MULTIBUBBLE - Multifunctional microbubbles for improved image-based diagnosis and drug delivery

I dette prosjektet har vi utviklet en teknologiplattform basert på mikrobobler dekket med et lag av biodegraderbare nanopartikler. Hver enkelt mikroboble er dekket med et par tusen nanopartikler og nanopartiklene bærer med seg et terapeutisk medikament. Mikroboblene injiseres inn i blodstrømmen og vil der fungere som et kontrastmiddel for ultralyd slik at man kan avbilde små blodkar. Vi har hatt et spesielt fokus på avbildning av mikrobobler ved høye frekvenser, noe som generelt er en utfordring. Romlig oppløsning i ultralydbildet øker med økende ultralydfrekvens, så høye frekvenser vil gi bedre oppløsning, noe som er viktig når man skal avbilde små blodkar. Den utsendte ultralydintensiteten kan økes lokalt innenfor et sykdomsområde, noe som fører til destruksjon av mikroboblene med en resulterende midlertidig økning av den vaskulære permeabiliteten der boblene destrueres. Ved destruksjon av mikroboblene vil nanopartiklene som var festet til mikroboblene frigjøres og de kan så levere sin terapeutiske last på stedet med sykdom ved hjelp av biodegradering. Innkapsling av terapeutiske medikamenter i nanopartiklene har vært en sentral oppgave. Nanopartiklene må være i stand til å stabilisere mikrobobler også etter at de har blitt lastet opp med et ønsket medikament. Vi har testet innkapsling av ulike typer cellegift samt hydrocortisone. For flere typer cellegift (f.eks Taxaner) har innkapslingen i våre nanopartikler vært vellykket. Med hydrocortisone var det ikke mulig å få til en vellykket innkapsling og dette stoffet er altså ikke kompatibelt med vår plattform. Vi har foreløpig valgt å fokusere på innkapsling av Taxaner siden det generelt er knyttet en del problemer til Taxaner som medikament grunnet lav løselighet i vann. Nanopartiklene har blitt karakterisert i form av størrelse, størrelsesfordeling, ladning, aggregering samt morfologi. Innkapsling av terapeutiske medikamenter og PEGylering har blitt verifisert og kvantifisert. Vi har utviklet et system for akustisk karakterisering av mikrobobler hvor akustisk attenuasjon samt tilbakespredning kan kvantifiseres. Mikroboblene har med dette systemet blitt karakterisert og sammenlignet med kommersielle mikrobobler. Stabilitet og lang sirkulasjonstid i blod er viktig for mikroboblene, spesielt i et terapeutisk perspektiv. Dette har vært en krevende oppgave og vi har variert ulike parametre som størrelse av både nanopartikler og mikrobobler, type surfaktant, type og mengde av PEG (polyethylene glycol) samt type gass. Vi har kommet frem til en kombinasjon som gir mikrobobler med betydelig forlenget sirkulasjonstid i blod sammenlignet med det kommersielle kontrastmiddelet SonoVue. En kvantitativ ultralydmetode, basert på pulset Doppler, har blitt utviklet for evaluering av in vivo sirkulasjonstid for mikroboblene. In vitro studier av toksisitet har blitt utført og preliminære tester av toksisitet i mus er også gjennomført. Biodistribusjon samt sirkulasjonstid i blod for både nanopartikler og mikrobobler har blitt undersøkt i mus. Et system for optisk høyhastighetsavbildning har blitt brukt til å foreta observasjoner av interaksjoner mellom mikrobobler og celler i ulike akustiske felt. Resultatene er sammenlignet med tilsvarende observasjoner for kommersielle mikrobobler. Preliminære tester med cellegift innkapslet i nanopartiklene har blitt gjennomført for et par ulike tumormodeller (bryst, prostata) på mus. Basert på resultatene fra disse testene har vi valgt en tumormodell som vil bli brukt videre i et større proof-of-concept studie som vil gjennomføres i et annet relatert prosjekt. Vi har videreutviklet, optimalisert og testet to nye ultralyd avbildningsteknikker for bedre avbildning av mikrobobler ved høye frekvenser samt for avbildning av mikrobobler som ikke er sterkt resonante (f.eks grunnet et tykt skall). Eksisterende teknikker for avbildning av mikrobobler har begrensninger både for avbildning ved høye frekvenser generelt samt for avbildning av mikrobobler der skallet introduserer betydelig stivhet eller dempning (f.eks grunnet et tykt skall).

The combination of ultrasound and microbubbles is unique for in vivo imaging of the micro-circulation and hence for detecting and visualizing neo-angiogenesis within soft tissue. In the adult body, small microscopic tumours are highly prevalent. The vast majority of these tiny malignant masses will be quiescent and never cause any macroscopic disease. However, some of them will turn into a potentially life-threatening disease. The onset of tumour neo-angiogenesis marks a transition in tumour progression from a dormant state to a rapidly growing and potentially life-threatening state. Similarly for atherosclerosis, it is believed that intraplaque neo-angiogenesis could be a hallmark of vulnerable plaques. However, commercially available thin-shelled microbubbles imaged with conventional ultrasound imaging techniques have several limitations with respect to fragility, blood circulation time, multi-functionality, capacity for drug loading and detectability at high imaging frequencies. To simultaneously utilize the great potential and overcome important limitations found with conventional microbubble-based contrast agents, the project MULTIBUBBLE aims to develop a novel multifunctional microbubble platform that is completely different from available agents. Our platform based on microbubbles stabilized by nanoparticles is unique and potent, combining the strengths of nanoparticles and microbubbles. For robust ultrasound-based imaging and drug delivery with these new and radically different microbubbles, novel ultrasound technology must also be developed. The project will explore knowledge and combine frontiers in nanomaterial science and ultrasound technology to improve diagnosis and therapy of major diseases such as cancer and atherosclerosis. By developing new knowledge within nano material science and ultrasound technology, translating this knowledge into highly relevant clinical applications, this project will have a profound clinical and social impact.