Name: formulation and acoustic modulation of optically vaporized perfluorocarbon nanodroplets
Uploaded: 2021-07-16T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Formulation and Acoustic Modulation of Optically Vaporized Perfluorocarbon Nanodroplets at JoVE.com

Arbejdet blev delvist støttet af Breast Cancer Research Foundation under bevilling BCRF-20-043.

1. Perfluorcarbon nanodråbe formulering
<ol><li>Skyl en 10 ml rundbundet kolbe med chloroform ud, og vask en 10 μL og 1 ml gastæt glassprøjte med chloroform ved gentagne gange at opsuge hele sprøjtevolumen og udvise den i alt tre gange. FORSIGTIG: Chloroform er flygtig og kan være giftig ved indånding. Alt arbejde med dette opløsningsmiddel skal udføres i en røghætte.</li>
	<li>Ved hjælp af sprøjterne tilsættes 200 μL DSPE-mPEG2000 (25 mg/ml), 6,3 μL 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DSPC, 2...

Sonde sonikering er en relativt enkel og let at lære metode til at fremstille PFCnD'er. Der er et par trin, hvor der skal udvises forsigtighed. Ved håndtering af chloroform er det bydende nødvendigt, at der anvendes en positiv forskydningspipette eller glassprøjter, da den er flygtig og vil "lække" fra standard luftforskydningspipetter. Hvis du bruger en positiv forskydning, skal du desuden sikre dig, at der anvendes en passende spids, da chloroform opløser de fleste plastspidser, hvilket kan indføre forurenende s...

