Om du fick "ultrasjud" i ett ordassociationsspel, "ljudvåg" kan lätt komma att tänka på. Men de senaste åren, en ny term har dykt upp:bubblor. De där tillfälliga, klotformiga former har visat sig användbara för att förbättra medicinsk bildbehandling, sjukdomsdetektering och riktad läkemedelsleverans. Det finns bara ett fel:bubblor susar ut strax efter injektion i blodomloppet.

Nu, efter 10 års arbete, ett multidisciplinärt forskarlag har byggt en bättre bubbla. Deras nya formuleringar har resulterat i bubblor i nanoskala med anpassningsbara yttre skal - så små och hållbara att de kan resa till och penetrera några av de mest otillgängliga områdena i människokroppen.

Verket är ett samarbete mellan Al C. de Leon och medförfattare, under överinseende av Agata A. Exner vid avdelningen för radiologi vid Case Western Reserve University School of Medicine i Cleveland och Amin Jafari Sojahrood under ledning av Michael Kolios vid avdelningen för fysik vid Ryerson University och Institutet för biomedicinsk teknik, Science and Technology (iBEST) i Toronto. Deras resultat publicerades nyligen i ACS Nano , i en artikel med titeln "Towards Precisely Controllable Acoustic Response of Shell-Stabilized Nanobubbles:High-yield and Narrow-Dispersity".

"Framstegen kan så småningom leda till tydligare ultraljudsbilder, " säger Kolios. "Men mer allmänt, våra gemensamma teoretiska och experimentella rön ger ett grundläggande ramverk som kommer att hjälpa till att etablera nanobubblor för tillämpningar inom biomedicinsk avbildning – och potentiellt inom andra områden, från materialvetenskap till ytrengöring och blandning."

Bubblor i ultraljud:krymper ner till nanoskala

Ultraljud är den näst mest använda medicinska bildbehandlingsmetoden i världen. Som med andra metoder, en patient kan svälja eller injiceras med ett medel för att skapa bildkontrast, vilket gör kroppsstrukturer eller vätskor lättare att se.

Med ultraljud, bubblor fungerar som kontrastmedel. Dessa gasfyllda klot är omslutna av ett fosfolipidskal. Kontrast genereras när ultraljudsvågor interagerar med bubblorna, får dem att oscillera och reflektera ljudvågor som skiljer sig markant från vågor som reflekteras av kroppsvävnader. Bubblor används rutinmässigt hos patienter för att förbättra bildkvaliteten och förbättra upptäckten av sjukdomar. Men på grund av deras storlek (ungefär samma som röda blodkroppar), mikrobubblor är begränsade till att cirkulera i blodkärlen, och kan inte nå sjuk vävnad utanför.

"Vårt forskarteam på CWRU har nu konstruerat stabilt, långcirkulerande bubblor på nanoskala - mäter 100-500 nm i diameter, " säger Exner. "De är så att de till och med kan tränga sig igenom läckande kärl av cancertumörer."

Med sådana förmågor, nanobubblor är väl lämpade för finare tillämpningar som molekylär avbildning och riktad läkemedelsleverans. Att arbeta tillsammans med Ryerson-teamet, forskarna har utvecklat en tydligare förståelse av teorin om hur nanobubblor visualiseras med ultraljud, och vilka bildtekniker som behövs för att bäst visualisera bubblorna i kroppen.

Kontrollerar nanobubblans beteende

Storleksproblem åsido, bubblor är också komplexa oscillatorer, uppvisar beteenden som är svåra att kontrollera. I det pågående arbetet, forskargruppen utarbetade också ett sätt att exakt kontrollera och förutsäga hur bubblor interagerar med och reagerar akustiskt på ultraljud.

"Genom att introducera membrantillsatser till våra bubbelformuleringar, vi visade förmågan att kontrollera hur styva (eller hur flexibla) bubbelskalen blir, " säger de Leon. "Bubbleformuleringar kan sedan anpassas för att matcha de särskilda behoven för olika applikationer."

Till exempel, styvare, stabila bubblor kan vara tillräckligt länge för att nå kroppsvävnader som är svåra att komma åt. Mjukare bubblor kan ge tydligare ultraljudsbilder av vissa typer av kroppsvävnad. Bubbeloscillation kan till och med justeras för att öka cellpermeabiliteten, potentiellt öka läkemedelsleveransen till sjuka celler, vilket i sin tur kan minska den nödvändiga dosen.

Patienter, de ultimata förmånstagarna

Efter att framgångsrikt ha visat förmågan att anpassa bubbelskalsegenskaper och deras interaktion med ljudvågor, det nuvarande arbetet har spännande implikationer för nanobubblans styrka – både i diagnostiska och terapeutiska tillämpningar.

Sojahrood ser många potentiella fördelar, för biomedicin och för patienter på klinik. "Jämfört med andra bildbehandlings- eller behandlingsalternativ, såsom operation med skalpeller, skrymmande MRI-maskiner, eller risken för radioaktivt jod vid datortomografi, ultraljud kan vara mycket snabbare, billigare, effektivare och mindre invasiv, " säger han. "Genom att föra ultraljud framåt genom nanobubblor, vi skulle så småningom kunna göra diagnos och behandling mer tillgänglig och effektivare, även i mer avlägsna områden i världen, i slutändan förbättra patienternas resultat och rädda fler liv."