שיטות מיקרוסקופיה מרובות זמן לאפיון של Microbubbles פלואורסצנטרית שכותרתו לשחרור תרופות מופעלות אולטרסאונד
12 ביוני 2021
הפרוטוקולים המוצגים יכולים לשמש כדי לאפיין את התגובה של microbubbles תווית פלואורסצנטית המיועדים ליישומי משלוח תרופות המופעלות על ידי אולטרסאונד, כולל מנגנוני ההפעלה שלהם, כמו גם bioeffects שלהם. נייר זה מכסה מגוון של טכניקות מיקרוסקופיה במבחנה ו - in vivo המבוצעות כדי ללכוד את האורך ואת לוחות הזמנים הרלוונטיים.
פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לאפיין את התגובה של microbubbles שכותרתו פלואורסצנטית המיועדים ליישומי משלוח תרופות המופעלות על ידי אולטרסאונד הכולל את מנגנוני ההפעלה ואת bioeffects. המפתח טמון בשילוב של טכניקות הדמיה המאפשר לנו לפענח את הבעיה הרב-בקנה מידה של משלוח תרופות המופעלות על ידי אולטרסאונד עם בועות, הן בקנה מידה מרחבי שונה והן בסקאלות זמן שונות. להדמיית בועה אחת על ידי מיקרוסקופיית ברייטפילד, הניחו מחט אוורור של 19 מד והשתמשו במזרק מיליליטר אחד המצויד במחט 19 מד כדי להסיר כמות קטנה של השעיית המיקרו-יבלים מ בקבוקון הזכוכית לצינור קטן להקטרה קלה יותר בשלב הבא.
באמצעות פיפטה, לדלל את פתרון microbubble מלוחים פוספט מסונן. השתמש מזרק 10 מיליליטר כדי להזריק את המדגם לתוך שקע אחד של מחזיק המדגם עד המחזיק מלא מבלי ליצור בועות אוויר, הזרקת יותר של המדגם במידת הצורך. סגור את שני השסתומים של מחזיק המדגם והצב את מחזיק המדגם בניצב לציר האופטי של המיקרוסקופ.
לפני ניתוח מדגם, להגדיר את תדר נהיגה אולטרסאונד הרצוי ולחץ אקוסטי על מחולל צורת הגל שרירותי והחל עם שדה הראייה בפינה אחת של מחזיק המדגם, להשתמש בשלב XYZ כדי להזיז את המחזיק כדי לאתר microbubbles יחיד בתחום הראייה של המיקרוסקופ, ולאחר מכן לצרף סיב אופטי מחובר לאמבט מים לאור מהבהב ולהתחיל את ההקלטה. חזור על ההדמיה כמה פעמים ככל הרצוי לכל הגדרת אולטרסאונד, העברת מחזיק המדגם לפחות שני מילימטרים לשדה ראייה המכיל microbubbles לא קולי עבור כל ניתוח. להדמיה מיקרוסקופית פלואורסצנטית של המיקרו-בובלים, לאחר דילול תמיסת המיקרו-חלוקים מלוחים חוצצים של פוספט כפי שהודגם, קבעו את תדר הנהיגה האולטרה-סאונד הרצוי והלחץ האקוסטי על מחולל צורת הגל השרירותי והגדירו את השהיית ההדק ללייזר במחולל עיכוב הדופק לערעור פלואורסצנטי של הננו-חלקיקים מהמיקרו-ביבובים, ואז השתמשו בשלב XYZ כדי להזיז את מחזיק המדגם כדי לאתר מיקרו-חלוקים בודדים ולהביא אותם למוקד של המטרה, ואז הפעל את ההקלטה.
חזור על ההדמיה כרצונך על ידי שינוי הגדרות האולטרסאונד והעברת מחזיק המדגם לשדה הראייה החדש כפי שהודגם. להדמיה באמצעות מיקרוסקופיה תוך-ויאלית, מקם תחילה בעל חיים מחומם על במת מיקום XY בין מדריך הגל למטרה והוסף ג'ל צימוד למדריך הגלים. הכנס צנתר וריד זנב לתוך הווריד האחורי של עכבר נושא גידולים מרדים והכנס את העכבר מצויד בתא חלון לתוך המחזיק המחומם.
