磁性微气泡及在诊疗上的应用

磁性微气泡及在诊疗上的应用第1页，共29页，2023年，2月20日，星期一超声诊断优点： -损伤小 -软组织鉴别力强 -实时快速成像 -成本低廉超声诊断缺点： -分辨率低，声阻抗接近时难区分理论上，能够增强回波信号的物质都称为超声造影剂，微气泡最为常用： -虽然可能造成栓塞，但小体积不会造成伤害 -生物相容性好 -相对于放射和MR，更安全微气泡超声造影剂第2页，共29页，2023年，2月20日，星期一微气泡在超声作用下，发生压缩膨胀——超声空化效应（cavitaion），产生强回波信号（背向散射）激励信号较低： -对称性压缩膨胀，稳定震动不破裂，稳态空化 -造影成像激励信号较高： -不对称压缩膨胀，破裂，瞬态空化 -药物传输，基因治疗回波信号强度影响因素： -气泡大小 -可压缩性 -膜壳厚度 -粘弹性 -气体密度PS：聚合物膜壳厚，载药量高，稳定性强；改变分子量大小，亲水性，晶体和非晶体成分控制破裂阈值；降低厚度，刚性和粘性提高显影效率微气泡造影原理第3页，共29页，2023年，2月20日，星期一微气泡造影剂的发现和进程DrClaudeJoyner做心脏M模式超声扫描

左心室注射染料显影效果暂时增强染料？生理盐水也有类似现象Gramiak和Shah提出是微小气泡造成验证实验：增强周围压强，抑制气泡产生，无增强影像现象进程：

-第一代：液体内自由微气泡 -第二代：膜壳包裹的微气泡 -第三代：使用氟化碳或氟化硫等低弥散、低饱和惰性气体代替传统氮气或空气第4页，共29页，2023年，2月20日，星期一微气泡结构基本：ShellGascore负载：ShellpayloadInteriorpayload靶向：TargetingligandCaixinGuo,YushenJin,ZhifeiDai*.BioconjugateChemistry,2014,25(5),840–854.第5页，共29页，2023年，2月20日，星期一粒径： -微米级（1-10μm，通过毛细血管网，成像效果好） -纳米级（<700nm，到达组织间隙，组织成像）包裹气体： -一般气体（空气，氮气） -特殊气体（氟化碳，六氟化硫，难扩散，增强稳定性）膜壳材料： -蛋白质微气泡 -表面活性剂微气泡 -脂质微气泡 -聚合物微气泡微气泡分类第6页，共29页，2023年，2月20日，星期一膜壳材料对比蛋白质膜壳表面活性剂膜壳脂质体膜壳聚合物膜壳优点生物相容性好制备方便，散射信号强，较蛋白更稳定更稳定，膜壳较薄，散射信号强，生物相容性好膜材成本低，体内循环最稳定，膜壳较厚，利于增加载药量，压力耐受性好，易于靶向修饰，生物相容性好缺点膜壳刚性较强，容易破裂稳定性较差，生物相容性较差膜材成本较高膜壳较厚，共振频率较高，对超声信号散射能力较弱常用膜材人血清蛋白吐温（Tween）司班（Span）一般为磷脂和聚乙二醇（PEG）混合物聚乳酸（PLA）、聚乳酸一聚羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乙烯醇（PVA），聚乙二醇（PEG）第7页，共29页，2023年，2月20日，星期一Sonication（声空化法）：超过空化阈值超声照射，形成负压核，产生气泡；简单易操作，最常用；粒径分布较宽，临床需分离（栓塞）；highshearemulsification（高剪切乳化法）：高速搅拌水油混合物，制备出W1/O，转入水溶液，继续搅拌（转速稍低），形成W1/O/W2微囊；冻干法或喷雾干燥法去除液相；Inkjetprinting（喷墨印迹法）：膜材溶液通入管道，改变电压产生脉冲，形成小液滴，喷嘴喷出，底部首基液滴，冻干法去除内部水相；通过改变脉冲频率控制产物粒径，无需更换喷嘴，且粒径分布较窄；Microfluidicprocessing（微流道法）：单分散性最好；粒径控制程度最大；制备方法第8页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡定义：磁性微气泡是由微米级的包膜气泡和纳米级的磁性颗粒结合在一起的一种新型诊疗用微纳材料。效果：膜的稳定性增加超声/磁共振双模造影磁导向/超声控制释放细胞毒性/声致穿孔第9页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性颗粒与微气泡壳偶联结构A.包覆在微气泡表面B.镶嵌在微气泡膜壳内C.结合在微气泡的内油相层CaiX,YangF,GuN.

