微小气泡对医学超声成像产生重大影响

如果在单词联想游戏中给你“超声波”，你可能会很容易想到“声波”。但近年来，一个新术语浮出水面：泡沫。事实证明，这些短暂的球状形状在改善医学成像、疾病检测和靶向药物输送方面非常有用。只有一个小故障：注入血液后，气泡很快就会消失。

现在，经过10年的努力，一个多学科的研究团队已经建立了一个更好的泡沫。他们的新配方产生了具有可定制外壳的纳米级气泡——如此小而耐用，以至于它们可以进入并穿透人体中一些最难以接近的区域。

这项工作是 Al C. de Leon 和合著者之间的合作，在克利夫兰凯斯西储大学医学院放射学系的 Agata A. Exner 和 Amin Jafari Sojahrood 的监督下，由 Michael Kolios 监督瑞尔森大学物理系和多伦多生物医学工程、科学与技术研究所 (iBEST) 的研究员。他们的结果最近发表在ACS Nano 上，题为“Towards Precisely Controllable Acoustic Response of Shell-Stabilized Nanobubbles: High-Yield and Narrow-Dispersity”的论文。

“这一进步最终可以带来更清晰的超声图像，”Kolios 说。“但更广泛地说，我们的联合理论和实验发现提供了一个基本框架，将有助于建立纳米气泡在生物医学成像中的应用——并可能进入其他领域，从材料科学到表面清洁和混合。”

超声波中的气泡：缩小到纳米级

超声波是世界上使用量第二大的医学成像方式。与其他方式一样，患者可能会吞咽或注射药剂以产生图像对比度，从而更容易看到身体结构或体液。

使用超声波，气泡充当造影剂。这些充气球体被磷脂壳包裹。当超声波与气泡相互作用时会产生对比，导致它们振荡并反射与身体组织反射的波显着不同的声波。气泡通常用于患者，以提高图像质量并增强对疾病的检测。但由于它们的大小(与红细胞大致相同)，微泡仅限于在血管中循环，无法到达外面的病变组织。

“我们在 CWRU 的研究团队现在设计出稳定、长循环的纳米级气泡——直径为 100-500 nm，”Exner 说。“它们甚至可以挤过癌性肿瘤渗漏的脉管系统。”

凭借这些能力，纳米气泡非常适合更精细的应用，如分子成像和靶向药物输送。研究人员与瑞尔森团队合作，对纳米气泡如何用超声波可视化的理论有了更清晰的理解，以及需要哪些成像技术才能最好地可视化体内的气泡。

控制纳米气泡行为

除了大小问题，气泡也是复杂的振荡器，表现出难以控制的行为。在目前的工作中，研究团队还设计了一种方法来精确控制和预测气泡如何与超声波相互作用并对其产生声学响应。

“通过在我们的气泡配方中引入膜添加剂，我们展示了控制气泡壳变得多么坚硬(或多么灵活)的能力，”德莱昂说。“然后可以定制气泡配方，以满足不同应用的特定需求。”

例如，更硬、更稳定的气泡设计可以持续足够长的时间以到达难以接近的身体组织。较软的气泡可能会产生某些类型的身体组织的更清晰的超声图像。甚至可以调整气泡振荡以增加细胞通透性，从而可能增加向患病细胞的药物输送，从而减少所需的剂量。

患者，最终受益者

已经成功地展示了定制气泡壳特性及其与声波相互作用的能力，目前的工作对纳米气泡效力具有令人兴奋的意义——在诊断和治疗应用中。

Sojahrood 看到了许多潜在的好处，对于生物医学和临床患者。“与其他成像或治疗选择相比，例如手术刀手术、笨重的 MRI 机器或 CT 扫描中放射性碘的风险，超声波可能更快、更便宜、更有效且侵入性更小，”他说。“通过纳米气泡推进超声波，我们最终可以使诊断和治疗更容易、更有效，甚至在世界上更偏远的地区，最终改善患者的治疗效果并挽救更多的生命。”