磁性微氣泡及在診療上的應用

磁性微氣泡及在診療上的應用超聲診斷優(yōu)點： -損傷小 -軟組織鑒別力強 -實時快速成像 -成本低廉超聲診斷缺點： -分辨率低，聲阻抗接近時難區(qū)分理論上，能夠增強回波信號的物質(zhì)都稱為超聲造影劑，微氣泡最為常用： -雖然可能造成栓塞，但小體積不會造成傷害 -生物相容性好 -相對于放射和MR，更安全微氣泡超聲造影劑微氣泡在超聲作用下，發(fā)生壓縮膨脹——超聲空化效應（cavitaion），產(chǎn)生強回波信號（背向散射）激勵信號較低： -對稱性壓縮膨脹，穩(wěn)定震動不破裂，穩(wěn)態(tài)空化 -造影成像激勵信號較高： -不對稱壓縮膨脹，破裂，瞬態(tài)空化 -藥物傳輸，基因治療回波信號強度影響因素： -氣泡大小 -可壓縮性 -膜殼厚度 -粘彈性 -氣體密度PS：聚合物膜殼厚，載藥量高，穩(wěn)定性強；改變分子量大小，親水性，晶體和非晶體成分控制破裂閾值；降低厚度，剛性和粘性提高顯影效率微氣泡造影原理微氣泡造影劑的發(fā)現(xiàn)和進程DrClaudeJoyner做心臟M模式超聲掃描

左心室注射染料顯影效果暫時增強染料？生理鹽水也有類似現(xiàn)象Gramiak和Shah提出是微小氣泡造成驗證實驗：增強周圍壓強，抑制氣泡產(chǎn)生，無增強影像現(xiàn)象進程：

-第一代：液體內(nèi)自由微氣泡 -第二代：膜殼包裹的微氣泡 -第三代：使用氟化碳或氟化硫等低彌散、低飽和惰性氣體代替?zhèn)鹘y(tǒng)氮氣或空氣微氣泡結構基本：ShellGascore負載：ShellpayloadInteriorpayload靶向：TargetingligandCaixinGuo,YushenJin,ZhifeiDai*.BioconjugateChemistry,2014,25(5),840–854.粒徑： -微米級（1-10μm，通過毛細血管網(wǎng)，成像效果好） -納米級（<700nm，到達組織間隙，組織成像）包裹氣體： -一般氣體（空氣，氮氣） -特殊氣體（氟化碳，六氟化硫，難擴散，增強穩(wěn)定性）膜殼材料： -蛋白質(zhì)微氣泡 -表面活性劑微氣泡 -脂質(zhì)微氣泡 -聚合物微氣泡微氣泡分類膜殼材料對比蛋白質(zhì)膜殼表面活性劑膜殼脂質(zhì)體膜殼聚合物膜殼優(yōu)點生物相容性好制備方便，散射信號強，較蛋白更穩(wěn)定更穩(wěn)定，膜殼較薄，散射信號強，生物相容性好膜材成本低，體內(nèi)循環(huán)最穩(wěn)定，膜殼較厚，利于增加載藥量，壓力耐受性好，易于靶向修飾，生物相容性好缺點膜殼剛性較強，容易破裂穩(wěn)定性較差，生物相容性較差膜材成本較高膜殼較厚，共振頻率較高，對超聲信號散射能力較弱常用膜材人血清蛋白吐溫（Tween）司班（Span）一般為磷脂和聚乙二醇（PEG）混合物聚乳酸（PLA）、聚乳酸一聚羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚乙烯醇（PVA），聚乙二醇（PEG）Sonication（聲空化法）：超過空化閾值超聲照射，形成負壓核，產(chǎn)生氣泡；簡單易操作，最常用；粒徑分布較寬，臨床需分離（栓塞）；highshearemulsification（高剪切乳化法）：高速攪拌水油混合物，制備出W1/O，轉(zhuǎn)入水溶液，繼續(xù)攪拌（轉(zhuǎn)速稍低），形成W1/O/W2微囊；凍干法或噴霧干燥法去除液相；Inkjetprinting（噴墨印跡法）：膜材溶液通入管道，改變電壓產(chǎn)生脈沖，形成小液滴，噴嘴噴出，底部首基液滴，凍干法去除內(nèi)部水相；通過改變脈沖頻率控制產(chǎn)物粒徑，無需更換噴嘴，且粒徑分布較窄；Microfluidicprocessing（微流道法）：單分散性最好；粒徑控制程度最大；制備方法磁性微氣泡定義：磁性微氣泡是由微米級的包膜氣泡和納米級的磁性顆粒結合在一起的一種新型診療用微納材料。效果：膜的穩(wěn)定性增加超聲/磁共振雙模造影磁導向/超聲控制釋放細胞毒性/聲致穿孔磁性顆粒與微氣泡殼偶聯(lián)結構A.包覆在微氣泡表面B.鑲嵌在微氣泡膜殼內(nèi)C.結合在微氣泡的內(nèi)油相層CaiX,YangF,GuN.