מוסיפים טיפת מים לכיסוי. כדי לדמיין את vasculature רקמת הגידול, תוך ורידי להזריק 30 microliters של ארבעה מיליגרם למיליליטר פלואורסצנטרית שכותרתו 2 מגהדלטון dextran לתוך צנתר וריד הזנב ולהשתמש בשלב התרגום XY כדי להזיז את העכבר עד שדה ראייה עם כלי דם מתאימים ניתן לאתר. התאם את קצב הפריימים, שדה הראייה ואורך ההקלטה בהתאם לפרמטרים של הניסוי והקלט תמונות בסיסיות של כלי השיט.
כאשר התמונות הבסיסיות נרכשו, להגדיר את תדר נהיגה אולטרסאונד, אורך הדופק, משרעת לחץ אקוסטי על גנרטור צורת גל שרירותי ולהזריק תוך ורידי 50 microliters של דגימת microbubble לתוך הווריד הזנב. לאחר מכן תצלם את כלי היתווה כפי שהודגם. ניתוח המיקרו-נבלים על ידי מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות קונפוקלית חושף התפלגות חלקיקים לא אחידה של קליפת המיקרו-יבל.
ניתן לדמיין עוד יותר את המבנה הכולל של המיקרו-יבלים על ידי סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים. ניתוח הדינמיקה הרדיאלית וההתנהגות הפנומנולוגית של מיקרו-נבל יזום על ידי מיקרוסקופיית ברייטפילד מאפשר הערכת שווי של השינוי היחסי ברדיוס המיקרו-חלוק לאורך זמן. כאן, מוצג רצף תמונה של משלוח מוצלח טיפוסי של חלקיקים בעלי תווית פלואורסצנטית.
ניתן להבחין בננו-חלקיקים המוטבעים במעטפת המיקרו-חלוקים לפלורסצ'ה כאשר אור הלייזר מגיע לבועה. כפי שנצפה במשלוח לא מוצלח זה, עם זאת, חלקיקי פלואורסצנטי אור על הקליפה של microbubble, אשר נשאר שלם במהלך החשיפה אולטרסאונד. הדמיה רב-פוטונית תוך-ויאלית יכולה לשמש כדי לקבוע את הפזרנות המרחבית והזמןית של הננו-חלקיקים במהלך חשיפה לאולטרסאונד, אשר יכול להיות מועיל להבנה ואופטימיזציה של המנגנונים הבסיסיים של משלוח ננו-חלקיקים בתיווך אולטרסאונד.
עם היישור המושלם של המסלולים האופטיים והאקוסטיקה בכל סולמות אורך וזמן, תובנה מקיפה על משלוח סמים המופעל על ידי אולטרסאונד מסופקת. התשובות שימסרו הניסויים הרב-קנה המידה שלנו יתורגמו כעת לפרקטיקה קלינית. התוצאות יספקו תובנות חשובות למגוון יישומים טיפוליים, כולל טיפול בסרטן.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקולים לביצוע אפיון של התגובה של מיקרו-בועיות מסומנות בפלואורסצנטיות המשמשות במשלוח תרופות המאותת באולטרסאונד. הוא מפרט טכניקות מיקרוסקופיות שונות לניתוח מנגנוני הפעלה ואפקטים ביולוגיים בקנה מידה מרחבי וזמני שונים.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- משלוח תרופות המאותת באולטרסאונד
- טכניקות מיקרוסקופיות
- הדמיה פלואורסצנטית
רקע
- מיקרו-בועיות יכולות לשפר את משלוח התרופות באמצעות אולטרסאונד.
- הבנת התנהגותן חיונית לאופטימיזציה של יישומים טיפוליים.
- טכניקות הדמיה שונות מספקות תובנות לגבי הדינמיקה של מיקרו-בועיות.
- שילוב ניתוח מרחבי וזמני הכרחי למחקר מקיף.
מטרת המחקר
- לאפיין את מנגנוני ההפעלה של מיקרו-בועיות.
- להעריך את ההשפעות הביולוגיות של אולטרסאונד על משלוח תרופות.
- להשתמש בטכניקות הדמיה רב-קנטיות לניתוח מפורט.