Mikrobobler er det mest allestedsnærværende ultralydskontrastmiddel på grund af deres biokompatibilitet og fremragende ekkogenicitet sammenlignet med blødt væv. Dette gør dem til værdifulde værktøjer til visualisering af blodgennemstrømning, organafgrænsning og andre applikationer1. Imidlertid begrænser deres størrelse (1-10 μm), hvilket gør dem usædvanlige til billeddannelse baseret på deres resonansfrekvens, deres anvendelser til vaskulaturen2.
Denne begrænsning har ført til udviklingen af PFCnD'er, som er nanoemulsioner sammensat af et overfladeaktivt stof indkapslet omkring en flydende perfluorcarbonkerne. Disse nanopartikler kan syntetiseres i størrelser så små som 200 nm og er designet til at drage fordel af "utæt" vaskulatur eller porer og åbne fenestrationer, der findes i tumorvaskulatur. Mens disse forstyrrelser er tumorafhængige, giver denne permeabilitet mulighed for ekstravasation af nanopartikler fra ~ 200 nm - 1,2 μm afhængigt af tumoren 3,4. I deres oprindelige form producerer disse partikler ringe eller ingen ultralydskontrast. Ved fordampning - induceret akustisk eller optisk - ændres kernefasen fra væske til gas, hvilket inducerer en to og en halv til fem gange stigning i diameter 5,6,7 og genererer fotoakustisk og ultralydskontrast. Mens akustisk fordampning er den mest almindelige aktiveringsmetode, skaber denne tilgang akustiske artefakter, der begrænser billeddannelsen af fordampningen. Derudover kræver de fleste perfluorcarboner fokuseret ultralyd med et mekanisk indeks ud over sikkerhedstærsklen for at fordampe8. Dette har ført til udviklingen af PFCnD'er med lavere kogepunkt, som kan syntetiseres ved at kondensere mikrobobler til nanodråber9. Disse dråber er imidlertid mere flygtige og udsat for spontan fordampning10.
Optisk dråbefordampning (ODV) kræver på den anden side tilsætning af en optisk udløser såsom nanopartikler 11,12,13 eller farvestof 6,14,15 og kan fordampe perfluorcarboner med højere kogepunkt ved hjælp af fluencer inden for ANSI-sikkerhedsgrænsen 11. PFCnD'er syntetiseret med kerner med højere kogepunkt er mere stabile og vil rekondensere efter fordampning, hvilket giver mulighed for baggrundsfri billeddannelse16, multiplexing 17 og superopløsning18. En af de største begrænsninger ved disse teknikker er det faktum, at PFCnD'er med højt kogepunkt er ekkogene efter fordampning i kun en kort tidsramme på skalaen millisekunder19 og er relativt svage. Selvom dette problem kan afhjælpes gennem gentagne fordampninger og gennemsnit, er detektion og adskillelse af dråbesignal fortsat en udfordring.
Med inspiration fra pulsinversion kan varigheden og kontrasten forbedres ved at ændre fasen af ultralydsbilledpulsen19. Ved at starte ultralydsbilledpulsen med en sjælden fraktionsfase (n-puls) øges både varigheden og kontrasten af de fordampede PFCnD'er. I modsætning hertil resulterer start af ultralydsbilledpulsen med en kompressionsfase (p-puls) i reduceret kontrast og kortere varighed. Denne artikel vil beskrive, hvordan man syntetiserer optisk triggerable perfluorcarbon nanodroplets, polyacrylamidfantomer, der almindeligvis anvendes i billeddannelse, og demonstrerer kontrastforbedring og forbedret signallevetid gennem akustisk modulering.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ammonium Persulfate (APS)</td>
			<td>VWR</td>
			<td>97064-592</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids</td>
			<td>850365C</td>
			<td>Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (DSPE-PEG)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids</td>
			<td>880120C</td>
			<td>Lipids, these can be purchased suspended in chloroform or in powder form. For long term storage, powder form is the best but chloroform is more practical.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylamide : Bisacrylamide solution (19:1) 40% (w/v), OmniPur&#174;</td>
			<td>VWR</td>
			<td>EM-1300</td>
			<td>acrylamide solution, lower concentration/ powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IR-1048</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>405175</td>
			<td>Infrared dye</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L11-4v</td>
			<td>Verasonics</td>
			<td>-</td>
			<td>ultrasound linear array transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microtip 1/8&#34;</td>
			<td>Qsonica LLC</td>
			<td>4418</td>
			<td>microtip for probe sonicator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N, N&#8242;, N&#8242; -Tetramethylethylenediamine (TEMED)</td>
			<td>VWR</td>
			<td>97064-902</td>
			<td>Used to polymerize polyacrylamide by forming free radicals in the presence of ammonium persulfate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nova II</td>
			<td>Ophir-Spiricon</td>
			<td>7Z01550</td>
			<td>laser power meter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Perfluorohexane</td>
			<td>Fluoromed</td>
			<td>APF-60M</td>
			<td>perfluorocarbon liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate buffered saline (PBS) tablets</td>
			<td>VWR</td>
			<td>97062-732</td>
			<td>Tablets used to make PBS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q500</td>
			<td>Qsonica LLC</td>
			<td>Q500-110</td>
			<td>Probe sonicator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silica gel</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>288500</td>
			<td>2-25 &#956;m particle size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tempest 30</td>
			<td>New wave research</td>
			<td>-</td>
			<td>Pulsed laser system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vantage 128</td>
			<td>Verasonics</td>
			<td>-</td>
			<td>research ultrasound imaging system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zetasizer Nano ZS</td>
			<td>Malvern Instruments Ltd</td>
			<td>-</td>
			<td>Makes size measurements based on dynamic light scattering</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

formulation and acoustic modulation of optically vaporized perfluorocarbon nanodroplets