Theranostics2012,2(1):103-112.結合方式——靜電吸附靜電吸附作用是陰陽離子間通過靜電作用形成的強烈的相互作用；物質(zhì)粒子相互作用中最強的一種作用力；通過化學修飾，可以使磁性納米粒子帶上相應電荷；兩者電性不同：直接通過靜電吸附連接起來兩者電性相同：通過偶聯(lián)與兩者電性不同的化學偶聯(lián)劑連接起來負電性Fe3O4粒子、溶菌酶素、海藻酸鈉、CO2；CO2溶解，酸度增加，負電溶菌酶素正電；靜電吸附，結合負電Fe3O4粒子；負電海藻酸鹽與正電荷溶菌酶素靜電吸附，結構更加穩(wěn)定；陰離子表面活性劑修飾磁性納米粒子帶負電；表面活性劑微氣泡也為負電；Ca2+作為偶聯(lián)劑，納米粒子連接到微氣泡表面Park,J.I.Jagadeesan,D.Williams,R.Oakden,W.

etal.ACSNano,2010,

4,6579–6586.結合方式——相似相溶極性分子間的電性作用，使得極性分子組成的溶質(zhì)易溶于極性分子溶劑，非極性分子組成的溶質(zhì)易溶于非極性分子溶劑油相包裹的Fe3O4納米粒子為油溶性，均勻分散于油溶性有機膜材中；雙親性分子修飾的Fe3O4粒子用于磁性脂質(zhì)體微氣泡；Tween60（一種非離子型表面活性劑）修飾磁性納米粒子，使其為雙親性；將其溶于脂質(zhì)分子，機械震蕩，均勻分布到殼膜中；VlaskouD,MykhaylykO,KrotzF.

etal.

AdvFunctMater.

2010;20:3881-94MION（單晶鐵氧體納米粒子）溶入PLGA；聲振空化法（30s）得到油包水乳液；加入PVA均質(zhì)化5min；雙聚合物（水/油）/水乳液，加入異丙醇攪拌（1h）后離心；洗滌后使用凍干法去除泡中的水；ChowAM,ChanKWY,CheungJS,WuEX.MagnResonMed.2010,63:224–229.去離子水和TritonX-100在室溫攪拌后加入鹽酸調(diào)節(jié)pH到2.5；USPIO（超小超順磁鐵氧化物）加入攪拌2min；將PBCA（聚氰基丙烯酸正丁酯）通過注射器加入，室溫中攪拌1h；四天后取上層泡沫，洗滌、離心收集磁性微氣泡；LiuZ,LammersT,EhlingJ,FokongS,BornemannJ,etal.Biomaterials.2011.32:6155-6163.結合方式——化學偶聯(lián)采用化學偶聯(lián)劑，兩個分子通過化學反應連接到一起PVA被過碘酸鈉（醛基）和亞氯酸鈉氧化后表面帶羧基；將羧基化的PVA水溶液和PLLA混合攪拌，制得聚合物微氣泡；使用APTS（氨丙基三乙氧基硅烷）修飾γ-Fe2O3表面存在氨基；氨基與羧基交聯(lián)反應，制備得磁性微氣泡靜電吸附和化學偶聯(lián)主要用于表面接載納米粒子，需對氣泡和顆粒進行修飾，步驟復雜，但結合緊密，結構穩(wěn)定；相似相溶相對簡單，只修飾磁性納米顆粒，再溶入膜材；此外還可通過生物素-親和素偶聯(lián)結合，但容易引入新的蛋白質(zhì)，改變原有免疫原性和生物相容性。結合方式——總結多模造影劑分子影像對比劑藥物運輸基因轉(zhuǎn)染磁性微氣泡——多功能磁性微氣泡——多模造影劑盡管超聲成像安全無創(chuàng)，但是成像質(zhì)量不如CT和MRI，因此需要US和MRI聯(lián)合成像Yang等人制備的PLA-PVAFe3O4磁性微氣泡：和無磁性顆粒微氣泡相比，橫向弛豫率隨著微氣泡體積分數(shù)增大而迅速增大，超過60%時，增加顯著，表明有磁性顆粒的微氣泡MRI效果更好；隨著包含的磁性顆粒濃度增大，超聲強度先增大后減小。YangF,LiY,ChenZ,ZhangY,WuJ,GuN.Biomaterials,

2009Aug;30(23-24):3882-90.

Liu和JaiIIPark的結果Yang結果類似，表明微氣泡殼表面偶聯(lián)，嵌入膜殼中或在膜殼里的油相中都會增強MRI和US成像高濃度嵌入磁性顆粒能阻礙微氣泡震動選擇恰當?shù)臐舛全@得最佳US&MR成像效果ZheLiu,TwanLammers,JosefEhling.etal.Biomaterials.

2011Sep;32(26):6155-63.

