Läkare och forskare förlitar sig på biomedicinsk avbildning för att undersöka strukturen och funktionen hos levande vävnad. Detta möjliggör sjukdomsdiagnostik och experiment som avslöjar mekanismerna bakom patologier och sätt att behandla dem. De mest populära teknikerna för strålningsfri avbildning är ultraljud och MRI. Optoakustik, å andra sidan, är ett lovande framväxande tillvägagångssätt som bara nyligen introducerats i klinisk praxis.
Nu har Skoltech-forskare och deras schweiziska och kinesiska kollegor lyckats förena dessa distinkta bildtekniker genom att ta fram ett universellt kontrastmedel – ett injicerbart läkemedel som samtidigt fungerar med alla tre metoderna. Det nya medlet kan göra diagnostik snabbare och mer exakt, samtidigt som undersökningskostnaderna, antalet injektioner och den nödvändiga dosen minskar.
Förutom att möjliggöra visualisering med hög kontrast, kan teamets "laddade mikrobubblor" till och med användas i framtiden för att leverera läkemedel till hjärnan på en patient med Parkinsons eller en tumör. Fynden rapporteras i Laser &Photonics Reviews .
Forskarna använde en teknik som kallas lager-för-lager-avsättning för att göra mikrobubblor laddade med indocyaningrönt färgämne och magnetitnanopartiklar. Färgen kan absorbera ljus och avge detekterbara ljudvågor, vilket är hur optoakustik fungerar. Och nanopartiklarna av magnetit, en järnoxid, förbättrar kontrasten under MRT-undersökningar. Bubblorna i sig fungerar som kontrastmedel för ultraljudsstudier, och eftersom de är fyllda med vätska – en nanodroppar av perfluorpentan – snarare än gas, uppnås ökad stabilitet.
Teamet genomförde experiment på möss och såg till att mikrobubblorna uppvisade kontrast i alla tre metoderna för medicinsk bildbehandling. Cytotoxicitetstester visade att medlet är biokompatibelt.
"De individuella kontrastmedlen som används i en given bildbehandlingsteknik har sina fördelar, men genom att sammanföra dem får vi dem att komplettera varandra. Detta leder bland annat till högre känslighet och bättre bildupplösning. Och vi minskar invasiviteten, eftersom där du brukade kräva tre separata injektioner, nu behöver du bara en," sa en av studiens två huvudförfattare, Daniil Nozdriukhin.
"Med mikrobubblorna är också cirkulationstiderna för både nanopartiklarna och färgämnet i kroppen mycket längre, vilket betyder att det finns mer tid för att få en bild av hög kvalitet. Stabiliteten och livslängden för bubblorna i vätskekärnan är en extra fördel utöver det."
En ytterligare preliminär tillämpning av det nya kontrastmedlet är magnetisk resonans och optoakustisk avbildning av hjärnan. Problemet med att visualisera hjärnan är att den så kallade blod-hjärnbarriären bara tillåter ett fåtal utvalda molekyler från blodomloppet att komma in i hjärnan:syre, näringsämnen, hormoner, etc.
Barriären stänger ute alla möjliga bakterier och stora molekyler, inklusive kontrastmedel och de flesta droger. Den kan öppnas genom att generera gasbubblor inuti blodkärlen med ultraljud. Detta skadar dock den omgivande vävnaden. Lyckligtvis går det att nöja sig med en mycket lägre intensitet genom att använda fokuserat ultraljud på mikrobubblor, och det är här lagets multifunktionella kontrastmedel kommer in.
"Med ett medel som sammanför både mikrobubblorna, känsliga för ultraljud, för att öppna blod-hjärnbarriären och kontrastmaterialen för MRT och optoakustisk avbildning, kommer en enda injektion att räcka för en hjärnundersökning, och du får ytterligare fördelen av utökad cirkulation in på köpet", sade huvudförfattaren till studien, Elizaveta Maksimova.
"Dessutom kan vätskekärniga mikrobubblor motstå ultraljudsexponering utan att spricka mycket längre än de konventionella gaskärnmikrobubblorna, och håller barriären öppen under långa tidsperioder så att dosen av kontrastmedlet i injektionen kan sänkas. "
"Dessutom, när du väl har det här effektiva och säkra sättet att öppna blod-hjärnbarriären, kan du gå bortom ren diagnostik och förbättra bubblorna genom att ladda dem med ett läkemedel via samma lager-för-lager-depositionsmetod. Sådan integrering av terapeutiska medel och de som används för diagnostik är kända som terapeutiska medel", tillade studiens huvudutredare professor Dmitry Gorin, som leder Biophotonics Lab vid Skoltech Photonics.
"Det här tillvägagångssättet kan användas för MRT-styrd minimalt invasiv behandling av glioblastom [den mest aggressiva och vanligaste typen av cancer som har sitt ursprung i hjärnan]."
Bubblor fyllda med perfluorpentan - en vätska vid rumstemperatur - stabiliseras med ett protein och nedsänks i en serie vattenlösningar. Partiklarna från varje efterföljande lösning avsätts som ett extra skal på mikrobubblan, förutsatt att föreningar med positivt och negativt laddade oorganiska partiklar eller organiska molekyler alterneras.
Den elektrostatiska interaktionen håller ihop skalen. I studien som rapporteras i denna berättelse, innehöll de avsatta lagren kontrastmedel för MRI och optoakustisk avbildning, men samma procedur kan användas med terapeutiska medel.
Mer information: Elizaveta A. Maksimova et al, Multilayer Polymer Shell Perfluorpentane Nanodroplets for Multimodal Ultrasound, Magnetic Resonance, and Optoacoustic Imaging, Laser &Photonics Reviews (2023). DOI:10.1002/lpor.202300137
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