Mikrobobler er det mest almindeligt anvendte billeddannelseskontrastmiddel i ultralyd. På grund af deres størrelse er de imidlertid begrænset til vaskulære rum. Disse mikrobobler kan kondenseres eller formuleres som perfluorcarbon nanodråber (PFCnD'er), der er små nok til at ekstravasere og derefter udløses akustisk på målstedet. Disse nanopartikler kan forbedres yderligere ved at inkludere en optisk absorber, såsom nær infrarødt organisk farvestof eller nanopartikler (f.eks. kobbersulfidnanopartikler eller guldnanopartikler / nanoroder). Optisk mærkede PFCnD'er kan fordampes gennem laserbestråling i en proces kendt som optisk dråbefordampning (ODV). Denne aktiveringsproces muliggør anvendelse af perfluorcarbonkerner med højt kogepunkt, som ikke kan fordampes akustisk under den maksimale mekaniske indekstærskel for diagnostisk billeddannelse. Kerner med højere kogepunkt resulterer i dråber, der vil rekondensere efter fordampning, hvilket resulterer i "blinkende" PFCnD'er, der kortvarigt producerer kontrast efter fordampning, før de kondenseres tilbage til nanodråbeform. Denne proces kan gentages for at producere kontrast efter behov, hvilket giver mulighed for baggrundsfri billeddannelse, multiplexing, superopløsning og kontrastforbedring gennem både optisk og akustisk modulering. Denne artikel vil demonstrere, hvordan man syntetiserer optisk triggerable, lipidskal PFCnD'er ved hjælp af sonde sonikering, skaber polyacrylamid fantomer til at karakterisere nanodråberne og akustisk modulere PFCnD'erne efter ODV for at forbedre kontrasten.

Vellykket formulering og centrifugalseparation af PFCnD'erne bør give dråber omkring størrelsen 200-300 nm i diameter (figur 1A). Forkert adskilte dråber kan vise små toppe omkring 1 μm. Disse løsninger kan yderligere bade sonikeres for at bryde de større dråber op. Dråbernes størrelse vil stige over tid på grund af sammensmeltning og / eller diffusion i en proces kendt som Ostwald modning21,22 (figur...

Watch this Scientific Journal Video about Formulation and Acoustic Modulation of Optically Vaporized Perfluorocarbon Nanodroplets at JoVE.com

Formulation and Acoustic Modulation of Optically Vaporized Perfluorocarbon Nanodroplets

Optisk aktiverede perfluorcarbon nanodråber viser løfte i billeddannelsesapplikationer uden for det vaskulære system. Denne artikel vil demonstrere, hvordan man syntetiserer disse partikler, tværbinding polyacrylamidfantomer og modulerer dråberne akustisk for at forbedre deres signal.

Formulering og akustisk modulering af optisk fordampede perfluorcarbon nanodråber

Microbubbles are the most commonly used imaging contrast agent in ultrasound. However, due to their size, they are limited to vascular compartments. These ...

