Optiskt aktiverade perfluorkarbonnanodroppar visar löfte i bildapplikationer utanför kärlsystemet. Denna artikel kommer att visa hur man syntetiserar dessa partiklar, tvärbinder polyakrylamidfantomer och modulerar dropparna akustiskt för att förbättra deras signal.
Mikrobubblor är det vanligaste bildkontrastmedlet vid ultraljud. På grund av sin storlek är de dock begränsade till vaskulära fack. Dessa mikrobubblor kan kondenseras eller formuleras som perfluorkarbonnanodroppar (PFCnD) som är tillräckligt små för att extravasera och sedan utlösas akustiskt på målplatsen. Dessa nanopartiklar kan förbättras ytterligare genom att inkludera en optisk absorberare som nära infrarött organiskt färgämne eller nanopartiklar (t.ex. kopparsulfidnanopartiklar eller guldnanopartiklar / nanoroder). Optiskt märkta PFCnDs kan förångas genom laserbestrålning i en process som kallas optisk droppförångning (ODV). Denna aktiveringsprocess möjliggör användning av perfluorkarbonkärnor med hög kokpunkt, som inte kan förångas akustiskt under den maximala mekaniska indextröskeln för diagnostisk avbildning. Kärnor med högre kokpunkt resulterar i droppar som kondenseras igen efter förångning, vilket resulterar i “blinkande” PFCnD: er som kort producerar kontrast efter förångning innan de kondenseras tillbaka till nanodroppform. Denna process kan upprepas för att producera kontrast på begäran, vilket möjliggör bakgrundsfri avbildning, multiplexering, superupplösning och kontrastförbättring genom både optisk och akustisk modulering. Denna artikel kommer att visa hur man syntetiserar optiskt utlösbara, lipidskal PFCnDs med hjälp av sond ultraljudsbehandling, skapa polyakrylamidfantom för att karakterisera nanodroplets, och akustiskt modulera PFCnDs efter ODV för att förbättra kontrasten.
Mikrobubblor är det mest allestädes närvarande ultraljudskontrastmedlet på grund av deras biokompatibilitet och utmärkta ekogenitet jämfört med mjuka vävnader. Detta gör dem till värdefulla verktyg för att visualisera blodflöde, organavgränsning och andra applikationer1. Men deras storlek (1-10 μm), vilket gör dem exceptionella för avbildning baserat på deras resonansfrekvens, begränsar deras applikationer till vaskulaturen2.
Denna begränsning har lett till utvecklingen av PFCnD, som är nanoemulsioner som består av ett ytaktivt ämne inneslutet runt en flytande perfluorkarbonkärna. Dessa nanopartiklar kan syntetiseras i storlekar så små som 200 nm och är utformade för att dra nytta av “läckande” vaskulatur eller porer och öppna fenestrationer som finns i tumörvaskulatur. Även om dessa störningar är tumörberoende, möjliggör denna permeabilitet extravasering av nanopartiklar från ~ 200 nm – 1,2 μm beroende på tumören 3,4. I sin ursprungliga form producerar dessa partiklar liten eller ingen ultraljudskontrast. Vid förångning – inducerad akustiskt eller optiskt – ändras kärnfasen från vätska till gas, vilket inducerar en två och en halv till femfaldig ökning i diameter 5,6,7 och genererar fotoakustisk och ultraljudskontrast. Medan akustisk förångning är den vanligaste aktiveringsmetoden, skapar detta tillvägagångssätt akustiska artefakter som begränsar avbildningen av förångningen. Dessutom kräver de flesta perfluorkarboner fokuserad ultraljud med ett mekaniskt index över säkerhetströskeln för att förånga8. Detta har lett till utvecklingen av PFCnDs med lägre kokpunkt, som kan syntetiseras genom att kondensera mikrobubblor till nanodroppar9. Dessa droppar är emellertid mer flyktiga och föremål för spontan förångning10.
Optisk droppförångning (ODV), å andra sidan, kräver tillsats av en optisk utlösare såsom nanopartiklar 11,12,13 eller färgämne 6,14,15 och kan förånga perfluorkarboner med högre kokpunkt med hjälp av fluenser inom ANSI-säkerhetsgränsen 11. PFCnDs syntetiserade med högre kokpunktskärnor är mer stabila och kommer att kondenseras efter förångning, vilket möjliggör bakgrundsfri avbildning16, multiplexering 17 och superupplösning18. En av de största begränsningarna med dessa tekniker är det faktum att PFCnDs med hög kokpunkt är ekogena efter förångning under endast en kort tidsram, på skalanmillisekunder 19, och är relativt svaga. Även om detta problem kan mildras genom upprepade förångningar och medelvärde, är detektion och separering av droppsignal fortfarande en utmaning.
Med inspiration från pulsinversion kan varaktigheten och kontrasten förbättras genom att modifiera fasen av ultraljudsavbildningspulsen19. Genom att starta ultraljudsavbildningspulsen med en sällsynthetsfas (n-puls) ökar både varaktigheten och kontrasten hos de förångade PFCnD: erna. Däremot resulterar start av ultraljudsavbildningspulsen med en kompressionsfas (p-puls) i minskad kontrast och kortare varaktighet. Denna artikel kommer att beskriva hur man syntetiserar optiskt utlösbara perfluorkarbonnanodroppar, polyakrylamidfantomer som vanligtvis används vid avbildning, och visar kontrastförbättring och förbättrad signallivslängd genom akustisk modulering.
Sond ultraljudsbehandling är en relativt enkel och lätt att lära sig metod för att tillverka PFCnDs. Det finns några steg där försiktighet måste vidtas. Vid hantering av kloroform är det absolut nödvändigt att en positiv förskjutningspipett eller glassprutor används, eftersom den är flyktig och kommer att “läcka” från vanliga luftförskjutningspipetter. Dessutom, om du använder en positiv förskjutning, se till att en lämplig spets används eftersom kloroform löser upp de flesta plastspetsar, vilket ka…
The authors have nothing to disclose.
Arbetet stöddes delvis av Bröstcancerforskningsstiftelsen under bidrag BCRF-20-043.
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 |