Ультразвук популярный метод визуализации внутренних органов, поскольку может отображать ткани в глубоких областях, которые не могут визуализировать другие диагностические методики по тем или иным причинам.
Применение контрастных препаратов при УЗИ значительно улучшает качество изображения, и позволяет увеличить диагностическую точность в несколько раз. Но существующие контрастные агенты имеют ряд недостатков, которые уменьшают их эффективность, а именно «большие» размеры частиц, нестабильность и нецелевое накопление.
Группа ученых из Калифорнийского технологического института под руководством Михаила Шапиро показали, как наноструктуры, содержащие газ, а именно газовые везикулы отдельных микроорганизмов, могут помочь в улучшении контрастных препаратов для УЗИ.
Ультразвуковая визуализация структур тела получается при помощи акустических волн высокой частоты, которая позволяет отображать объекты размером от 10 до 100 микрометр. В настоящее время используются контрастные препараты на основе микропузырьков газа в липидной оболочке.
Профессор Шапиро сказал: «Очень трудно создать устойчивые наноструктуры, содержащие пузырьки газа. Вся трудность заключается в поверхностном натяжении. Большое поверхностное натяжение уменьшает стабильность частицы, а при малом уменьшается эластичность».
«Нам необходима структура оболочки, которая обладает прочностью и эластичностью. Этими свойствами обладает различные белковые соединения, в том числе белковая оболочка газовых везикул некоторых микроорганизмов».
Газовые везикулы представляют собой пузырьки, наполненные газом, в клетках отдельных микроорганизмов. Они способствуют развитию плавучести, что помогает в борьбе за свет и питательные вещества. Газовые везикулы в одноклеточных уже давно известны ученым, но никогда не использовались на практике. Профессор говорит, что эти наноструктуры решили проблему с поверхностным натяжением малых частиц. Через микропоры в оболочке газ свободно перемещается, уравнивая внешние и внутреннее давление.
Более того, исследование показывает, что газовые везикулы двух микроорганизмов имеют различные свойства. Ученые обнаружили, что газовые везикулы, продуцируемые бактериями Halobacterium NRC-1, вызывают гармонические колебания под действием акустического излучения, значительно усиливающие контрастность визуализации. А газовые везикулы микроводорослей Anabaena flos-aquae более стабильны, но не продуцируют гармонических колебаний.
Большая устойчивость газовых везикул сине-зеленых водорослей к разрушению позволяют исследователям функционализировать их с протеином биотином. Другой протеин стрептавидин имеет очень сильное сходство с биотином и помогает формировать кластеры с везикулами, которые усиливают отражение ультразвукового сигнала.
Шапиро считает, что ответ этих кластеров может использоваться при ультразвуковых методах исследования аналогично агрегационных частиц, которые используется при магнитно-резонансной томографии. В зависимости от типа ультразвукового исследования будут использоваться различные виды газовых везикул.
В настоящее время исследователи работают над силой отраженного сигнала и возможности кумуляции при различных злокачественных новообразованиях. Кроме того, проходит испытание на токсичность новых контрастных препаратов. Введенные препараты оказались совершенно безопасны для лабораторной мыши, но требуется проверка безопасности на других видах млекопитающих.
Доктор Шапиро говорит, что использовать газовых везикул микроорганизмов для улучшения качества УЗИ это первый шаг. В дальнейшем планируется разработать вещества, которые стимулирую образование газовых везикул в самих исследуемых тканях.
Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology
Запрос принят, в ближайшее время мы свяжемся с Вами!