ऑप्टिकल रूप से वाष्पीकृत परफ्लोरोकार्बन नैनोड्रॉपलेट्स का निर्माण और ध्वनिक मॉड्यूलेशन
Summary
ऑप्टिकल रूप से सक्रिय परफ्लोरोकार्बन नैनोड्रॉपलेट्स संवहनी प्रणाली के बाहर इमेजिंग अनुप्रयोगों में वादा दिखाते हैं। यह लेख प्रदर्शित करेगा कि इन कणों को कैसे संश्लेषित किया जाए, पॉलीक्रिलामाइड फैंटम को क्रॉसलिंक किया जाए, और उनके संकेत को बढ़ाने के लिए बूंदों को ध्वनिक रूप से संशोधित किया जाए।
Abstract
माइक्रोबबल अल्ट्रासाउंड में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला इमेजिंग कंट्रास्ट एजेंट है। हालांकि, उनके आकार के कारण, वे संवहनी डिब्बों तक सीमित हैं। इन माइक्रोबबल्स को संघनित किया जा सकता है या परफ्लोरोकार्बन नैनोड्रॉपलेट्स (पीएफसीएनडी) के रूप में तैयार किया जा सकता है जो अतिरिक्त रूप से पर्याप्त छोटे होते हैं और फिर लक्ष्य स्थल पर ध्वनिक रूप से ट्रिगर किए जाते हैं। इन नैनोकणों को इन्फ्रारेड कार्बनिक डाई या नैनोकणों (जैसे, कॉपर सल्फाइड नैनोकणों या सोने के नैनोकणों / नैनोरोड्स) जैसे ऑप्टिकल अवशोषक को शामिल करके आगे बढ़ाया जा सकता है। ऑप्टिकल रूप से टैग किए गए पीएफसीएनडी को ऑप्टिकल ड्रॉपलेट वाष्पीकरण (ओडीवी) नामक प्रक्रिया में लेजर विकिरण के माध्यम से वाष्पीकृत किया जा सकता है। सक्रियण की यह प्रक्रिया उच्च क्वथनांक परफ्लोरोकार्बन कोर के उपयोग को सक्षम बनाती है, जिसे नैदानिक इमेजिंग के लिए अधिकतम यांत्रिक सूचकांक सीमा के तहत ध्वनिक रूप से वाष्पीकृत नहीं किया जा सकता है। उच्च क्वथनांक कोर के परिणामस्वरूप बूंदें होती हैं जो वाष्पीकरण के बाद फिर से घुल जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप “पलक झपकने” वाले पीएफसीएनडी होते हैं जो नैनोड्रॉपलेट रूप में संघनित होने से पहले वाष्पीकरण के बाद संक्षेप में विपरीत पैदा करते हैं। इस प्रक्रिया को मांग पर कंट्रास्ट का उत्पादन करने के लिए दोहराया जा सकता है, जिससे ऑप्टिकल और ध्वनिक मॉड्यूलेशन दोनों के माध्यम से पृष्ठभूमि मुक्त इमेजिंग, मल्टीप्लेक्सिंग, सुपर-रिज़ॉल्यूशन और कंट्रास्ट वृद्धि की अनुमति मिलती है। यह लेख दिखाएगा कि जांच सोनिकेशन का उपयोग करके ऑप्टिकल-ट्रिगरेबल, लिपिड शेल पीएफसीएनडी को कैसे संश्लेषित किया जाए, नैनोड्रॉपलेट्स को चिह्नित करने के लिए पॉलीक्रिलामाइड फैंटम बनाएं, और विपरीत में सुधार के लिए ओडीवी के बाद पीएफसीएनडी को ध्वनिक रूप से संशोधित करें।
Introduction
माइक्रोबबल्स नरम ऊतकों की तुलना में उनकी जैव-रासायनिकता और उत्कृष्ट इकोजेनेसिटी के कारण सबसे सर्वव्यापी अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट एजेंट हैं। यह उन्हें रक्त प्रवाह, अंग चित्रण औरअन्य अनुप्रयोगों की कल्पना करने के लिए मूल्यवान उपकरण बनाता है। हालांकि, उनका आकार (1-10 μm), जो उन्हें उनकी अनुनाद आवृत्ति के आधार पर इमेजिंग के लिए असाधारण बनाता है, उनके अनुप्रयोगों को वास्कुलचर2 तक सीमित करता है।