磁性微氣泡——多模造影劑血管MR敏感度造影劑：由于氣液表面的磁敏感度不同，微氣泡能作為血管MR敏感度造影劑；微氣泡的磁化率能局部擾動靜磁場，影響橫向弛豫；但是相比于其他血管MR敏感度造影劑，微氣泡的影響過于微弱；Chow發(fā)現(xiàn)將MIONs嵌入微氣泡殼可增強上述效果，可將其用來檢測血壓（微氣泡周圍壓強的改變影響）；為了獲得最強血管MR敏感度，Dharmakumar進行了有限元模擬，闡明：

1.

敏感度主要依賴于半徑，膜殼體積分數(shù)，和顆粒的磁化率；

2.2-3μm半徑，體積分數(shù)小于5%（非常?。?；

3.大部分脂質(zhì)體或表面活性劑微氣泡能達到上述要求；總結：為了獲得最佳造影效果，選擇合適的膜材和磁性顆粒的濃度是關鍵。磁性微氣泡——多模造影劑W.Heetal.MaterialsLetters68(2012)64–67磁性微氣泡——多模造影劑S.Fokongetal.JournalofControlledRelease.2012,163:75–81超聲-光學成像磁性微氣泡——多模造影劑N.Lazarovaetal.NuclearMedicineandBiology38(2011).1111–1118超聲-放射成像磁性微氣泡——分子影像對比劑血管生成是從先存血管生成新血管的物理過程，在腫瘤治療和其他血液疾病（如心血管?。┲委熤校哂兄匾饬x。采用能靶向到血管生成相關的分子標志物（VEGFR-2，整合素α，β3，內(nèi)皮因子等）的微氣泡造影，US成像可以評估腫瘤血管生成；一個能連接到感興趣的接受體的特殊配體，偶聯(lián)到微氣泡上；微氣泡造影劑體內(nèi)循環(huán)一段時間，逐漸被清除；同時，配體和受體結合發(fā)生；高對比度區(qū)域標志接收體/病灶傳統(tǒng)成像可以在微小血管的粥樣硬化、血管生成以及炎癥檢測上發(fā)揮出色，但是對于主動脈成像不盡如人意，這是由于大血管中血流速度較大（高剪切壓），超聲對比劑不能有效結合在大血管的內(nèi)表面；磁性微氣泡可以解決這個問題，磁場引導下，磁性微氣泡可以在感興趣區(qū)聚集，配體-受體結合協(xié)同作用將微氣泡牢牢粘在血管內(nèi)表面。Bzyl,J.,Palmowski,M.,Rix,A.etal.

EurRadiol.

2013,23:468–475.BR55highlysensitivelydepictsveryearlybreastcancerlesions.Quantitativeanalysisof3DSPAQimagingdemonstratesthehighestbindingofBR55in4mm3smalltumorsandasignificantlyreducedbindinginlargertumors.磁性微氣泡——分子影像對比劑Wu等用抗-VCAM-1（血管細胞粘附分子）抗體連接到磁性微氣泡表面，外加磁場下，在磁力作用下吸附到血管內(nèi)皮上，同時在抗原抗體作用力雙重作用下，微氣泡能夠更有效的吸附到血管內(nèi)皮上，即使血流速度大，依然有大量微氣泡吸附，可用于主動脈冠狀動脈血管分子造影。A.VCAM-1磁性微氣泡，B.VCAM-1非磁性微氣泡，C.無活性磁性微氣泡結果顯示，當無磁場時，A和B附著能力相同，但是磁場引導后，A附著力顯著增加；在注射后5min內(nèi)，A顯影強度最強，B次之，C最弱；5min沖洗后，健康（無動脈硬化）小鼠顯示相似強度，實驗組（載脂蛋白E基因敲除）小鼠仍然很強。此外，還可使用P-選擇素抗體代替抗-VCAM-1抗體來診斷炎癥。載脂蛋白E基因敲除后促進動脈粥樣硬化斑塊形成；VCAM在動脈粥樣硬化早期高表達。WuJ,Leong-PoiH,BinJ,etal.Radiology,2011,260(2),463-471.磁性微氣泡——藥物運輸聲致穿孔現(xiàn)象，使得微氣泡成為一種很好地藥物輸送系統(tǒng)。一定強度的超聲作用于細胞，造成細胞膜納米級孔洞，在撤去超聲后會重新修復。在體系中加入微氣泡會增強聲穿孔現(xiàn)象；如果將藥物放入微氣泡中，在聲致穿孔作用下，藥物將釋放出微氣泡，并在細胞膜產(chǎn)生孔洞的瞬間吞入其中；磁性微氣泡由于其具有磁場導向性，在藥物運輸中尤為突出。當一定強度的超聲作用于磁性微氣泡，氣泡被破壞，內(nèi)嵌FE3O4顆粒從膜殼中釋放，進入腫瘤細胞；Yang等人研究發(fā)現(xiàn)，釋放速度隨著聲強增大而加快；Fe3O4具有毒性，隨著聲強增大，細胞死亡增多；相對比非磁性微氣泡，磁性微氣泡具有更低的生物效應，因為內(nèi)嵌的納米