صياغة وتعديل صوتي للقطرات النانوية المشبعة بالفلور الكربون المتبخرة بصريا
Summary
تظهر قطرات نانوية مشبعة بالفلور كربون منشطة بصريا واعدة في تطبيقات التصوير خارج نظام الأوعية الدموية. ستوضح هذه المقالة كيفية تجميع هذه الجسيمات ، وربط أشباح بولي أكريلاميد ، وتعديل القطرات صوتيا لتعزيز إشارتها.
Abstract
الفقاعات الدقيقة هي عامل تباين التصوير الأكثر استخداما في الموجات فوق الصوتية. ومع ذلك ، نظرا لحجمها ، فهي تقتصر على مقصورات الأوعية الدموية. يمكن تكثيف هذه الفقاعات الدقيقة أو صياغتها على شكل قطرات نانوية مشبعة بالفلور الكربون (PFCnDs) صغيرة بما يكفي للتسرب ثم يتم تشغيلها صوتيا في الموقع المستهدف. يمكن تعزيز هذه الجسيمات النانوية بشكل أكبر من خلال تضمين ممتص بصري مثل الصبغة العضوية القريبة من الأشعة تحت الحمراء أو الجسيمات النانوية (على سبيل المثال ، جسيمات كبريتيد النحاس النانوية أو جسيمات الذهب النانوية / القضبان النانوية). يمكن تبخير PFCnDs الموسومة بصريا من خلال تشعيع الليزر في عملية تعرف باسم تبخير القطيرات الضوئية (ODV). تتيح عملية التنشيط هذه استخدام نوى مشبعة بالفلور كربون عالية نقطة الغليان ، والتي لا يمكن تبخيرها صوتيا تحت عتبة المؤشر الميكانيكي القصوى للتصوير التشخيصي. ينتج عن نوى نقطة الغليان الأعلى قطرات تتكثف بعد التبخير ، مما يؤدي إلى “وميض” PFCnDs التي تنتج تباينا لفترة وجيزة بعد التبخير قبل أن تتكثف مرة أخرى إلى شكل قطرات نانوية. يمكن تكرار هذه العملية لإنتاج تباين عند الطلب ، مما يسمح بالتصوير الحر للخلفية ، وتعدد الإرسال ، والدقة الفائقة ، وتحسين التباين من خلال كل من التعديل البصري والصوتي. ستوضح هذه المقالة كيفية توليف PFCnDs ذات القشرة الدهنية القابلة للتشغيل بصريا باستخدام صوتنة المسبار ، وإنشاء أشباح بولي أكريلاميد لتوصيف القطرات النانوية ، وتعديل PFCnDs صوتيا بعد ODV لتحسين التباين.
Introduction
الفقاعات الدقيقة هي عامل التباين بالموجات فوق الصوتية الأكثر انتشارا نظرا لتوافقها الحيوي وصدى الصدى الممتاز مقارنة بالأنسجة الرخوة. هذا يجعلها أدوات قيمة لتصور تدفق الدم ، وتحديد الأعضاء ، وغيرها من التطبيقات1. ومع ذلك ، فإن حجمها (1-10 ميكرومتر) ، مما يجعلها استثنائية للتصوير بناء على تردد الرنين ، يقصر تطبيقاتها على الأوعية الدموية2.
وقد أدى هذا القيد إلى تطوير PFCnDs ، وهي مستحلبات نانوية تتكون من خافض للتوتر السطحي مغلفة حول قلب سائل من الكربون المشبع بالفلور. يمكن تصنيع هذه الجسيمات النانوية بأحجام صغيرة تصل إلى 200 نانومتر وهي مصممة للاستفادة من الأوعية الدموية أو المسام “المتسربة” و fenestrations المفتوحة الموجودة في الأوعية الدموية للورم. في حين أن هذه الاضطرابات تعتمد على الورم ، فإن هذه النفاذية تسمح بتسرب الجسيمات النانوية من ~ 200 نانومتر – 1.2 ميكرومتر اعتمادا على الورم 3,4. في شكلها الأولي ، تنتج هذه الجسيمات تباينا ضئيلا أو معدوما. عند التبخير – المستحث صوتيا أو بصريا – يتغير الطور الأساسي من السائل إلى الغاز ، مما يؤدي إلى زيادة قطرها بمقدار ضعفين ونصف إلى خمسة أضعاف في القطر5،6،7 وتوليد تباين ضوئي صوتي وموجات فوق صوتية. في حين أن التبخير الصوتي هو أكثر طرق التنشيط شيوعا ، فإن هذا النهج يخلق قطعا أثرية صوتية تحد من تصوير التبخير. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب معظم مركبات الكربون المشبعة بالفلور الموجات فوق الصوتية المركزة مع مؤشر ميكانيكي يتجاوز عتبة الأمان لتبخير8. وقد أدى ذلك إلى تطوير PFCnDs ذات نقطة غليان أقل ، والتي يمكن تصنيعها عن طريق تكثيف الفقاعات الدقيقة في قطرات نانوية9. ومع ذلك ، فإن هذه القطرات أكثر تقلبا وتخضع للتبخير التلقائي10.
من ناحية أخرى ، يتطلب تبخير القطيرات الضوئية (ODV) إضافة مشغل بصري مثل الجسيمات النانوية 11،12،13 أو الصبغة6،14،15 ويمكن أن يبخر مركبات الكربون المشبعة بالفلور ذات درجة الغليان الأعلى باستخدام fluences ضمن حد أمان ANSI 11. PFCnDs التي يتم تصنيعها مع نوى نقطة غليان أعلى أكثر استقرارا وستتكثف بعد التبخير ، مما يسمح بالتصوير الخالي من الخلفية16 ، وتعدد الإرسال17 ، والدقةالفائقة 18. أحد القيود الرئيسية لهذه التقنيات هو حقيقة أن PFCnDs ذات نقطة الغليان العالية تكون منشطة بعد التبخير لفترة زمنية قصيرة فقط ، على مقياس ميلي ثانية19 ، وهي باهتة نسبيا. في حين يمكن التخفيف من هذه المشكلة من خلال التبخير المتكرر والمتوسط ، فإن اكتشاف إشارة القطيرات وفصلها لا يزال يمثل تحديا.
بالاستلهام من انعكاس النبض ، يمكن تحسين المدة والتباين عن طريق تعديل مرحلة نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية19. من خلال بدء نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية بمرحلة التخلخل (n-pulse) ، تزداد مدة وتباين PFCnDs المتبخر. في المقابل ، يؤدي بدء نبض التصوير بالموجات فوق الصوتية بمرحلة ضغط (p-pulse) إلى تقليل التباين وأقصر في المدة. سوف تصف هذه المقالة كيفية توليف قطرات نانوية مشبعة بالفلور كربون قابلة للتشغيل بصريا ، وأشباح بولي أكريلاميد شائعة الاستخدام في التصوير ، وإظهار تعزيز التباين وتحسين طول عمر الإشارة من خلال التعديل الصوتي.
Protocol
Representative Results
Discussion
صوتنة التحقيق هي طريقة بسيطة نسبيا وسهلة التعلم لتصنيع PFCnDs. هناك بعض الخطوات التي يجب توخي الحذر فيها. عند التعامل مع الكلوروفورم ، من الضروري استخدام ماصة الإزاحة الإيجابية أو المحاقن الزجاجية ، لأنها متقلبة وسوف “تتسرب” من ماصات إزاحة الهواء القياسية. علاوة على ذلك ، في حالة استخدام إزاح…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم العمل جزئيا من قبل مؤسسة أبحاث سرطان الثدي بموجب منحة 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).
