Små bobler gør stor indflydelse på medicinsk ultralydsbilleddannelse

Hvis du fik "ultralyd" i et ordforeningsspil, "lydbølge" kan nemt komme til at tænke på. Men i de senere år, et nyt udtryk er dukket op:bobler. De flygtige, kugleforme har vist sig nyttige til at forbedre medicinsk billeddannelse, sygdomsdetektion og målrettet lægemiddellevering. Der er kun en fejl:Bobler flader ud kort efter injektion i blodbanen.

Nu, efter 10 års arbejde, et tværfagligt forskerhold har bygget en bedre boble. Deres nye formuleringer har resulteret i bobler i nanoskala med ydre skaller, der kan tilpasses - så små og holdbare, at de kan rejse til og trænge ind i nogle af de mest utilgængelige områder i menneskekroppen.

Værket er et samarbejde mellem Al C. de Leon og medforfattere, under supervision af Agata A. Exner fra afdelingen for radiologi ved Case Western Reserve University School of Medicine i Cleveland og Amin Jafari Sojahrood under supervision af Michael Kolios fra afdelingen for fysik på Ryerson University og Institute for Biomedical Engineering, Videnskab og teknologi (iBEST) i Toronto. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i ACS Nano , i et papir med titlen "Towards Precisely Controllable Acoustic Response of Shell-Stabilized Nanobubbles:High-Yield and Narrow-Dispersity".

"Fremgangen kan i sidste ende føre til klarere ultralydsbilleder, " siger Kolios. "Men mere bredt, vores fælles teoretiske og eksperimentelle resultater udgør en grundlæggende ramme, der vil hjælpe med at etablere nanobobler til anvendelser inden for biomedicinsk billeddannelse – og potentielt på andre områder, fra materialevidenskab til overfladerensning og blanding."

Bobler i ultralyd:Krymper ned til nanoskala

Ultralyd er den næstmest anvendte medicinske billedbehandlingsmodalitet i verden. Som med andre modaliteter, en patient kan sluge eller blive injiceret med et middel for at skabe billedkontrast, derved gøre kropslige strukturer eller væsker nemmere at se.

Med ultralyd, bobler tjener som kontrastmiddel. Disse gasfyldte glober er omsluttet af en fosfolipidskal. Kontrast genereres, når ultralydsbølger interagerer med boblerne, får dem til at oscillere og reflektere lydbølger, der adskiller sig væsentligt fra bølger, der reflekteres af kropsvæv. Bobler bruges rutinemæssigt hos patienter for at forbedre billedkvaliteten og forbedre påvisningen af ​​sygdomme. Men på grund af deres størrelse (omtrent det samme som røde blodlegemer), mikrobobler er begrænset til at cirkulere i blodkarrene, og kan ikke nå sygt væv udenfor.

"Vores forskerhold på CWRU er nu konstrueret stabilt, langcirkulerende bobler på nanoskala - der måler 100-500 nm i diameter, " siger Exner. "De er sådan, at de endda kan presse sig gennem utæt vaskulatur af kræftsvulster."

Med sådanne evner, nanobobler er velegnede til finere applikationer såsom molekylær billeddannelse og målrettet lægemiddellevering. I samarbejde med Ryerson-teamet, forskerne har udviklet en klarere forståelse af teorien om, hvordan nanobobler visualiseres med ultralyd, og hvilke billeddannelsesteknikker der skal til for bedst muligt at visualisere boblerne i kroppen.

Styring af nanobobleadfærd

Størrelsesproblemer til side, bobler er også komplekse oscillatorer, udviser adfærd, der er svær at kontrollere. I det nuværende arbejde, forskerholdet udtænkte også en måde til præcist at kontrollere og forudsige, hvordan bobler interagerer med og reagerer akustisk på ultralyd.

"Ved at introducere membranadditiver til vores bobleformuleringer, vi demonstrerede evnen til at kontrollere, hvor stive (eller hvor fleksible) bobleskallerne bliver, " siger de Leon. "Bobleformuleringer kan derefter tilpasses til at matche de særlige behov for forskellige applikationer."

For eksempel, stivere, stabile bobledesigns kan holde længe nok til at nå kropsvæv, der er svært tilgængelige. Blødere bobler kan give klarere ultralydsbilleder af visse typer kropsvæv. Bobleoscillation kunne endda justeres for at øge cellepermeabiliteten, potentielt øget lægemiddellevering til syge celler, hvilket igen kan reducere den nødvendige dosis.

Patienter, de ultimative modtagere

Efter at have demonstreret evnen til at tilpasse bobleskallegenskaber og deres interaktion med lydbølger, det nuværende arbejde har spændende implikationer for nanoboblernes styrke - både i diagnostiske og terapeutiske anvendelser.

Sojahrood ser mange potentielle fordele, til biomedicin og til patienter i klinik. "Sammenlignet med andre billed- eller behandlingsmuligheder, såsom operation med skalpeller, omfangsrige MR-maskiner, eller risikoen for radioaktivt jod ved CT-scanninger, ultralyd kunne være meget hurtigere, billigere, mere effektiv og mindre invasiv, " siger han. "Ved at fremme ultralyd gennem nanobobler, vi kunne med tiden gøre diagnose og behandling mere tilgængelig og mere effektiv, selv i mere fjerntliggende områder af verden, i sidste ende forbedre patientresultaterne og redde flere liv."