discussion
Зондовая обработка ультразвуком является относительно простым и легким в освоении методом изготовления PFCnD. Есть несколько шагов, где необходимо соблюдать осторожность. При обращении с хлороформом крайне важно использовать пипетку с положительным смещением или стеклянные шприцы, та?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была частично поддержана Фондом исследований рака молочной железы в рамках гранта BCRF-20-043.
Materials
| 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 |
References
- Schutt, E. G., Klein, D. H., Mattrey, R. M., Riess, J. G. Injectable microbubbles as contrast agents for diagnostic ultrasound imaging: the key role of perfluorochemicals. Angewandte Chemie International Edition. 42 (28), 3218-3235 (2003).
- Lee, H., et al. Microbubbles used for contrast enhanced ultrasound and theragnosis: a review of principles to applications. Biomedical Engineering Letters. 7 (2), 59-69 (2017).
- Hobbs, S. K., et al. Regulation of transport pathways in tumor vessels: Role of tumor type and microenvironment. Proceedings of the National Academy of Sciences. 95 (8), 4607-4612 (1998).
- Ishida, O., Maruyama, K., Sasaki, K., Iwatsuru, M. Size-dependent extravasation and interstitial localization of polyethyleneglycol liposomes in solid tumor-bearing mice. International Journal of Pharmaceutics. 190 (1), 49-56 (1999).
- Wong, Z. Z., Kripfgans, O. D., Qamar, A., Fowlkes, J. B., Bull, J. L. Bubble evolution in acoustic droplet vaporization at physiological temperature via ultra-high speed imaging. Soft Matter. 7 (8), 4009 (2011).
- Yu, J., Chen, X., Villanueva, F. S., Kim, K. Vaporization and recondensation dynamics of indocyanine green-loaded perfluoropentane droplets irradiated by a short pulse laser. Applied Physics Letters. 109 (24), 243701 (2016).
- Kripfgans, O. D., Fowlkes, J. B., Miller, D. L., Eldevik, O. P., Carson, P. L. Acoustic droplet vaporization for therapeutic and diagnostic applications. Ultrasound in Medicine & Biology. 26 (7), 1177-1189 (2000).
- Aliabouzar, M., Kumar, K. N., Sarkar, K. Acoustic vaporization threshold of lipid-coated perfluoropentane droplets. The Journal of the Acoustical Society of America. 143 (4), 2001-2012 (2018).
- Sheeran, P. S., Luois, S., Dayton, P. A., Matsunaga, T. O. Formulation and acoustic studies of a new phase-shift agent for diagnostic and therapeutic ultrasound. Langmuir. 27 (17), 10412-10420 (2011).
- Sheeran, P. S., Luois, S. H., Mullin, L. B., Matsunaga, T. O., Dayton, P. A. Design of ultrasonically-activatable nanoparticles using low boiling point perfluorocarbons. Biomaterials. 33 (11), 3262-3269 (2012).
- Wilson, K., Homan, K., Emelianov, S. Biomedical photoacoustics beyond thermal expansion using triggered nanodroplet vaporization for contrast-enhanced imaging. Nature Communications. 3 (1), 618 (2012).
- Strohm, E., Rui, M., Gorelikov, I., Matsuura, N., Kolios, M. Vaporization of perfluorocarbon droplets using optical irradiation. Biomedical Optics Express. 2 (6), 1432 (2011).
- Wei, C., et al. Laser-induced cavitation in nanoemulsion with gold nanospheres for blood clot disruption: in vitro results. Optics Letters. 39 (9), 2599 (2014).
- Hannah, A., Luke, G., Wilson, K., Homan, K., Emelianov, S. Indocyanine green-loaded photoacoustic nanodroplets: Dual contrast nanoconstructs for enhanced photoacoustic and ultrasound imaging. ACS Nano. 8 (1), 250-259 (2014).
- Lajoinie, G., et al. Ultrafast vapourization dynamics of laser-activated polymeric microcapsules. Nature Communications. 5 (1), 3671 (2014).
- Hannah, A. S., Luke, G. P., Emelianov, S. Y. Blinking phase-change nanocapsules enable background-free ultrasound imaging. Theranostics. 6 (11), 1866-1876 (2016).
- Santiesteban, D. Y., Hallam, K. A., Yarmoska, S. K., Emelianov, S. Y. Color-coded perfluorocarbon nanodroplets for multiplexed ultrasound and photoacoustic imaging. Nano Research. 12 (4), 741-747 (2019).
- Luke, G. P., Hannah, A. S., Emelianov, S. Y. Super-resolution ultrasound imaging in vivo with transient laser-activated nanodroplets. Nano Letters. 16 (4), 2556-2559 (2016).
