Este artigo descreve um método para produzir microbolhas revestidas com fosfolipídios monodispersos usando um dispositivo de foco de fluxo microfluídico à temperatura ambiente, incluindo como preparar a formulação do revestimento fosfolipídico.
Artigo de método
Este artigo descreve um método para produzir microbolhas revestidas com fosfolipídios monodispersos usando um dispositivo de foco de fluxo microfluídico à temperatura ambiente, incluindo como preparar a formulação do revestimento fosfolipídico.
As microbolhas monodispersas demonstraram um potencial significativo no aumento da eficácia dos agentes de contraste de ultrassom para aplicações terapêuticas e de imagem. Essas microbolhas podem ser produzidas diretamente usando um método de foco de fluxo microfluídico, que permite um controle preciso sobre seu tamanho. No entanto, evitar a coalescência durante a produção continua sendo um desafio crítico. Embora temperaturas de produção elevadas (por exemplo, 55 °C) possam suprimir a coalescência, tais condições complicam o design do dispositivo microfluídico e podem ser incompatíveis com agentes direcionados e conjugados de medicamentos. Este protocolo descreve um método para produzir microbolhas revestidas com fosfolipídios monodispersos à temperatura ambiente, com a estabilidade e monodispersidade das microbolhas mantidas por pelo menos 7 dias. O protocolo também descreve a fabricação de chips microfluídicos PDMS reutilizáveis e a preparação da formulação de revestimento fosfolipídico contendo o surfactante Pluronic F68. Nossos achados mostram que as microbolhas produzidas usando esse método mantêm seu tamanho e estabilidade ao longo de 7 dias, apoiando sua aplicabilidade futura em ambientes clínicos onde agentes de contraste de ultrassom estáveis e controláveis são essenciais.
Os agentes de contraste ultrassônico (UCA) são amplamente utilizados em ecografia clínica e aplicações terapêuticas 1,2,3. Administradas por via intravenosa, essas microbolhas permanecem confinadas no sistema vascular, atuando como agentes de pool sanguíneo 4,5. Uma concha estabilizadora reveste as microbolhas e reduz a difusão do gás impulsionada pela pressão de Laplace, prolongando assim a vida útil da microbolha 3,6. Quando expostas ao ultrassom, as microbolhas começam a oscilar e produzem ecos fortes devido à compressibilidade do núcleo gasoso 7,8. A oscilação é mais pronunciada na frequência de ressonância da microbolha, que é influenciada pelo tamanho da microbolha e pelas propriedades da casca 9,10,11. A ACU clinicamente aprovada geralmente consiste em microbolhas polidispersas com uma ampla distribuição de tamanho, geralmente variando de aproximadamente 0,5 a 10 μm de diâmetro 12,13,14. Essa ampla distribuição de tamanho leva a uma ampla gama de frequências nas quais essas microbolhas são ressonantes. Dado que as sondas de ultrassom clínico normalmente operam em uma largura de banda de frequência estreita, apenas um subconjunto da população UCA ressoa efetivamente15. As microbolhas monodispersas, que têm uma distribuição de tamanho estreita (por exemplo, PDI 3 ~ 10% 16 , 17), demonstraram aumentar o diagnóstico e a terapia em comparação com as microbolhas polidispersas. Para imagens de ultrassom com contraste, a intensidade aumentou em duas a três ordens de magnitude18, enquanto a sensibilidade para detecção de pressão não invasiva por meio de sinais sub-harmônicos foi quase dobrada 19,20,21, e a eficiência de entrega de medicamentos foi aumentada em quase uma ordem de magnitude 22. Consequentemente, a produção de microbolhas monodispersas com uma distribuição de tamanho estreita e, portanto, resposta acústica é fundamental para maximizar seu potencial para imagens de ultrassom e aplicações terapêuticas, onde as oscilações controladas de microbolhas são críticas.
