JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

Optik Olarak Buharlaştırılmış Perflorokarbon Nanodamlacıkların Formülasyonu ve Akustik Modülasyonu

Published: July 16, 2021
doi:
10.3791/62814
, ,
1Department of Biomedical Engineering,Georgia Institute of Technology and Emory University, 2School of Electrical Engineering,Georgia Institute of Technology, 3Department of Biomedical Engineering and School of Electrical Engineering,Georgia Institute of Technology and Emory University

Summary

Optik olarak aktive edilmiş perflorokarbon nanodamlacıklar, vasküler sistem dışındaki görüntüleme uygulamalarında umut vaat etmektedir. Bu makale, bu parçacıkların nasıl sentezleneceğini, poliakrilamid hayaletlerinin çapraz bağlanacağını ve sinyallerini arttırmak için damlacıkların akustik olarak nasıl modüle edileceğini gösterecektir.

Abstract

Mikrokabarcıklar ultrasonda en sık kullanılan görüntüleme kontrast maddesidir. Bununla birlikte, büyüklüklerinden dolayı, vasküler bölmelerle sınırlıdırlar. Bu mikro kabarcıklar, ekstravazasyon için yeterince küçük olan ve daha sonra hedef bölgede akustik olarak tetiklenen perflorokarbon nanodamlacıklar (PFCnD’ler) olarak yoğunlaştırılabilir veya formüle edilebilir. Bu nanopartiküller, yakın kızılötesi organik boya veya nanopartiküller (örneğin, bakır sülfür nanopartikülleri veya altın nanopartiküller / nanoçubuklar) gibi bir optik emici dahil edilerek daha da geliştirilebilir. Optik olarak etiketlenmiş PFCnD’ler, optik damlacık buharlaştırma (ODV) olarak bilinen bir işlemde lazer ışınlaması yoluyla buharlaştırılabilir. Bu aktivasyon işlemi, tanısal görüntüleme için maksimum mekanik indeks eşiği altında akustik olarak buharlaştırılamayan yüksek kaynama noktalı perflorokarbon çekirdeklerin kullanılmasını sağlar. Daha yüksek kaynama noktası çekirdekleri, buharlaşmadan sonra yeniden yoğunlaşacak damlacıklarla sonuçlanır, bu da nanodamlacık formuna geri yoğuşmadan önce buharlaşmadan sonra kısa bir süre kontrast üreten PFCnD’lerin “yanıp sönmesine” neden olur. Bu işlem, talep üzerine kontrast üretmek için tekrarlanabilir, böylece hem optik hem de akustik modülasyon yoluyla arka planda serbest görüntüleme, çoklama, süper çözünürlük ve kontrast iyileştirme sağlar. Bu makale, prob sonikasyonunu kullanarak optik olarak tetiklenebilir, lipit kabuğu PFCnD’lerin nasıl sentezleneceğini, nanodamlacıkları karakterize etmek için poliakrilamid hayaletlerinin nasıl oluşturulacağını ve kontrastı iyileştirmek için ODV’den sonra PFCnD’lerin akustik olarak nasıl modüle edileceğini gösterecektir.

Introduction

Mikrokabarcıklar, yumuşak dokulara kıyasla biyouyumluluğu ve mükemmel ekojenitesi nedeniyle en yaygın ultrason kontrast maddesidir. Bu, onları kan akışını, organ tanımlamasını ve diğer uygulamaları görselleştirmek için değerli araçlar haline getirir1. Bununla birlikte, rezonans frekanslarına göre görüntüleme için onları istisnai kılan boyutları (1-10 μm), uygulamalarını vaskülatür2 ile sınırlar.

Bu sınırlama, sıvı bir perflorokarbon çekirdeğin etrafına yerleştirilmiş bir yüzey aktif maddeden oluşan nano-emülsiyonlar olan PFCnD’lerin gelişmesine yol açmıştır. Bu nanopartiküller 200 nm kadar küçük boyutlarda sentezlenebilir ve tümör vaskülatüründe bulunan “sızdıran” vaskülatür veya gözeneklerden ve açık fenestrasyonlardan yararlanmak için tasarlanmıştır. Bu bozulmalar tümöre bağımlı olsa da, bu geçirgenlik, tümör 3,4’e bağlı olarak nanopartiküllerin ~ 200 nm – 1.2 μm’den ekstravazasyonuna izin verir. İlk formlarında, bu parçacıklar ultrason kontrastı çok az üretir veya hiç üretmez. Buharlaşma üzerine – akustik veya optik olarak indüklenir – çekirdek faz sıvıdan gaza değişir, 5,6,7 çapında iki buçuk ila beş kat artışa neden olur ve fotoakustik ve ultrason kontrastı üretir. Akustik buharlaştırma en yaygın aktivasyon yöntemi olsa da, bu yaklaşım buharlaşmanın görüntülenmesini sınırlayan akustik eserler yaratır. Ek olarak, çoğu perflorokarbon,8’i buharlaştırmak için güvenlik eşiğinin ötesinde mekanik bir indekse sahip odaklanmış ultrason gerektirir. Bu, mikrokabarcıkların nanodamlacıklara yoğunlaştırılmasıyla sentezlenebilen daha düşük kaynama noktası PFCnD’lerin gelişmesine yol açmıştır9. Bununla birlikte, bu damlacıklar daha uçucudur ve kendiliğinden buharlaşmaya maruz kalır10.

