Ultraljudsavbildning används runt om i världen för att visualisera utvecklande barn och diagnostisera sjukdomar. Ljudvågor studsar från vävnaderna, avslöjar deras olika densiteter och former. Nästa steg i ultraljudstekniken är att inte bara bilda anatomi, men specifika celler och molekyler djupare i kroppen, såsom de som är associerade med tumörer eller bakterier i vår tarm.

En ny studie från Caltech beskriver hur proteintekniska tekniker kan hjälpa till att nå denna milstolpe. Forskarna konstruerade proteinskalade nanostrukturer som kallas gasvesiklar-som reflekterar ljudvågor-för att uppvisa nya egenskaper som är användbara för ultraljudsteknik. I framtiden, dessa gasblåsor kan administreras till en patient för att visualisera vävnader av intresse. De modifierade gasblåsorna visade sig:avge mer distinkta signaler, gör dem lättare att avbilda; målspecifika celltyper; och hjälpa till att skapa färg ultraljudsbilder.

"Det är lite som teknik med molekylära Legos, "säger biträdande professor i kemiteknik och Heritage Principal Investigator Mikhail Shapiro, som är seniorförfattare till en ny uppsats om forskningen som publicerades i denna månads nummer av tidskriften ACS Nano och finns på tidningens omslag. "Vi kan byta olika protein" bitar "på ytan av gasvesiklar för att ändra deras inriktningsegenskaper och för att visualisera flera molekyler i olika färger."

"I dag, ultraljud är mestadels anatomiskt, "säger Anupama Lakshmanan, en doktorand i Shapiros lab och huvudförfattare till studien. "Vi vill få ner det till molekylär och cellulär nivå."

Under 2014, Shapiro upptäckte först den potentiella användningen av gasblåsor vid ultraljudsavbildning. Dessa gasfyllda strukturer förekommer naturligt i vattenlevande encelliga organismer, såsom Anabaena flos-aquae, en art cyanobakterier som bildar trådformiga klumpar av flercellskedjor. Gasblåsorna hjälper organismerna att kontrollera hur mycket de flyter och därmed deras exponering för solljus vid vattenytan. Shapiro insåg att vesiklarna lätt skulle reflektera ljudvågor under ultraljudsavbildning, och slutligen demonstrerade detta med hjälp av möss.

I den senaste forskningen, Shapiro och hans team gav sig ut för att ge gasblåsorna nya egenskaper genom att konstruera gasvesikelprotein C, eller GvpC, ett protein som naturligt finns på ytan av vesiklar som ger dem mekanisk styrka och hindrar dem från att kollapsa. Proteinet kan konstrueras för att ha olika storlekar, med längre versioner av proteinet som producerar starkare och styvare nanostrukturer.

"Proteinerna är som ramstängerna i ett flygplanskropp. Du använder dem för att bestämma strukturen i strukturen." Säger Shapiro.

I ett experiment, forskarna tog bort det förstärkande proteinet från gasblåsor och administrerade sedan de konstruerade vesiklarna till möss och utförde ultraljudsavbildning. Jämfört med normala vesiklar, de modifierade vesiklarna vibrerade mer som svar på ljudvågor, och därmed resonerade med harmoniska frekvenser. Övertoner skapas när ljudvågor studsar runt, till exempel i en fiol, och bilda nya vågor med fördubblade och tredubblade frekvenser. Övertoner skapas inte lätt i naturliga vävnader, att få blåsorna att sticka ut i ultraljudsbilder.

I en annan uppsättning experiment, forskarna demonstrerade hur gasblåsorna kunde göras för att rikta in sig på vissa vävnader i kroppen. De genetiskt konstruerade vesiklarna för att visa olika cellulära mål, såsom en aminosyrasekvens som känner igen proteiner som kallas integriner som överproduceras i tumörceller.

"Att lägga till dessa funktioner i gasblåsorna är som att knäppa på en ny Lego -bit; det är ett modulsystem, säger Shapiro.

Teamet visade också hur flerfärgade ultraljudsbilder kan skapas. Konventionella ultraljudsbilder visas svartvita. Shapiros grupp skapade ett tillvägagångssätt för att avbilda tre olika typer av gasvesiklar som separata "färger" baserat på deras differentiella förmåga att motstå kollaps under tryck. Blåsorna själva visas inte i olika färger, men de kan tilldelas färger baserat på deras olika egenskaper.

För att demonstrera detta, laget gjorde tre olika versioner av vesiklarna med olika styrkor av GvpC -proteinet. De ökade sedan ultraljudstrycket, vilket gör att variantpopulationerna successivt kollapsar en efter en. När varje befolkning kollapsade, den totala ultraljudssignalen minskade i proportion till mängden av den varianten i provet, och denna signaländring mappades sedan till en specifik färg. I framtiden, om varje variantpopulation riktade sig mot en specifik celltyp, forskare skulle kunna visualisera cellerna i flera färger.

"Du kanske kan se tumörceller kontra immuncellerna som angriper tumören, och därmed övervaka utvecklingen av en medicinsk behandling, säger Shapiro.