Theranostics2012,2(1):103-112.第10页，共29页，2023年，2月20日，星期一结合方式——静电吸附静电吸附作用是阴阳离子间通过静电作用形成的强烈的相互作用；物质粒子相互作用中最强的一种作用力；通过化学修饰，可以使磁性纳米粒子带上相应电荷；两者电性不同：直接通过静电吸附连接起来两者电性相同：通过偶联与两者电性不同的化学偶联剂连接起来第11页，共29页，2023年，2月20日，星期一负电性Fe3O4粒子、溶菌酶素、海藻酸钠、CO2；CO2溶解，酸度增加，负电溶菌酶素正电；静电吸附，结合负电Fe3O4粒子；负电海藻酸盐与正电荷溶菌酶素静电吸附，结构更加稳定；阴离子表面活性剂修饰磁性纳米粒子带负电；表面活性剂微气泡也为负电；Ca2+作为偶联剂，纳米粒子连接到微气泡表面Park,J.I.Jagadeesan,D.Williams,R.Oakden,W.

etal.ACSNano,2010,

4,6579–6586.第12页，共29页，2023年，2月20日，星期一结合方式——相似相溶极性分子间的电性作用，使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子溶剂，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子溶剂油相包裹的Fe3O4纳米粒子为油溶性，均匀分散于油溶性有机膜材中；双亲性分子修饰的Fe3O4粒子用于磁性脂质体微气泡；第13页，共29页，2023年，2月20日，星期一Tween60（一种非离子型表面活性剂）修饰磁性纳米粒子，使其为双亲性；将其溶于脂质分子，机械震荡，均匀分布到壳膜中；VlaskouD,MykhaylykO,KrotzF.

etal.

AdvFunctMater.

2010;20:3881-94MION（单晶铁氧体纳米粒子）溶入PLGA；声振空化法（30s）得到油包水乳液；加入PVA均质化5min；双聚合物（水/油）/水乳液，加入异丙醇搅拌（1h）后离心；洗涤后使用冻干法去除泡中的水；ChowAM,ChanKWY,CheungJS,WuEX.MagnResonMed.2010,63:224–229.第14页，共29页，2023年，2月20日，星期一去离子水和TritonX-100在室温搅拌后加入盐酸调节pH到2.5；USPIO（超小超顺磁铁氧化物）加入搅拌2min；将PBCA（聚氰基丙烯酸正丁酯）通过注射器加入，室温中搅拌1h；四天后取上层泡沫，洗涤、离心收集磁性微气泡；LiuZ,LammersT,EhlingJ,FokongS,BornemannJ,etal.Biomaterials.2011.32:6155-6163.第15页，共29页，2023年，2月20日，星期一结合方式——化学偶联采用化学偶联剂，两个分子通过化学反应连接到一起PVA被过碘酸钠（醛基）和亚氯酸钠氧化后表面带羧基；将羧基化的PVA水溶液和PLLA混合搅拌，制得聚合物微气泡；使用APTS（氨丙基三乙氧基硅烷）修饰γ-Fe2O3表面存在氨基；氨基与羧基交联反应，制备得磁性微气泡第16页，共29页，2023年，2月20日，星期一静电吸附和化学偶联主要用于表面接载纳米粒子，需对气泡和颗粒进行修饰，步骤复杂，但结合紧密，结构稳定；相似相溶相对简单，只修饰磁性纳米颗粒，再溶入膜材；此外还可通过生物素-亲和素偶联结合，但容易引入新的蛋白质，改变原有免疫原性和生物相容性。结合方式——总结第17页，共29页，2023年，2月20日，星期一多模造影剂分子影像对比剂药物运输基因转染磁性微气泡——多功能第18页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——多模造影剂尽管超声成像安全无创，但是成像质量不如CT和MRI，因此需要US和MRI联合成像Yang等人制备的PLA-PVAFe3O4磁性微气泡：和无磁性颗粒微气泡相比，横向弛豫率随着微气泡体积分数增大而迅速增大，超过60%时，增加显著，表明有磁性颗粒的微气泡MRI效果更好；随着包含的磁性颗粒浓度增大，超声强度先增大后减小。YangF,LiY,ChenZ,ZhangY,WuJ,GuN.Biomaterials,

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

第19页，共29页，2023年，2月20日，星期一Liu和JaiIIPark的结果Yang结果类似，表明微气泡壳表面偶联，嵌入膜壳中或在膜壳里的油相中都会增强MRI和US成像高浓度嵌入磁性颗粒能阻碍微气泡震动选择恰当的浓度获得最佳US&MR成像效果ZheLiu,TwanLammers,JosefEhling.etal.Biomaterials.

