Echografie wordt over de hele wereld gebruikt om baby's in ontwikkeling te visualiseren en ziekten te diagnosticeren. Geluidsgolven weerkaatsen op de weefsels, onthullen hun verschillende dichtheden en vormen. De volgende stap in ultrasone technologie is om niet alleen anatomie, maar specifieke cellen en moleculen dieper in het lichaam, zoals die geassocieerd met tumoren of bacteriën in onze darm.

Een nieuwe studie van Caltech schetst hoe eiwitengineeringtechnieken kunnen helpen deze mijlpaal te bereiken. De onderzoekers ontwikkelden nanostructuren met eiwitomhulling, gasblaasjes genaamd, die geluidsgolven reflecteren, om nieuwe eigenschappen te vertonen die nuttig zijn voor ultrasone technologieën. In de toekomst, deze gasblaasjes zouden aan een patiënt kunnen worden toegediend om weefsels van belang te visualiseren. De gemodificeerde gasblaasjes bleken:duidelijkere signalen af ​​te geven, ze gemakkelijker in beeld te brengen; doel specifieke celtypen; en helpen bij het maken van ultrasone kleurenafbeeldingen.

"Het is een beetje zoals engineering met moleculaire Lego's, ", zegt assistent-professor chemische technologie en Heritage Principal Investigator Mikhail Shapiro, wie is de senior auteur van een nieuw artikel over het onderzoek dat deze maand in het tijdschrift is gepubliceerd? ACS Nano en stond op de omslag van het tijdschrift. "We kunnen verschillende 'stukjes' eiwit op het oppervlak van gasblaasjes verwisselen om hun targeting-eigenschappen te veranderen en om meerdere moleculen in verschillende kleuren te visualiseren."

"Vandaag, echografie is meestal anatomisch, " zegt Anupama Lakshmanan, een afgestudeerde student in Shapiro's lab en hoofdauteur van de studie. "We willen het terugbrengen naar het moleculaire en cellulaire niveau."

In 2014, Shapiro ontdekte voor het eerst het mogelijke gebruik van gasblaasjes in echografie. Deze met gas gevulde structuren komen van nature voor in in water levende eencellige organismen, zoals Anabaena flos-aquae, een soort van cyanobacteriën die filamenteuze klompjes multicelketens vormt. De gasblaasjes helpen de organismen om te bepalen hoeveel ze drijven en dus hun blootstelling aan zonlicht aan het wateroppervlak. Shapiro realiseerde zich dat de blaasjes gemakkelijk geluidsgolven zouden reflecteren tijdens echografie, en demonstreerde dit uiteindelijk met muizen.

In het laatste onderzoek Shapiro en zijn team wilden de gasblaasjes nieuwe eigenschappen geven door gasblaasjesproteïne C te ontwikkelen, of GvpC, een eiwit dat van nature op het oppervlak van blaasjes wordt aangetroffen en dat ze mechanische sterkte geeft en voorkomt dat ze bezwijken. Het eiwit kan worden gemanipuleerd om verschillende groottes te hebben, waarbij langere versies van het eiwit sterkere en stijvere nanostructuren produceren.

"De eiwitten zijn als de kaderstaven van een vliegtuigromp. Je gebruikt ze om de mechanica van de structuur te bepalen." zegt Shapiro.

In een experiment, de wetenschappers verwijderden het versterkende eiwit uit gasblaasjes en dienden vervolgens de gemanipuleerde blaasjes toe aan muizen en voerden ultrasone beeldvorming uit. Vergeleken met normale blaasjes, de gemodificeerde blaasjes trilden meer als reactie op geluidsgolven, en dus resoneerden met harmonische frequenties. Harmonischen ontstaan ​​wanneer geluidsgolven rondkaatsen, bijvoorbeeld in een viool, en nieuwe golven vormen met verdubbelde en verdrievoudigde frequenties. Harmonischen worden niet gemakkelijk gecreëerd in natuurlijke weefsels, waardoor de blaasjes opvallen in echografiebeelden.

In een andere reeks experimenten, de onderzoekers toonden aan hoe de gasblaasjes kunnen worden gemaakt om bepaalde weefsels in het lichaam aan te vallen. Ze hebben de blaasjes genetisch gemanipuleerd om verschillende cellulaire doelen weer te geven, zoals een aminozuursequentie die eiwitten herkent die integrines worden genoemd en die in tumorcellen overmatig worden geproduceerd.

"Het toevoegen van deze functionaliteiten aan de gasblaasjes is als het vastklikken op een nieuw Lego-stuk; het is een modulair systeem, ' zegt Shapiro.

Het team liet ook zien hoe veelkleurige echografiebeelden kunnen worden gemaakt. Conventionele echografiebeelden worden zwart-wit weergegeven. Shapiro's groep creëerde een benadering voor het afbeelden van drie verschillende soorten gasblaasjes als afzonderlijke "kleuren" op basis van hun differentiële vermogen om instorting onder druk te weerstaan. De blaasjes zelf verschijnen niet in verschillende kleuren, maar ze kunnen kleuren toegewezen krijgen op basis van hun verschillende eigenschappen.

Om dit aan te tonen, het team maakte drie verschillende versies van de blaasjes met verschillende sterktes van het GvpC-eiwit. Vervolgens verhoogden ze de ultrasone druk, waardoor de variantpopulaties achtereenvolgens één voor één instorten. Terwijl elke populatie instortte, het totale ultrasone signaal nam af in verhouding tot de hoeveelheid van die variant in het monster, en deze signaalverandering werd vervolgens toegewezen aan een specifieke kleur. In de toekomst, als elke variantpopulatie gericht was op een specifiek celtype, onderzoekers zouden de cellen in meerdere kleuren kunnen visualiseren.

"Misschien kun je tumorcellen zien versus de immuuncellen die de tumor aanvallen, en zo de voortgang van een medische behandeling te volgen, ' zegt Shapiro.