Formulering och akustisk modulering av optiskt förångade perfluorkarbonnanodroppar
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet stöddes delvis av Bröstcancerforskningsstiftelsen under bidrag 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).