שיטות ששימשו
- מיקרוסקופיה בשדה בהיר לצילום של בועיה בודדת.
- מיקרוסקופיה פלואורסצנטית לצפייה בהתנהגות ננו-חלקיקים.
- מיקרוסקופיה אינטרוויטלית להדמיה של כלי דם בגידולים.
- מיקרוסקופיה פלואורסצנטית קונפוקלית לניתוח חלוקת החלקיקים.
תוצאות עיקריות
- נצפתה חלוקה לא אחידה של מעטפות מיקרו-בועיות.
- הוכח משלוח מוצלח של ננו-חלקיקים תחת אולטרסאונד.
- הדמיה אינטרוויטלית חשפה את הדינמיקה המרחבית והזמנית של חדירת הננו-חלקיקים.
- התובנות שהושגו יכולות להודיע על יישומים קליניים בטיפול בסרטן.
מסקנות
- הושגה הבנה מקיפה של מנגנוני משלוח התרופות המאותת באולטרסאונד.
- התוצאות מספקות תובנות חשובות ליישומים טיפוליים.
- מחקרים עתידיים יתרגמו את הממצאים לפרקטיקה קלינית.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Understanding ultrasound-triggered drug delivery requires multi-scale characterization of microbubble behavior to de-risk therapeutic mechanisms. This protocol enables predictive confidence in nanoparticle release dynamics across spatial and temporal scales, supporting go/no-go decisions in early discovery. The approach addresses a critical inflection point in portfolio advancement by linking mechanistic insights to translational outcomes in cancer therapy applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogate therapeutic hypotheses by visualizing nanoparticle distribution within microbubble shells to clarify payload localization mechanisms.
- Operational Value: Enable biological de-risking through direct observation of shell integrity and payload retention under controlled ultrasound exposure.
- Predictive Value: Support target validation by correlating ultrasound parameters with nanoparticle release efficiency for mechanistic de-risking.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepare validated microbubble-nanoparticle systems for standardized ultrasound response testing using fluorescence and bright-field microscopy.
- Quantitative Outputs: Generate measurable radial dynamics and fluorescence intensity readouts to enable compound or formulation screening.
- Platform Scalability: Establish reproducible imaging workflows across 10 million fps bright-field and 500,000 fps fluorescence modalities for high-content analysis.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Model tumor vasculature response using intravital microscopy in dorsal skinfold window chambers to study extravasation over several minutes.
- Translational Continuity: Bridge in vitro release mechanisms to in vivo nanoparticle distribution in vasculature and perivascular space.
- Risk-Adjusted Advancement: Inform preclinical go/no-go decisions by quantifying nanoparticle extravasation kinetics as a biomarker of delivery efficiency.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification to preclinical assessment by providing multi-scale imaging data that informs mechanistic understanding and formulation optimization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of ultrasound-triggered release by visualizing nanoparticle localization and shell dynamics at single-bubble resolution.
- Screening: Enables assay readiness through standardized preparation and imaging of microbubble suspensions under defined ultrasound parameters.
- Analytics: Delivers quantitative measurements of radial change over time and fluorescence emission profiles to compare formulation conditions.
- Translational Research: Connects in vitro shell disruption observations to in vivo vascular extravasation events via intravital multi-photon imaging.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform applicable across microbubble formulations and ultrasound settings for portfolio-wide de-risking.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in drug release mechanisms through direct visualization of nanoparticle distribution and shell response.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility across microscopy modalities for cross-functional team alignment.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early mechanistic de-risking of ultrasound-triggered delivery systems.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization of formulations based on quantifiable release kinetics and extravasation efficiency.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound physics, microscopy operation, and nanoparticle formulation handling.
- Depends on access to high-speed bright-field (10M fps) and fluorescence (500k fps) imaging systems coupled to arbitrary waveform generators.
- Necessitates standardization of sample preparation, dilution in PBS, and holder positioning to prevent artifacts across imaging sessions.
- Involves adaptation considerations for different microbubble shell compositions, nanoparticle types, and ultrasound frequencies.
- Involves practical limitations including microbubble stability during handling and the need for precise optical-acoustical alignment at all scales.