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

第20页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——多模造影剂血管MR敏感度造影剂：由于气液表面的磁敏感度不同，微气泡能作为血管MR敏感度造影剂；微气泡的磁化率能局部扰动静磁场，影响横向弛豫；但是相比于其他血管MR敏感度造影剂，微气泡的影响过于微弱；Chow发现将MIONs嵌入微气泡壳可增强上述效果，可将其用来检测血压（微气泡周围压强的改变影响）；为了获得最强血管MR敏感度，Dharmakumar进行了有限元模拟，阐明：

1.

敏感度主要依赖于半径，膜壳体积分数，和颗粒的磁化率；

2.2-3μm半径，体积分数小于5%（非常薄）；

3.大部分脂质体或表面活性剂微气泡能达到上述要求；总结：为了获得最佳造影效果，选择合适的膜材和磁性颗粒的浓度是关键。第21页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——多模造影剂W.Heetal.MaterialsLetters68(2012)64–67第22页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——多模造影剂S.Fokongetal.JournalofControlledRelease.2012,163:75–81超声-光学成像第23页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——多模造影剂N.Lazarovaetal.NuclearMedicineandBiology38(2011).1111–1118超声-放射成像第24页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——分子影像对比剂血管生成是从先存血管生成新血管的物理过程，在肿瘤治疗和其他血液疾病（如心血管病）治疗中，具有重要意义。采用能靶向到血管生成相关的分子标志物（VEGFR-2，整合素α，β3，内皮因子等）的微气泡造影，US成像可以评估肿瘤血管生成；一个能连接到感兴趣的接受体的特殊配体，偶联到微气泡上；微气泡造影剂体内循环一段时间，逐渐被清除；同时，配体和受体结合发生；高对比度区域标志接收体/病灶传统成像可以在微小血管的粥样硬化、血管生成以及炎症检测上发挥出色，但是对于主动脉成像不尽如人意，这是由于大血管中血流速度较大（高剪切压），超声对比剂不能有效结合在大血管的内表面；磁性微气泡可以解决这个问题，磁场引导下，磁性微气泡可以在感兴趣区聚集，配体-受体结合协同作用将微气泡牢牢粘在血管内表面。第25页，共29页，2023年，2月20日，星期一Bzyl,J.,Palmowski,M.,Rix,A.etal.

EurRadiol.

2013,23:468–475.BR55highlysensitivelydepictsveryearlybreastcancerlesions.Quantitativeanalysisof3DSPAQimagingdemonstratesthehighestbindingofBR55in4mm3smalltumorsandasignificantlyreducedbindinginlargertumors.磁性微气泡——分子影像对比剂第26页，共29页，2023年，2月20日，星期一Wu等用抗-VCAM-1（血管细胞粘附分子）抗体连接到磁性微气泡表面，外加磁场下，在磁力作用下吸附到血管内皮上，同时在抗原抗体作用力双重作用下，微气泡能够更有效的吸附到血管内皮上，即使血流速度大，依然有大量微气泡吸附，可用于主动脉冠状动脉血管分子造影。A.VCAM-1磁性微气泡，B.VCAM-1非磁性微气泡，C.无活性磁性微气泡结果显示，当无磁场时，A和B附着能力相同，但是磁场引导后，A附着力显著增加；在注射后5min内，A显影强度最强，B次之，C最弱；5min冲洗后，健康（无动脉硬化）小鼠显示相似强度，实验组（载脂蛋白E基因敲除）小鼠仍然很强。此外，还可使用P-选择素抗体代替抗-VCAM-1抗体来诊断炎症。载脂蛋白E基因敲除后促进动脉粥样硬化斑块形成；VCAM在动脉粥样硬化早期高表达。WuJ,Leong-PoiH,BinJ,etal.Radiology,2011,260(2),463-471.第27页，共29页，2023年，2月20日，星期一磁性微气泡——药物运输声致穿孔现象，使得微气泡成为一种很好地药物输送系统。一定强度的超声作用于细胞，造成细胞膜纳米级孔洞，在撤去超声后会重新修复。在体系中加入微气泡会增强声穿孔现象；如果将药物放入微气泡中，在声致穿孔作用下，药物将释放出微气泡，并在细胞膜产生孔洞的瞬间吞入其中；磁性微气泡