As microbolhas monodispersas podem ser produzidas por meio de vários métodos, como decantação23, filtração mecânica24 e centrifugação de um agente de microbolhas polidispersas25. No entanto, alcançar um controle de tamanho preciso e alta monodispersidade continua sendo um desafio com essas técnicas26. Uma abordagem alternativa e mais controlada é a produção direta de microbolhas monodispersas usando um dispositivo de foco de fluxo microfluídico. Nesse processo, um fio de gás é focado entre dois fluxos de lipossomas aquosos em um chip microfluídico, levando a um pinçamento reprodutível do fio de gás, o que permite a produção em alta velocidade de microbolhas monodispersas no tamanho desejado27. Embora os métodos de focalização de fluxo tenham sido amplamente utilizados para a produção de gotículas monodispersas28,29, sua aplicação na produção de microbolhas monodispersas é menos comum devido à dificuldade de prevenir a coalescência e manter adequadamente a estabilidade a longo prazo em termos de tamanho, monodispersidade e concentração30. A coalescência, onde várias microbolhas se fundem em outras maiores, afeta a monodispersão. Foi demonstrado que temperaturas de produção elevadas reduzem a coalescência31, mas isso complica o projeto do sistema microfluídico e pode não ser adequado para formulações envolvendo agentes direcionados ou conjugados de medicamentos. Portanto, produzir microbolhas monodispersas à temperatura ambiente seria vantajoso. Igualmente importante é o método de armazenamento dessas microbolhas monodispersas, pois as microbolhas revestidas com fosfolipídios tendem a encolher, colapsar e perder sua monodispersidade ao longo do tempo32. Garantir a estabilidade a longo prazo, durante vários dias, durante o armazenamento é fundamental para traduzir a tecnologia de microbolhas monodispersas em aplicações clínicas.
Neste protocolo, descrevemos um método para a produção de microbolhas monodispersas revestidas com fosfolipídios usando uma plataforma microfluídica de foco de fluxo à temperatura ambiente. Este método é compatível com taxas de fluxo de lipídios que variam de 13-42 μL/min e é projetado para uso em temperatura ambiente, tornando-o adequado para laboratórios que não possuem controle de temperatura em seu sistema microfluídico. O protocolo utiliza uma formulação fosfolipídica composta por 1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC), 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[carbonil-metoxipolietilenoglicol] (DPPE-PEG5000) e Pluronic F68, o que garante estabilidade e reprodutibilidade. O protocolo fornece instruções passo a passo sobre a fabricação de chips microfluídicos PDMS reutilizáveis, preparação das soluções de revestimento fosfolipídico e incorporação do surfactante Pluronic F68 para evitar a coalescência de microbolhas durante a produção à temperatura ambiente. Ele também detalha os procedimentos para limpar o sistema microfluídico para evitar o entupimento do bico, ajustar a pressão do gás e a taxa de fluxo de líquido para controlar o tamanho das microbolhas e coletar e armazenar as microbolhas produzidas para estabilidade a longo prazo. Este método oferece uma abordagem prática para gerar microbolhas monodispersas estáveis com controle preciso de tamanho à temperatura ambiente.
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1. Fazendo filmes lipídicos
NOTA: A mistura lipídica para a produção de microbolhas monodispersas é formulada com uma mistura binária de DSPC e DPPE-PEG5000 a uma razão molar de 90:10. O DSPC foi escolhido como o principal lipídio porque demonstrou fornecer estabilidade superior contra a dissolução gasosa em microbolhas polidispersas33,34 e monodispersas31. Supõe-se que essa estabilidade aprimorada resulte de sua temperatura de transição de fase cristalina gel-líquido relativamente alta de 55 ° C35, que é maior do que a de outros lipídios comumente usados, como DPPC (~ 41 ° C) 35, levando assim a uma camada lipídica mais rígida e impermeável à temperatura ambiente36. Aqui, é demonstrado um exemplo de preparação de uma solução de revestimento fosfolipídico de 3 mL. Para atingir uma concentração final de fosfolipídios de 20 mg / mL, que é uma concentração típica para a produção de microbolhas monodispersas,são necessários 16,17, 60 mg de fosfolipídios. A quantidade desejada de cada componente fosfolipídico é dada na Tabela 1.
