Als je "echografie" hebt gekregen in een woordassociatiespel, "geluidsgolf" kan gemakkelijk in je opkomen. Maar de laatste jaren is er is 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:bellen sissen snel na injectie in de bloedbaan.

Nutsvoorzieningen, na 10 jaar werk, een multidisciplinair onderzoeksteam heeft een betere zeepbel gebouwd. Hun nieuwe formuleringen hebben geresulteerd in bellen op nanoschaal met aanpasbare buitenste schalen - zo klein en duurzaam dat ze kunnen reizen naar en doordringen tot enkele van de meest ontoegankelijke gebieden in 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 van Ryerson University en het Institute for Biomedical Engineering, Wetenschap en Technologie (iBEST) in Toronto. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in ACS Nano , in een paper 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, onze gezamenlijke theoretische en experimentele bevindingen bieden een fundamenteel raamwerk dat zal helpen bij het tot stand brengen van nanobellen voor toepassingen in biomedische beeldvorming - en mogelijk in andere gebieden, van materiaalwetenschap tot oppervlaktereiniging en -menging."

Bubbels in echografie:krimpen tot nanoschaal

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

Met ultrageluid, bellen dienen als contrastmiddel. Deze met gas gevulde bollen zijn omgeven door een fosfolipide-omhulsel. Contrast wordt gegenereerd wanneer ultrasone golven interageren met de bellen, waardoor ze oscilleren en geluidsgolven weerkaatsen 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), microbellen zijn beperkt tot circuleren in bloedvaten, en kan ziek weefsel buiten niet bereiken.

"Ons onderzoeksteam bij CWRU heeft nu stabiele, lang circulerende bellen 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, nanobellen zijn zeer geschikt voor fijnere toepassingen zoals moleculaire beeldvorming en gerichte medicijnafgifte. In samenwerking met het Ryerson-team, de onderzoekers hebben een beter begrip ontwikkeld van de theorie hoe nanobellen worden gevisualiseerd met ultrageluid, en welke beeldvormende technieken nodig zijn om de bellen in het lichaam het beste te visualiseren.

Gedrag van nanobellen beheersen

Maatproblemen terzijde, bellen zijn ook complexe oscillatoren, gedrag vertonen dat moeilijk te controleren is. In het huidige werk het onderzoeksteam bedacht ook een manier om nauwkeurig te controleren en te voorspellen hoe bellen interageren met en akoestisch reageren op ultrageluid.

"Door membraanadditieven in onze bubbelformules te introduceren, we hebben het vermogen aangetoond om te bepalen hoe stijf (of hoe flexibel) de bellenschalen worden, "zegt de Leon. "Bubble-formuleringen kunnen vervolgens worden aangepast aan de specifieke behoeften van verschillende toepassingen."

Bijvoorbeeld, stijver, stabiele bubbelontwerpen kunnen lang genoeg meegaan om lichaamsweefsels te bereiken die moeilijk toegankelijk zijn. Zachtere bellen kunnen duidelijkere ultrasone beelden produceren van bepaalde soorten lichaamsweefsel. Bellenoscillatie kan zelfs worden aangepast om de celpermeabiliteit te vergroten, mogelijk toenemende medicijnafgifte aan zieke cellen, wat op zijn beurt de vereiste dosering kan verlagen.

Patiënten, de uiteindelijke begunstigden

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

Sojahrood ziet veel potentiële voordelen, voor biogeneeskunde en voor patiënten in de kliniek. "Vergeleken met andere beeldvormings- of behandelingsopties, zoals chirurgie met scalpels, omvangrijke MRI-machines, of het risico van radioactief jodium in CT-scans, echografie kan een stuk sneller zijn, goedkoper, effectiever en minder ingrijpend, " zegt hij. "Door ultrageluid door nanobellen te bevorderen, we zouden uiteindelijk de diagnose en behandeling beter beschikbaar en effectiever kunnen maken, zelfs in meer afgelegen gebieden van de wereld, uiteindelijk het verbeteren van de patiëntresultaten en het redden van meer levens."