Denne protokol giver mulighed for en enkel og hurtig syntese af optisk fordampede perfluorcarbon nanodråber og giver en metode til at forbedre disse partiklers ydeevne. Personversion tillader forbedring af kontrast ved blot at manipulere fasen af ultralydsbilleddannelsen først. Det kræver ikke yderligere udstyr og kan udføres på ethvert programmerbart ultralydssystem.Begynd med at skylle en 10 ml rund bundkolbe med chloroform og vask en 10 mikroliter og en milliliter gastæt glassprøjte med chloroform ved gentagne gange at opsuge det fulde sprøjtevolumen og udvise det i alt tre gange. Ved hjælp af sprøjterne tilsættes 200 mikroliter 25 milligram pr. milliliter DSPE-mPEG-2000, otte mikroliter 10 milligram pr. milliliter DSPC og en milliliter et milligram pr. milliliter IR-1048 i den runde bundkolbe. Husk at rense sprøjterne mellem lipider eller farvestof for at forhindre forurening i bestanden.Fjern opløsningsmidlet ved hjælp af en roterende fordamper. Sørg for, at vakuumet langsomt justeres til 332 millibar for at forhindre stød. Efter fem minutter reduceres trykket til 42 millibar for at fjerne vand, der kan være kommet ind i opløsningen.Lipidkagen suspenderes i en milliliter PBS og sonikat eller hvirvel ved stuetemperatur i fem minutter, eller indtil al lipidkage er suspenderet og opløst i opløsningen. Overfør opløsningen til et hætteglas på syv milliliter glas, og læg hætteglasset i et glasfad fyldt med is, så opløsningen kan køle af i fem minutter. Skyl en gastæt glassprøjte ud med perfluorhexan.Tilsæt derefter 50 mikroliter perfluorhexan til hætteglasset ved hjælp af sprøjten. Sonde sonikerer blandingen med amplituden indstillet til en, procestiden indstillet til 20 sekunder, puls på sæt til et sekund og puls slukket indstillet til fem sekunder. Skift derefter indstillingerne som nævnt i tekstmanuskriptet, og soniker blandingen igen.Overfør nanodråbeopløsningen til et 1,5 ml centrifugerør og centrifuge ved 300 g i tre minutter for at adskille de større dråber, der er mere end en mikrometer fra de mindre dråber. Kassér pelleten og overfør supernatanten til et andet 1,5 ml centrifugerør. Vask supernatanten ved centrifugering ved 3.000 g i fem minutter for at pelletere alle dråberne i opløsningen.Suspender PFCnD'erne i en milliliter PBS ved at pipettere pelleten op og ned og derefter sonikere i en badsoniker i et minut. Fortynd PFCnD'erne 100 gange ved at tilføje 10 mikroliter PFCnD-lager til 990 mikroliter PBS og badesonikat for at sprede PFCnD'erne, før de måles. Mål størrelsen på dråberne ved hjælp af dynamisk lysspredning.Afgass vand ved at fylde en 500 ml vakuumkolbe med 400 ml deioniseret vand, tætning med en gummikork, og tilslut kolben til vakuumledningen. Åbn vakuumledningen, og nedsænk bunden af kolben i badesonicateren. Sonicat i fem minutter, eller indtil der ikke er nogen dannelse af gasbobler.Forbered 10% ammonium pr. Sulfatopløsning ved at opløse 500 milligram i fem milliliter afgasset vand. Hvirvl forsigtigt opløsningen, hvis ammoniumpersulfatet ikke opløses helt. I et 400 ml bægerglas med en rørestang på en omrøringsplade tilsættes 150 ml afgasset vand og 50 ml 40 acrylamid bisacrylamidopløsning til dannelse af 200 ml 10% acrylamid bisacrylamidopløsning.Rør blandingen ved 200 o / min for at muliggøre korrekt blanding uden at indføre bobler. Vej 400 milligram silica og tilsæt det til 10% acrylamid bisacrylamidopløsning for at danne en 0,2% silica- og acrylamidopløsning. Forbered en firkantet form med en cylindrisk inklusion ved at afskære spidserne fra en plastoverførselspipette og understøtte den i formen med laboratorietape.Der tilsættes to milliliter 10 % ammoniumpersulfatopløsning til bægerglasset for at opnå en endelig koncentration på 0,1 %, og der tilsættes 250 mikroliter TEMED til fantomopløsningen. Lad opløsningen omrøre i mindre end et minut. Hæld hurtigt opløsningen i formen, mens du er forsigtig med ikke at indføre luftbobler i opløsningen.Opløsningen skal polymeriseres inden for 10 minutter. Fjern fantomet ved at køre den flade ende af en laboratoriespatel rundt om kanten af formen og vende formen om. Tænd og varm det pulserende lasersystem op i ca. 20 minutter i henhold til producentens anvisninger.Sørg for, at det fiberoptiske bundt er korrekt forbundet til laserudgangen, og at de to ben er korrekt placeret i fiberbundtholderen. Når du har tændt ultralydsbilleddannelsessystemet, skal du tilslutte array-billedtransduceren til systemet og fastgøre transduceren i holderen for at justere dens billeddannelsesplan med lasertværsnit. Indstil lasersystemets pulsgentagelsesfrekvens til 10 hertz, og placer en effektmåler i slutningen af fiberbundtet for at måle energi.Indstil Q-kontaktforsinkelsen, indtil den estimerede fluens er 70 milijoule pr. Kvadratcentimeter. Genopfyld en af kanalerne i polyakrylamidfantomet med ultralydgelen og PFCnD-blandingen ved hjælp af en en milliliter plastspidssprøjte. Dæk liberalt toppen af kanalen med ultralydsgel og fjern eventuelle bobler med en en milliliter plastspidssprøjte.Til sidst placeres polyacrylamid fantomet under transduceren og fiberbundtet. Vellykket formulering og centrifugalseparation af PFCnD'erne giver dråber omkring 200 til 300 nanometer i diameter. Dråbernes størrelse øges over tid på grund af sammensmeltning og diffusion i en proces kendt som Ostwald modning.Kontrasten fra inklusionen for slutpulsen viste sig at være ca. 3,2 gange større, det er en forbedring på 220% end P-pulsen. Det hyperechoiske område blev beregnet for hver ramme og normaliseret af det hyperechoiske område af den første ramme og derefter monteret på en eksponentiel henfaldsmodel. Den karakteristiske henfaldstid for normaliseret hyperechoisk område var op til 3,5 gange længere i N-pulsbilleddannelse sammenlignet med P-puls.B-mode differentielle billedrammer blev optaget i tide for hver N-puls og P-puls billeddannelse. En af de vigtigste ting er at udvise lipiderne i bunden af kolben for at sikre, at de bliver ordentligt indarbejdet i lipidkagen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Increasing cDNA Yields from Single-cell Quantities of mRNA in Standard Laboratory Reverse Transcriptase Reactions using Acoustic Microstreaming