Öte yandan, optik damlacık buharlaşması (ODV), nanopartiküller 11,12,13 veya boya 6,14,15 gibi bir optik tetikleyicinin eklenmesini gerektirir ve ANSI güvenlik sınırı 11 içindeki akıcılıkları kullanarak daha yüksek kaynama noktası perflorokarbonlarını buharlaştırabilir. Daha yüksek kaynama noktası çekirdekleriyle sentezlenen PFCnD’ler daha kararlıdır ve buharlaşmadan sonra yeniden yoğunlaşır, arka planda olmayan görüntüleme16, çoklama17 ve süper çözünürlüklü18’e izin verir. Bu tekniklerin en büyük sınırlamalarından biri, yüksek kaynama noktası PFCnD’lerin buharlaşmadan sonra sadece kısa bir zaman diliminde, milisaniye19 ölçeğinde ekojenik olması ve nispeten soluk olmasıdır. Bu sorun, tekrarlanan buharlaşmalar ve ortalamalar yoluyla hafifletilebilirken, damlacık sinyalinin algılanması ve ayrılması bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Nabız inversiyonundan ilham alarak, ultrason görüntüleme nabzının fazını değiştirerek süre ve kontrast arttırılabilir19. Ultrason görüntüleme nabzını nadir faz (n-pulse) ile başlatarak, buharlaştırılmış PFCnD’lerin hem süresi hem de kontrastı artar. Buna karşılık, ultrason görüntüleme darbesini bir sıkıştırma fazı (p-darbesi) ile başlatmak, kontrastın azalmasına ve sürenin kısalmasına neden olur. Bu makalede, optik olarak tetiklenebilir perflorokarbon nanodamlacıkların, görüntülemede yaygın olarak kullanılan poliakrilamid hayaletlerin nasıl sentezleneceği açıklanacak ve akustik modülasyon yoluyla kontrast artışı ve gelişmiş sinyal ömrünün nasıl gösterileceği anlatılacaktır.

Protocol

1. Perflorokarbon nanodamlacık formülasyonu 10 mL’lik yuvarlak tabanlı bir şişeyi kloroform ile durulayın ve 10 μL ve 1 mL gaz geçirmez cam şırıngayı kloroform ile yıkayın, tam şırınga hacmini tekrar tekrar aspire ederek ve toplam üç kez dışarı atarak.DİKKAT: Kloroform uçucudur ve solunması halinde toksik olabilir. Bu çözücü ile yapılan tüm çalışmalar bir duman davlumbazında yapılmalıdır. Şırıngaları kullanarak, yuvarlak tabanlı şişeye 200 μL DSPE-mPEG…

Representative Results

PFCnD’lerin başarılı bir şekilde formüle edilmesi ve santrifüjlü olarak ayrılması, çapı 200-300 nm civarında damlacıklar vermelidir (Şekil 1A). Yanlış ayrılmış damlacıklar 1 μm civarında küçük zirveler gösterebilir. Bu çözeltiler, daha büyük damlacıkları parçalamak için daha fazla banyo sonikleştirilebilir. Ostwald olgunlaşması21,22 olarak bilinen bir süreçte birleşme ve / veya difüzyon nedeniyle damlacıkların boyu…

Discussion

Prob sonikasyonu, PFCnD’leri imal etmek için nispeten basit ve öğrenmesi kolay bir yöntemdir. Dikkat edilmesi gereken birkaç adım vardır. Kloroform kullanıldığında, uçucu olduğu ve standart hava yer değiştirmeli pipetlerden “sızacağı” için pozitif yer değiştirmeli pipet veya cam şırıngaların kullanılması zorunludur. Ayrıca, pozitif bir yer değiştirme kullanılıyorsa, kloroform olarak uygun bir ucun kullanıldığından emin olun, bu da kirleticileri çözeltiye sokabilecek çoğu plastik uc…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Çalışma kısmen BCRF-20-043 hibesi altında Meme Kanseri Araştırma Vakfı tarafından desteklenmiştir.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Strohm, E., Rui, M., Gorelikov, I., Matsuura, N., Kolios, M. Vaporization of perfluorocarbon droplets using optical irradiation. Biomedical Optics Express. 2 (6), 1432 (2011).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Lajoinie, G., et al. Ultrafast vapourization dynamics of laser-activated polymeric microcapsules. Nature Communications. 5 (1), 3671 (2014).
  16. Hannah, A. S., Luke, G. P., Emelianov, S. Y. Blinking phase-change nanocapsules enable background-free ultrasound imaging. Theranostics. 6 (11), 1866-1876 (2016).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Taylor, P. Ostwald ripening in emulsions. Advances in Colloid and Interface Science. 75 (2), 107-163 (1998).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Hariri, A., et al. Polyacrylamide hydrogel phantoms for performance evaluation of multispectral photoacoustic imaging systems. Photoacoustics. 22, 100245 (2021).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Zhou, Y., et al. Magnetic nanoparticle-promoted droplet vaporization for in vivo stimuli-responsive cancer theranostics. NPG Asia Materials. 8 (9), 313 (2016).

Tags

Perfluorocarbon NanodropletsDSPE-mPEG-2000DSPCIR-1048Probe SonicationCentrifugationAcoustic ModulationContrast EnhancementUltrasound Imaging
check_url/pt/62814?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Zhao, A., Lee, J., Emelianov, S. Formulation and Acoustic Modulation of Optically Vaporized Perfluorocarbon Nanodroplets. J. Vis. Exp. (173), e62814, doi:10.3791/62814 (2021).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image