इस सीमा ने पीएफसीएनडी के विकास को जन्म दिया है, जो एक तरल परफ्लोरोकार्बन कोर के चारों ओर एक सर्फेक्टेंट से बने नैनो-इमल्शन हैं। इन नैनोकणों को 200 एनएम जितने छोटे आकार में संश्लेषित किया जा सकता है और ट्यूमर वास्कुलचर में पाए जाने वाले “लीक” वाहिका या छिद्रों और खुले फेनेस्ट्रेशन का लाभ उठाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जबकि ये व्यवधान ट्यूमर पर निर्भर हैं, यह पारगम्यता ट्यूमर 3,4 के आधार पर ~ 200 एनएम – 1.2 μm से नैनोकणों के अतिरिक्तीकरण की अनुमति देती है। अपने प्रारंभिक रूप में, ये कण बहुत कम अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट का उत्पादन करते हैं। वाष्पीकरण पर – ध्वनिक या ऑप्टिकल रूप से प्रेरित – कोर चरण तरल से गैस में बदल जाता है, व्यास 5,6,7 में ढाई से पांच गुना वृद्धि को प्रेरित करता है और फोटोएकॉस्टिक और अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट उत्पन्न करता है। जबकि ध्वनिक वाष्पीकरण सबसे आम सक्रियण विधि है, यह दृष्टिकोण ध्वनिक कलाकृतियों का निर्माण करता है जो वाष्पीकरण की इमेजिंग को सीमित करता है। इसके अतिरिक्त, अधिकांश परफ्लोरोकार्बन को 8 को वाष्पीकृत करने के लिए सुरक्षा सीमा से परे यांत्रिक सूचकांक के साथ केंद्रित अल्ट्रासाउंड की आवश्यकता होतीहै। इससे निचले क्वथनांक पीएफसीएनडी का विकास हुआ है, जिसे माइक्रोबबल को नैनोड्रॉपलेट्स9 में संघनित करके संश्लेषित किया जा सकता है। हालांकि, ये बूंदें अधिक अस्थिर होती हैं और सहज वाष्पीकरण10 के अधीन होती हैं।
दूसरी ओर, ऑप्टिकल ड्रॉपलेट वाष्पीकरण (ओडीवी), को नैनोपार्टिकल्स11,12,13 या डाई 6,14,15 जैसे ऑप्टिकल ट्रिगर को जोड़ने की आवश्यकता होती है और एएनएसआई सुरक्षा सीमा 11 के भीतर समृद्धि का उपयोग करके उच्च क्वथनांक परफ्लोरोकार्बन को वाष्पीकृत कर सकता है। उच्च क्वथनांक कोर के साथ संश्लेषित पीएफसीएनडी अधिक स्थिर होते हैं और वाष्पीकरण के बाद पुन: उत्पन्न होंगे, जिससे पृष्ठभूमि मुक्त इमेजिंग16, मल्टीप्लेक्सिंग17 और सुपर-रिज़ॉल्यूशन18 की अनुमति मिलती है। इन तकनीकों की प्रमुख सीमाओं में से एक यह तथ्य है कि उच्च क्वथनांक पीएफसीएनडी मिलीसेकंड19 के पैमाने पर केवल थोड़े समय के लिए वाष्पीकरण के बाद इकोजेनिक होते हैं, और अपेक्षाकृत बेहोश होते हैं। हालांकि इस मुद्दे को बार-बार वाष्पीकरण और औसत के माध्यम से कम किया जा सकता है, ड्रॉपलेट सिग्नल का पता लगाना और पृथक्करण एक चुनौती बनी हुई है।
पल्स व्युत्क्रमण से प्रेरणा लेते हुए, अल्ट्रासाउंड इमेजिंग पल्स19 के चरण को संशोधित करके अवधि और कंट्रास्ट को बढ़ाया जा सकता है। एक दुर्लभ चरण (एन-पल्स) के साथ अल्ट्रासाउंड इमेजिंग पल्स शुरू करके, वाष्पीकृत पीएफसीएनडी की अवधि और विपरीत दोनों बढ़ जाते हैं। इसके विपरीत, अल्ट्रासाउंड इमेजिंग पल्स को संपीड़न चरण (पी-पल्स) के साथ शुरू करने से कंट्रास्ट कम हो जाता है और अवधि कम हो जाती है। यह लेख वर्णन करेगा कि ऑप्टिकल रूप से ट्रिगर करने योग्य परफ्लोरोकार्बन नैनोड्रॉपलेट्स, पॉलीक्रिलामाइड फैंटम को आमतौर पर इमेजिंग में कैसे उपयोग किया जाता है, और ध्वनिक मॉड्यूलेशन के माध्यम से विपरीत वृद्धि और बेहतर सिग्नल दीर्घायु का प्रदर्शन करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोब सोनिकेशन पीएफसीएनडी बनाने के लिए एक अपेक्षाकृत सरल और सीखने में आसान तरीका है। कुछ कदम हैं जहां देखभाल की जानी चाहिए। क्लोरोफॉर्म को संभालते समय, यह जरूरी है कि एक सकारात्मक विस्थापन पिपेट या ग्…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को बीसीआरएफ-20-043 अनुदान के तहत स्तन कैंसर अनुसंधान फाउंडेशन द्वारा आंशिक रूप से समर्थित किया गया था।
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 |
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