- Zhu, Y. I., Yoon, H., Zhao, A. X., Emelianov, S. Y. Leveraging the imaging transmit pulse to manipulate phase-change nanodroplets for contrast-enhanced ultrasound. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 66 (4), 692-700 (2019).
- Yoon, H., Zhu, Y. I., Yarmoska, S. K., Emelianov, S. Y. Design and demonstration of a configurable imaging platform for combined laser, ultrasound, and elasticity imaging. IEEE Transactions on Medical Imaging. 38 (7), 1622-1632 (2019).
- Taylor, P. Ostwald ripening in emulsions. Advances in Colloid and Interface Science. 75 (2), 107-163 (1998).
- Freire, M. G., Dias, A. M. A., Coelho, M. A. Z., Coutinho, J. A. P., Marrucho, I. M. Aging mechanisms of perfluorocarbon emulsions using image analysis. Journal of Colloid and Interface Science. 286 (1), 224-232 (2005).
- Yarmoska, S. K., Yoon, H., Emelianov, S. Y. Lipid shell composition plays a critical role in the stable size reduction of perfluorocarbon nanodroplets. Ultrasound in Medicine & Biology. 45 (6), 1489-1499 (2019).
- Sheeran, P. S., et al. Decafluorobutane as a phase-change contrast agent for low-energy extravascular ultrasonic imaging. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (9), 1518-1530 (2011).
- Lin, S., et al. Optically and acoustically triggerable sub-micron phase-change contrast agents for enhanced photoacoustic and ultrasound imaging. Photoacoustics. 6, 26-36 (2017).
- Sheeran, P. S., et al. Methods of generating submicrometer phase-shift perfluorocarbon droplets for applications in medical ultrasonography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 64 (1), 252-263 (2017).
- Shui, L., vanden Berg, A., Eijkel, J. C. T. Scalable attoliter monodisperse droplet formation using multiphase nano-microfluidics. Microfluidics and Nanofluidics. 11 (1), 87-92 (2011).
- Jeong, W. -. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a Chip. 12 (8), 1446 (2012).
- Xu, X., et al. Microfluidic production of nanoscale perfluorocarbon droplets as liquid contrast agents for ultrasound imaging. Lab on a Chip. 17 (20), 3504-3513 (2017).
- Song, R., Peng, C., Xu, X., Zou, R., Yao, S. Facile fabrication of uniform nanoscale perfluorocarbon droplets as ultrasound contrast agents. Microfluidics and Nanofluidics. 23 (1), 12 (2019).
- Liedtke, S., Wissing, S., Müller, R. H., Mäder, K. Influence of high-pressure homogenisation equipment on nanodispersions characteristics. International Journal of Pharmaceutics. 196 (2), 183-185 (2000).
- Reznik, N., Williams, R., Burns, P. N. Investigation of vaporized submicron perfluorocarbon droplets as an ultrasound contrast agent. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (8), 1271-1279 (2011).
- Grapentin, C., Barnert, S., Schubert, R. Monitoring the stability of perfluorocarbon nanoemulsions by cryo-TEM image analysis and dynamic light scattering. Plos One. 10 (6), 0130674 (2015).
- de Gracia Lux, C., et al. Novel method for the formation of monodisperse superheated perfluorocarbon nanodroplets as activatable ultrasound contrast agents. RSC Advances. 7 (77), 48561-48568 (2017).
- Zell, K., Sperl, J. I., Vogel, M. W., Niessner, R., Haisch, C. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 52 (20), 475-484 (2007).
- Hariri, A., et al. Polyacrylamide hydrogel phantoms for performance evaluation of multispectral photoacoustic imaging systems. Photoacoustics. 22, 100245 (2021).
- Denisin, A. K., Pruitt, B. L. Tuning the range of polyacrylamide gel stiffness for mechanobiology applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (34), 21893-21902 (2016).
- Rajagopal, S., Sadhoo, N., Zeqiri, B. Reference characterisation of sound speed and attenuation of the iec agar-based tissue-mimicking material up to a frequency of 60 MHz. Ultrasound in Medicine & Biology. 41 (1), 317-333 (2015).
- Madsen, E. L., Zagzebski, J. A., Banjavie, R. A., Jutila, R. E. Tissue mimicking materials for ultrasound phantoms. Medical Physics. 5 (5), 391-394 (1978).
- Kharine, A., et al. Poly(vinyl alcohol) gels for use as tissue phantoms in photoacoustic mammography. Physics in Medicine and Biology. 48 (3), 357-370 (2003).
- Kim, H., Chang, J. H. Multimodal photoacoustic imaging as a tool for sentinel lymph node identification and biopsy guidance. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 183-191 (2018).
- Zhou, Y., et al. Magnetic nanoparticle-promoted droplet vaporization for in vivo stimuli-responsive cancer theranostics. NPG Asia Materials. 8 (9), 313 (2016).