2. Fabricação de chips microfluídicos com foco de fluxo
NOTA: As microbolhas monodispersas são produzidas usando um chip microfluídico de foco de fluxo, conforme ilustrado na Figura 1A. Um esquema da geometria do canal microfluídico, incluindo as dimensões do bico e da saída, é fornecido na Figura Suplementar S1. Um protocolo de fabricação detalhado para fotolitografia baseada em SU-8 usado para preparar esses moldes foi descrito anteriormente37 e pode ser encontrado como Informações Suplementares a este protocolo. O processo de fabricação do chip PDMS é descrito nas etapas a seguir.
3. Preparação da solução de revestimento fosfolipídico
4. Preparação do frasco de coleta de microbolhas
NOTA: Para garantir o armazenamento a longo prazo de microbolhas monodispersas, é necessário um frasco médico à prova de gás como frasco de coleta.
5. Preparação da plataforma microfluídica
NOTA: Conforme ilustrado na Figura 3A, o sistema compreende a plataforma microfluídica Horizon37 (doravante denominada 'plataforma microfluídica'), um computador para controle, uma câmera de alta velocidade para monitorar o processo de produção, uma fonte de luz externa de diodo emissor de luz (LED) para iluminação durante imagens de alta velocidade e um gerador de forma de onda de função para acionar imagens de alta velocidade em intervalos específicos durante a produção. Antes de iniciar a produção de microbolhas, o dispositivo deve ser limpo para reduzir a probabilidade de entupimento do bico. O procedimento de limpeza envolve tanto a tubulação quanto o chip microfluídico.
6. Configuração de imagens de alta velocidade
NOTA: Para monitorar e controlar a produção de microbolhas monodispersas, recomenda-se integrar uma câmera de alta velocidade com a plataforma microfluídica, pois a microbolha será produzida a uma taxa de produção superior a 105 microbolhas/s. A câmera de alta velocidade permite a medição do tamanho e da taxa de produção das microbolhas no chip, bem como o monitoramento da coalescência das microbolhas no chip.
7. Produção e caracterização de microbolhas monodispersas
8. Procedimento de limpeza e desligamento
NOTA: Após a produção de microbolhas, a plataforma microfluídica e o chip devem ser completamente limpos para garantir o funcionamento adequado e permitir a reutilização do chip. As etapas a seguir descrevem o processo de limpeza.
9. Etapas de solução de problemas
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Neste protocolo, apresentamos um método para produzir microbolhas estáveis e monodispersas à temperatura ambiente usando um chip microfluídico de foco de fluxo. O chip PDMS é fabricado por fundição a partir de um molde mestre, conforme mostrado na Figura 1. Para unir o chip PDMS a uma lâmina de vidro, o tratamento com plasma é empregado. O tratamento com plasma é crucial, pois altera a superfície do PDMS de hidrofóbica para hidrofílica. Essa hidrofilicidade é essencial para manter a forma e ...
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Este protocolo descreve em detalhes como produzir e armazenar microbolhas monodispersas estáveis à temperatura ambiente usando um chip de foco de fluxo microfluídico. A microbolha monodispersa pode ser usada para imagens de ultrassom com contraste18, detecção de pressão não invasiva19 e administração de medicamentos mediada por microbolhas22, tanto in vitro quanto in vivo.
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Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi financiado em parte pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do Programa de Pesquisa e Inovação Horizonte 2020 da União Europeia (Grant Agreement 805308) e em parte pelo Applied and Engineering Sciences TTW (VIDI-project 17543), parte da NWO, ambos concedidos a K.K. A Plataforma Microfluídica Horizon foi desenvolvida com financiamento de doações do EPSRC (Grant Nos. EP/I000623 e EP/K023845). Os autores agradecem ao Microbubble Consortium (http://www.microbubbles.leeds.ac.uk/) da Universidade de Leeds pelas discussões úteis, bem como a Stuart Weston e Andrew Price por sua ajuda na conceituação do instrumento e na produção de peças para a Horizon Microfluidic Platform. O molde mestre para a fabricação dos chips PDMS foi gentilmente cedido pela Universidade de Leeds. Os autores agradecem a Robert Beurskens, do Departamento de Engenharia Biomédica, Departamento de Cardiologia, e Geert Springeling, do Departamento de Instrumentação Médica Experimental, ambos do Erasmus MC, Holanda, pela assistência técnica durante os experimentos.
