Оптически активированные перфторуглеродные нанокапли показывают многообещающие результаты в приложениях визуализации за пределами сосудистой системы. В этой статье будет показано, как синтезировать эти частицы, сшивать полиакриламидные фантомы и модулировать капли акустически для усиления их сигнала.
Микропузырьки являются наиболее часто используемым контрастным веществом для визуализации в ультразвуке. Однако из-за своих размеров они ограничены сосудистыми компартментами. Эти микропузырьки могут быть конденсированы или сформулированы в виде перфторуглеродных нанокапель (PFCnD), которые достаточно малы, чтобы экстравазироваться, а затем акустически запускаться в целевом месте. Эти наночастицы могут быть дополнительно усилены путем включения оптического поглотителя, такого как органический краситель ближнего инфракрасного диапазона или наночастицы (например, наночастицы сульфида меди или наночастицы золота / наностержни). Оптически помеченные PFCnD могут быть испарены с помощью лазерного облучения в процессе, известном как оптической капельной испарение (ODV). Этот процесс активации позволяет использовать перфторуглеродные сердечники с высокой температурой кипения, которые не могут быть акустически испарены при максимальном пороге механического индекса для диагностической визуализации. Сердечники с более высокой температурой кипения приводят к образованию капель, которые будут восстанавливаться после испарения, что приводит к «миганию» PFCnD, которые кратковременно производят контраст после испарения, прежде чем конденсироваться обратно в форму нанокаплей. Этот процесс может быть повторен для создания контраста по требованию, что позволяет получать фоновые изображения, мультиплексирование, сверхразрешение и усиление контрастности с помощью оптической и акустической модуляции. В этой статье будет показано, как синтезировать оптически активируемые PFCnD липидной оболочки с использованием зондовой обработки ультразвуком, создавать полиакриламидные фантомы для характеристики нанокаплей и акустически модулировать PFCnD после ODV для улучшения контраста.
Микропузырьки являются наиболее распространенным ультразвуковым контрастным веществом благодаря своей биосовместимости и отличной эхогенности по сравнению с мягкими тканями. Это делает их ценными инструментами для визуализации кровотока, разграничения органов и других приложений1. Однако их размер (1-10 мкм), что делает их исключительными для визуализации на основе их резонансной частоты, ограничивает их применение сосудистой системой2.
Это ограничение привело к разработке PFCnD, которые представляют собой наноэмульсии, состоящие из поверхностно-активного вещества, заключенного вокруг жидкого перфторуглеродного ядра. Эти наночастицы могут быть синтезированы при размерах до 200 нм и предназначены для использования «протекающих» сосудов или пор и открытых фенестрации, обнаруженных в сосудистой системе опухоли. Хотя эти нарушения зависят от опухоли, эта проницаемость позволяет экстравазировать наночастицы от ~ 200 нм до 1,2 мкм в зависимости от опухоли 3,4. В своей первоначальной форме эти частицы практически не производят ультразвукового контраста. При испарении – индуцированном акустически или оптически – фаза ядра изменяется из жидкой в газообразную, вызывая двукратное- пятикратное увеличение диаметра 5,6,7 и создавая фотоакустический и ультразвуковой контраст. Хотя акустическая испарение является наиболее распространенным методом активации, этот подход создает акустические артефакты, которые ограничивают визуализацию испарения. Кроме того, большинство перфторуглеродов требуют сфокусированного ультразвука с механическим индексом, превышающим порог безопасности для испарения8. Это привело к разработке PFCnD с более низкой температурой кипения, которые могут быть синтезированы путем конденсации микропузырьков в нанокапли9. Однако эти капли более летучи и подвержены спонтанному испарению10.
Оптическая капельная испарение (ODV), с другой стороны, требует добавления оптического триггера, такого как наночастицы11,12,13 или краситель 6,14,15, и может испарять перфторуглероды с более высокой температурой кипения с использованием флюенсов в пределах предела безопасностиANSI 11. PFCnD, синтезированные с ядрами с более высокой температурой кипения, более стабильны и будут восстанавливаться после испарения, что позволяет получать фоновые изображения16, мультиплексирование17 и сверхвысокое разрешение18. Одним из основных ограничений этих методов является тот факт, что PFCnD с высокой температурой кипения являются эхогенными после испарения только в течение короткого периода времени, в масштабемиллисекунд 19, и являются относительно слабыми. Хотя эта проблема может быть смягчена путем повторных испарений и усреднения, обнаружение и разделение капельного сигнала остается проблемой.
Черпая вдохновение из инверсии импульса, продолжительность и контраст могут быть увеличены путем изменения фазы ультразвукового импульсавизуализации 19. При запуске импульса ультразвуковой визуализации с фазы разрежения (n-импульса) увеличивается как продолжительность, так и контрастность испарившихся PFCnD. Напротив, запуск ультразвуковой визуализации импульса с фазой сжатия (p-импульс) приводит к снижению контрастности и сокращению продолжительности. В этой статье будет описано, как синтезировать оптически активируемые перфторуглеродные нанокапли, полиакриламидные фантомы, обычно используемые в визуализации, и продемонстрировать усиление контрастности и улучшенную долговечность сигнала с помощью акустической модуляции.
Зондовая обработка ультразвуком является относительно простым и легким в освоении методом изготовления PFCnD. Есть несколько шагов, где необходимо соблюдать осторожность. При обращении с хлороформом крайне важно использовать пипетку с положительным смещением или стеклянные шприцы, та?…
The authors have nothing to disclose.
Работа была частично поддержана Фондом исследований рака молочной железы в рамках гранта 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 |