Kleine belletjes die een grote impact hebben op medische echografie

Als je “echografie” zou krijgen in een woordassociatiespel, zou je gemakkelijk aan “geluidsgolf” kunnen denken. Maar de laatste jaren is er een nieuwe term opgedoken: bubbels. Die kortstondige, bolvormige vormen blijken nuttig bij het verbeteren van medische beeldvorming, ziektedetectie en gerichte medicijnafgifte. Er is slechts één probleempje: bubbels sissen snel na injectie in de bloedbaan.

Nu, na 10 jaar werken, heeft een multidisciplinair onderzoeksteam een ​​betere bubbel opgebouwd. Hun nieuwe formuleringen hebben geresulteerd in bellen op nanoschaal met aanpasbare buitenste schalen – zo klein en duurzaam dat ze kunnen reizen naar en doordringen in enkele van de meest ontoegankelijke delen van het menselijk lichaam.

Het werk is een samenwerking tussen Al C. de Leon en co-auteurs, onder toezicht van Agata A.Exner van de afdeling Radiologie aan de Case Western Reserve University School of Medicine in Cleveland en Amin Jafari Sojahrood onder toezicht van Michael Kolios van de afdeling natuurkunde aan de Ryerson University en het Institute for Biomedical Engineering, Science and Technology (iBEST) in Toronto. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in ACS Nano, in een artikel getiteld “Towards Precisely Controllable Acoustic Response of Shell-Stabilized Nanobubbles: High-Yield and Narrow-Dispersity”.

“De vooruitgang kan uiteindelijk leiden tot duidelijkere echobeelden”, zegt Kolios. “Maar meer in het algemeen bieden onze gezamenlijke theoretische en experimentele bevindingen een fundamenteel raamwerk dat zal helpen nanobellen tot stand te brengen voor toepassingen in biomedische beeldvorming – en mogelijk ook op andere gebieden, van materiaalkunde tot oppervlaktereiniging en menging.”

Bellen in echografie: krimpen tot op nanoschaal

Echografie is de op een na meest gebruikte modaliteit voor medische beeldvorming ter wereld. Net als bij andere modaliteiten, kan een patiënt slikken of worden geïnjecteerd met een middel om beeldcontrast te creëren, waardoor lichaamsstructuren of -vloeistoffen gemakkelijker te zien zijn.

Bij echografie dienen bellen als contrastmiddel. Deze met gas gevulde bollen zijn omsloten door een fosfolipidenomhulsel. Contrast wordt gegenereerd wanneer ultrasone golven een interactie aangaan met de bellen, waardoor ze oscilleren en geluidsgolven reflecteren die aanzienlijk verschillen van golven die worden gereflecteerd door lichaamsweefsels. Bellen worden routinematig gebruikt bij patiënten om de beeldkwaliteit te verbeteren en de detectie van ziekten te verbeteren. Maar vanwege hun grootte (ongeveer hetzelfde als rode bloedcellen), blijven microbellen beperkt tot circulatie in bloedvaten en kunnen ze ziek weefsel buiten niet bereiken.

“Ons onderzoeksteam bij CWRU heeft nu stabiele, lang circulerende bellen ontwikkeld op nanoschaal – met een diameter van 100-500 nm”, zegt Exner. “Ze zijn zo dat ze zelfs door lekkende vasculatuur van kankertumoren kunnen persen.”

Met dergelijke mogelijkheden zijn nanobellen zeer geschikt voor fijnere toepassingen zoals moleculaire beeldvorming en gerichte medicijnafgifte. In samenwerking met het Ryerson-team hebben de onderzoekers een beter begrip ontwikkeld van de theorie over hoe nanobellen worden gevisualiseerd met echografie en welke beeldvormingstechnieken nodig zijn om de bellen in het lichaam het beste te visualiseren.

Beheersing van Nanobubble-gedrag

Afgezien van de grootte, zijn bellen ook complexe oscillatoren, die gedrag vertonen dat moeilijk te beheersen is. In het huidige werk heeft het onderzoeksteam ook een manier bedacht om nauwkeurig te controleren en te voorspellen hoe bellen omgaan met en akoestisch reageren op echografie.

“Door membraantoevoegingen aan onze bellenformuleringen toe te voegen, hebben we aangetoond dat we kunnen bepalen hoe stijf (of hoe flexibel) de bellenmantels worden”, zegt de Leon. “Bellenformuleringen kunnen vervolgens worden aangepast aan de specifieke behoeften van verschillende toepassingen.”

Zo kunnen stijvere, stabiele belontwerpen lang genoeg meegaan om moeilijk toegankelijke lichaamsweefsels te bereiken. Zachtere bellen kunnen duidelijkere ultrasone beelden van bepaalde soorten lichaamsweefsel produceren. Bubble-oscillatie kan zelfs worden aangepast om de celpermeabiliteit te vergroten, waardoor de medicijnafgifte aan zieke cellen mogelijk toeneemt, wat op zijn beurt de vereiste dosering kan verlagen.

Patiënten, de uiteindelijke begunstigden

Het huidige werk heeft met succes het vermogen aangetoond om de eigenschappen van bellenomhullingen en hun interactie met geluidsgolven aan te passen, en heeft opwindende implicaties voor de potentie van nanobellen – in zowel diagnostische als therapeutische toepassingen.

Sojahrood ziet veel potentiële voordelen, voor de biogeneeskunde en voor patiënten in de kliniek. “In vergelijking met andere beeldvormings- of behandelingsopties, zoals chirurgie met scalpels, omvangrijke MRI-machines of het risico van radioactief jodium in CT-scans, kan echografie veel sneller, goedkoper, effectiever en minder ingrijpend zijn”, zegt hij. “Door echografie door middel van nanobellen te bevorderen, zouden we uiteindelijk de diagnose en behandeling meer beschikbaar en effectiever kunnen maken, zelfs in meer afgelegen delen van de wereld, waardoor we uiteindelijk de resultaten voor de patiënt kunnen verbeteren en meer levens kunnen redden.”