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| punção de biópsia de 1 mm | Kai Médico | 143831 | |
| 1,1'-dioctadecil-3,3,3',3'-tetrametilindodicarbocianina (DiD) | Thermo Fisher Scientic | D307 | um corante de carbocianina lipofílico |
| 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfoetanolamina-N-[carbonil-metoxipolietilenoglicol] (DPPE-PEG5000) | Lipoide | Nº CAS. 384835-61-4 | |
| 1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfocolina (DSPC) | Lipoide | Nº CAS. 816-94-4 | |
| Cilindro medidor de vidro de 100 mL | BLAUBRAND | ||
| Balões de vidro volumétricos de 2 mL | BLAUBRAND | ||
| Erlenmeyer de vidro de 250 mL | BLAUBRAND | ||
| Frasco de vidro de 30 mL | DWK Ciências da Vida | SCERC40752700D0C2 | |
| 70% de etanol | |||
| 75 ° Placa de aquecimento C | |||
| Fita adesiva | |||
| Tampa de alumínio | Sigma-aldrich | 27016 | |
| Gás argônio | Linde Gas Benelux | ||
| C4F10 gás | F2 Produtos Químicos | ||
| Clorofórmio | Merck KGaA | 67-66-3 | |
| Clinicamente disponível agente de contraste ultrassônico (ou seja, microbolhas) | Bracco, Plan-LesOuates, Suíça | SonoVue | Figura 6A. |
| Agulha 19G de coleta e ventilação | 100 Sterican | 4657799 | |
| Contador de relha Multisizer 3 | Beckman Coulter | Máquina de caracterização de partículas | |
| Agente de contraste de ultrassom feito sob medida (ou seja, microbolhas monodispersas) | NA | F1-10PF | Figura 6A. Produzido conforme descrito por: Wang, Y. et al. Influência do Pluronic F68 na estabilidade do tamanho e no comportamento acústico de microbolhas revestidas com fosfolipídios monodispersos produzidas à temperatura ambiente. ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 8976−8986. (2025). |
| Agente de contraste de ultrassom feito sob medida (ou seja, microbolhas monodispersas) | NA | F2-10 PF | Figura 6A. Produzido conforme descrito por: Wang, Y. et al. Influência do Pluronic F68 na estabilidade do tamanho e no comportamento acústico de microbolhas revestidas com fosfolipídios monodispersos produzidas à temperatura ambiente. ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 8976−8986. (2025). |
| Água Demi | |||
| Luz LED externa | GSVITEC | GS02370 | |
| Liofilizador | Mertin Christ GmbH | Alfa 1– 2 LD mais | |
| Gerador de forma de onda de função | Agilent | 33220UMA | |
| Frasco de vidro à prova de gás | Sigma-aldrich | Z113964-288EA | |
| Corrediça de vidro | VWR | 631-1552 | |
| Câmera de alta velocidade | Photron | Nova S16 | |
| Plataforma microfluídica Horizon | Universidade de Leeds, Inglaterra | A plataforma está disponível comercialmente e descrita em detalhes em: Abou-Saleh, R. H. et al. Horizon: Plataforma microfluídica para a produção de microbolhas e nanobolhas terapêuticas. Revisão de Instrumentos Científicos. 92 (7), 074105 (2021). | |
| Laboratório de Matemática | A MathWorks | R2023a | |
| Metanol | Merck KGaA | 67-56-1 | |
| Água Milli-Q | |||
| Gel PDMS | SILGARD | SYLGARD® 184 | |
| Solução salina tamponada com fosfato (PBS 1x) | Gibco | 10010023 | |
| Limpador de plasma | Henniker Científico | HPT-100 | |
| Plurônico F68 | Thermo Fisher Científico | 24040032 | |
| Rolha de borracha | Sigma | Z166065-100EA | |
| Tubulação | Masterflex | MFLX06407-41 | PTFE, 1/32" ID x 1/16" OD; 25 pés |
| Pinça | |||
| Vórtice | Sigma-aldrich | Z654779 | |
| Sonicador em banho-maria | EMAG | EMMI 30HC |
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