Formulation et modulation acoustique de nanogouttelettes de perfluorocarbone vaporisées optiquement
Summary
Les nanogouttelettes de perfluorocarbone optiquement activées sont prometteuses dans les applications d’imagerie en dehors du système vasculaire. Cet article montrera comment synthétiser ces particules, réticuler les fantômes de polyacrylamide et moduler les gouttelettes acoustiquement pour améliorer leur signal.
Abstract
Les microbulles sont l’agent de contraste d’imagerie le plus couramment utilisé en échographie. Cependant, en raison de leur taille, ils sont limités aux compartiments vasculaires. Ces microbulles peuvent être condensées ou formulées sous forme de nanogouttelettes de perfluorocarbures (PFCnD) suffisamment petites pour extravaser puis être déclenchées acoustiquement sur le site cible. Ces nanoparticules peuvent être encore améliorées en incluant un absorbeur optique tel qu’un colorant organique proche infrarouge ou des nanoparticules (par exemple, des nanoparticules de sulfure de cuivre ou des nanoparticules d’or / nanotiges d’or). Les PFCnD marqués optiquement peuvent être vaporisés par irradiation laser dans un processus connu sous le nom de vaporisation optique de gouttelettes (ODV). Ce processus d’activation permet l’utilisation de noyaux perfluorés à point d’ébullition élevé, qui ne peuvent pas être vaporisés acoustiquement en dessous du seuil d’indice mécanique maximal pour l’imagerie diagnostique. Les noyaux à point d’ébullition plus élevé produisent des gouttelettes qui se recondensent après la vaporisation, ce qui entraîne des PFCnD « clignotants » qui produisent brièvement un contraste après la vaporisation avant de se condenser à nouveau sous forme de nanogouttelettes. Ce processus peut être répété pour produire un contraste à la demande, ce qui permet l’imagerie sans arrière-plan, le multiplexage, la super-résolution et l’amélioration du contraste grâce à la modulation optique et acoustique. Cet article montrera comment synthétiser des PFCnD à enveloppe lipidique déclenchables optiquement en utilisant la sonication de sonde, créer des fantômes de polyacrylamide pour caractériser les nanogouttelettes et moduler acoustiquement les PFCnD après ODV pour améliorer le contraste.
Introduction
Les microbulles sont l’agent de contraste ultrasonore le plus omniprésent en raison de leur biocompatibilité et de leur excellente échogénicité par rapport aux tissus mous. Cela en fait des outils précieux pour visualiser le flux sanguin, la délimitation des organes et d’autres applications1. Cependant, leur taille (1-10 μm), ce qui les rend exceptionnels pour l’imagerie basée sur leur fréquence de résonance, limite leurs applications au système vasculaire2.
Cette limitation a conduit au développement des PFCnD, qui sont des nano-émulsions composées d’un tensioactif enfermé autour d’un noyau de perfluorocarbone liquide. Ces nanoparticules peuvent être synthétisées à des tailles aussi petites que 200 nm et sont conçues pour tirer parti du système vasculaire ou des pores « perméables » et des fenestrations ouvertes trouvées dans le système vasculaire tumoral. Bien que ces perturbations soient dépendantes de la tumeur, cette perméabilité permet une extravasation des nanoparticules de ~200 nm à 1,2 μm selon la tumeur 3,4. Dans leur forme initiale, ces particules produisent peu ou pas de contraste ultrasonore. Lors de la vaporisation – induite acoustiquement ou optiquement – la phase centrale passe du liquide au gaz, induisant une augmentation de deux fois et demie à cinq du diamètre 5,6,7 et générant un contraste photoacoustique et ultrasonore. Bien que la vaporisation acoustique soit la méthode d’activation la plus courante, cette approche crée des artefacts acoustiques qui limitent l’imagerie de la vaporisation. De plus, la plupart des hydrocarbures perfluorés nécessitent des ultrasons focalisés avec un indice mécanique au-delà du seuil de sécurité pour se vaporiser8. Cela a conduit au développement de PFCnD à point d’ébullition inférieur, qui peuvent être synthétisés en condensant des microbulles en nanogouttelettes9. Cependant, ces gouttelettes sont plus volatiles et sujettes à une vaporisation spontanée10.
La vaporisation optique par gouttelettes (ODV), en revanche, nécessite l’ajout d’un déclencheur optique tel que les nanoparticules 11,12,13 ou le colorant 6,14,15 et peut vaporiser des perfluorocarbones à point d’ébullition plus élevé en utilisant des fluences dans la limite de sécurité ANSI 11. Les PFCnD synthétisés avec des noyaux à point d’ébullition plus élevé sont plus stables et se recondensent après vaporisation, ce qui permet une imagerie sans arrière-plan16, un multiplexage 17 et une super-résolution18. L’une des principales limites de ces techniques est le fait que les PFCnD à point d’ébullition élevé sont échogènes après vaporisation pendant une courte période, à l’échelle de millisecondes19, et sont relativement faibles. Bien que ce problème puisse être atténué par des vaporisations répétées et la moyenne, la détection et la séparation du signal des gouttelettes restent un défi.
En s’inspirant de l’inversion d’impulsion, la durée et le contraste peuvent être améliorés en modifiant la phase de l’impulsion d’imagerie ultrasonore19. En démarrant l’impulsion d’imagerie ultrasonore avec une phase de raréfaction (n-pulse), la durée et le contraste des PFCnDs vaporisés augmentent. En revanche, le démarrage de l’impulsion d’imagerie ultrasonore avec une phase de compression (p-pulse) entraîne une réduction du contraste et une durée plus courte. Cet article décrira comment synthétiser des nanogouttelettes de perfluorocarbone déclenchables optiquement, des fantômes de polyacrylamide couramment utilisés en imagerie, et démontrera l’amélioration du contraste et la longévité du signal grâce à la modulation acoustique.
Protocol
Representative Results
Discussion
La sonication de sonde est une méthode relativement simple et facile à apprendre pour fabriquer des PFCnD. Il y a quelques étapes où il faut faire attention. Lors de la manipulation du chloroforme, il est impératif d’utiliser une pipette volumétrique ou des seringues en verre, car il est volatil et « fuira » des pipettes à déplacement d’air standard. De plus, si vous utilisez un déplacement positif, assurez-vous qu’une pointe appropriée est utilisée car le chloroforme dissoudra la plupart des embouts e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le travail a été financé en partie par la Fondation de la recherche sur le cancer du sein dans le cadre de la subvention 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 |
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