Correlating gene expression with cell behavior is ideally done at the single-cell level.  However, this is not easily achieved because the small amount of ...

Formulation of Diblock Polymeric Nanoparticles through Nanoprecipitation Technique

Nanotechnology is a relatively new branch of science that involves harnessing the unique properties of particles that are nanometers in scale ...

Use of Label-free Optical Biosensors to Detect Modulation of Potassium Channels by G-protein Coupled Receptors

Brug af Label-fri Optiske Biosensors Detect Modulation af kalium kanaler af G-protein koblede receptorer

Ion channels control the electrical properties of neurons and other excitable cell types by selectively allowing ions to flow through the plasma ...

Expanding Nanopatterned Substrates Using Stitch Technique for Nanotopographical Modulation of Cell Behavior

Udvidelse Nanopatterned Underlag Brug Stitch Teknik for Nanotopographical Modulation of Cell Behavior

Substrate nanotopography has been shown to be a potent modulator of cell phenotype and function. To dissect nanotopography modulation of cell behavior, a ...

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Switchable akustisk og optisk opløsning Photoacoustic Microscopy for<em&gt; In vivo</em&gt; Blodvaskemaskiner i små dyr

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the ...

Protein Kinase C-delta Inhibitor Peptide Formulation using Gold Nanoparticles

Protein Kinase C-delta hæmmer peptid formulering bruger guld nanopartikler

Protein kinase C-delta inhibitor (PKC&#948;i) is a promising drug to prevent ischemia-reperfusion-induced organ injury. It is usually conjugated to a ...

Primary Clarification of CHO Harvested Cell Culture Fluid using an Acoustic Separator

Primær afklaring af CHO Harvested Cell Culture Fluid ved hjælp af en akustisk separator

Primary clarification is an essential step in a biomanufacturing process for the initial removal of cells from therapeutic products within the harvested ...

Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

Magnetiske, akustiske og optisk-triple-responsive mikrobubbles til magnetisk hypertermi og pothotothermal kombinationskræftbehandling

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...

Production of Membrane-Filtered Phase-Shift Decafluorobutane Nanodroplets from Preformed Microbubbles

Produktion af membranfiltrerede faseskiftdecafluorobutan nanodråber fra præformede mikrobubbles

There are many methods that can be used for the production of vaporizable phase-shift droplets for imaging and therapy. Each method utilizes different ...

Evaluation of Cardiac Contractility Modulation Therapy in 2D Human Stem Cell-Derived Cardiomyocytes

Evaluering af hjertekontraktilitetsmodulationsterapi i 2D humane stamcelleafledte kardiomyocytter

Human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) are currently being explored for multiple in vitro applications and have been used ...