Formulación y modulación acústica de nanogotas de perfluorocarbono vaporizadas ópticamente
Summary
Las nanogotas de perfluorocarbono activadas ópticamente son prometedoras en aplicaciones de imágenes fuera del sistema vascular. Este artículo demostrará cómo sintetizar estas partículas, fantasmas de poliacrilamida de entrecruzamiento y modular las gotas acústicamente para mejorar su señal.
Abstract
Las microburbujas son el agente de contraste de imágenes más utilizado en ultrasonido. Sin embargo, debido a su tamaño, se limitan a compartimentos vasculares. Estas microburbujas pueden condensarse o formularse como nanogotas de perfluorocarbono (PFCnD) que son lo suficientemente pequeñas como para extravasarse y luego activarse acústicamente en el sitio objetivo. Estas nanopartículas pueden mejorarse aún más mediante la inclusión de un absorbente óptico, como un tinte orgánico infrarrojo cercano o nanopartículas (por ejemplo, nanopartículas de sulfuro de cobre o nanopartículas / nanovarillas de oro). Los PFCnD marcados ópticamente se pueden vaporizar a través de la irradiación láser en un proceso conocido como vaporización óptica de gotas (ODV). Este proceso de activación permite el uso de núcleos de perfluorocarbono de alto punto de ebullición, que no pueden vaporizarse acústicamente por debajo del umbral máximo de índice mecánico para el diagnóstico por imágenes. Los núcleos de punto de ebullición más altos dan como resultado gotas que se recondensarán después de la vaporización, lo que resulta en PFCnD “parpadeantes” que producen contraste brevemente después de la vaporización antes de condensarse nuevamente en forma de nanogotas. Este proceso se puede repetir para producir contraste bajo demanda, lo que permite la creación de imágenes sin fondo, multiplexación, superresolución y mejora del contraste a través de la modulación óptica y acústica. Este artículo demostrará cómo sintetizar PFCnD de cáscara lipídica ópticamente activables utilizando sonicación de sonda, crear fantasmas de poliacrilamida para caracterizar las nanogotas y modular acústicamente los PFCnD después de ODV para mejorar el contraste.
Introduction
Las microburbujas son el agente de contraste de ultrasonido más ubicuo debido a su biocompatibilidad y excelente ecogenicidad en comparación con los tejidos blandos. Esto los convierte en herramientas valiosas para visualizar el flujo sanguíneo, la delineación de órganos y otras aplicaciones1. Sin embargo, su tamaño (1-10 μm), que los hace excepcionales para la obtención de imágenes en función de su frecuencia de resonancia, restringe sus aplicaciones a la vasculatura2.
Esta limitación ha llevado al desarrollo de PFCnDs, que son nanoemulsiones compuestas de un surfactante encerrado alrededor de un núcleo de perfluorocarbono líquido. Estas nanopartículas se pueden sintetizar en tamaños tan pequeños como 200 nm y están diseñadas para aprovechar la vasculatura o los poros “permeables” y las fenestraciones abiertas que se encuentran en la vasculatura tumoral. Si bien estas interrupciones dependen del tumor, esta permeabilidad permite la extravasación de nanopartículas de ~ 200 nm – 1.2 μm dependiendo del tumor 3,4. En su forma inicial, estas partículas producen poco o ningún contraste de ultrasonido. Tras la vaporización, inducida acústica u ópticamente, la fase central cambia de líquido a gas, induciendo un aumento de dos veces y media a cinco veces en el diámetro 5,6,7 y generando contraste fotoacústico y de ultrasonido. Si bien la vaporización acústica es el método de activación más común, este enfoque crea artefactos acústicos que limitan la imagen de la vaporización. Además, la mayoría de los perfluorocarbonos requieren ultrasonido focalizado con un índice mecánico más allá del umbral de seguridad para vaporizar8. Esto ha llevado al desarrollo de PFCnD de menor punto de ebullición, que pueden sintetizarse condensando microburbujas en nanogotas9. Sin embargo, estas gotitas son más volátiles y están sujetas a vaporización espontánea10.
La vaporización óptica de gotas (ODV), por otro lado, requiere la adición de un disparador óptico como nanopartículas 11,12,13 o colorante 6,14,15 y puede vaporizar perfluorocarbonos de mayor punto de ebullición utilizando fluencias dentro del límite de seguridad ANSI 11. Los PFCnD sintetizados con núcleos de punto de ebullición más altos son más estables y se recondensarán después de la vaporización, lo que permite imágenes libres de fondo16, multiplexación 17 y superresolución18. Una de las principales limitaciones de estas técnicas es el hecho de que los PFCnD de alto punto de ebullición son ecogénicos después de la vaporización durante un corto período de tiempo, en la escala de milisegundos19, y son relativamente débiles. Si bien este problema puede mitigarse mediante vaporizaciones repetidas y promedios, la detección y separación de la señal de gotitas sigue siendo un desafío.
Inspirándose en la inversión del pulso, la duración y el contraste pueden mejorarse modificando la fase del pulso de imagen de ultrasonido19. Al iniciar el pulso de imagen de ultrasonido con una fase de rarefacción (n-pulso), tanto la duración como el contraste de los PFCnD vaporizados aumentan. Por el contrario, el inicio del pulso de imágenes de ultrasonido con una fase de compresión (pulso p), da como resultado un contraste reducido y una duración más corta. Este artículo describirá cómo sintetizar nanogotas de perfluorocarbono activables ópticamente, fantasmas de poliacrilamida comúnmente utilizados en imágenes, y demostrar la mejora del contraste y la longevidad mejorada de la señal a través de la modulación acústica.
Protocol
Representative Results
Discussion
La sonicación de la sonda es un método relativamente simple y fácil de aprender para fabricar PFCnDs. Hay algunos pasos en los que se debe tener cuidado. Al manipular cloroformo, es imperativo que se utilice una pipeta de desplazamiento positivo o jeringas de vidrio, ya que es volátil y se “filtrará” de las pipetas de desplazamiento de aire estándar. Además, si utiliza un desplazamiento positivo, asegúrese de que se utiliza una punta adecuada, ya que el cloroformo disolverá la mayoría de las puntas de plástico…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El trabajo fue apoyado en parte por la Fundación para la Investigación del Cáncer de Mama bajo la subvención 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
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