Ultrasound sensitive oxygen nanobubbles

Hipoksja, czyli stan niedotlenienia jest cechą charakterystyczną mikrośrodowiska guzów nowotworowych. Obniżony poziom tlenu wynika z utrudnionej perfuzji w naczyniach krwionośnych guza i braku dystrybucji tlenu do komórek nowotworowych położonych daleko od naczyń. Hipoksja wpływając na podstawowe szlaki sygnałowe rozregulowuje procesy proliferacji, metabolizmu i migracji komórkowej. Zmiany te wraz z niskim poziomem tlenu działają negatywnie na skuteczność powszechnie stosowanych terapii przeciwnowotworowych. Z tego powodu trwają prace nad znalezieniem efektywnej metody poprawiającej natlenowanie. Obiecującym narzędziem wydają się być nanopęcherzyki tlenu, które pod wpływem impulsu ultradźwiękowego ulegają procesowi kawitacji i miejscowo uwalniają zawarty w swoim wnętrzu tlen. Mikro- i nano-pęcherzyki wykorzystywane są obecnie jako doskonały środek kontrastowy podczas obrazowania ultrasonograficznego. Do zbadania ich potencjalnych właściwości terapeutycznych wykorzystano spektroskopię elektronowego rezonansu paramagnetycznego, pozwalającą na pomiary poziomu tlenu w czasie rzeczywistym oraz model indukcji nowotworu piersi z linii komórkowej 4T1 inokulowanej ortotopowo do pakietu mlecznego samic szczepu Balb/c. Celem pracy jest potwierdzenie właściwości kontrastowych badanych nanopęcherzyków tlenu oraz weryfikacja ich wrażliwości na ultradźwięki i sprawdzenie hipotezy, czy stanowią one skuteczną metodę podnoszenia ciśnienia parcjalnego tlenu w tkankach zwierzęcych. Pierwszym etapem pracy było sprawdzenie stabilności i rozmiaru badanych nanopęcherzyków. Wykonane pomiary metodą dynamicznego rozproszenia światła wskazały, że średni rozmiar pęcherzyków nie przekracza wartości 400 nm w przeciągu 90 minut od ich aktywacji, co pozwala na ich bezpieczne wykorzystanie w badaniach in vivo. Doświadczenia z wykorzystaniem analizatora ruchu nanocząsteczek pokazały spadek rozmiaru nanopęcherzyków do 65 nm po ekspozycji na impuls ultradźwiękowy. W obrazowaniu USG potwierdzono właściwości kontrastowe pęcherzyków i zanotowano istotny wzrost średniego poziomu szarości rejestrowanych obrazów. Pomiary tlenometryczne EPR in vivo w końcowym etapie pracy nie wykazały skuteczności nanopęcherzyków tlenu w zwiększaniu poziomu tlenu w tkankach zwierzęcych. Zaobserwowano jedynie pojedyncze przypadki efektywnego wzrostu ciśnienia parcjalnego tlenu w guzie. Konieczne są dalsze badania mające na celu optymalizację procesu aktywacji nanopęcherzyków tlenu.

Hypoxia is a characteristic feature of the microenvironment of cancer tumors. Reduced oxygen levels result from impaired perfusion in tumor blood vessels and lack of oxygen distribution to deep-seated cancer cells. Hypoxia affects basic signaling pathways and dysregulates the processes of cell proliferation, metabolism and migration. These changes, along with low oxygen levels, have a negative effect on the effectiveness of commonly used anticancer therapies. There are many efforts to find an effective method to enhance oxygen level in tumors. Oxygen nanobubbles seem to be a promising tool, as they undergo cavitation under the influence of an ultrasonic pulse and locally release the oxygen. Micro- and Nano-bubbles are currently used as an excellent contrast agents during ultrasound imaging. To investigate their potential therapeutic properties, electron paramagnetic resonance spectrometry was used, which allows real-time measurements of oxygen levels, and a model of 4T1 breast cancer orthotopically grown in the mammary fat-pad of Balb/c strain females. The aim of the work is to confirm the contrast properties of the oxygen nanobubbles and to verify their sensitivity to ultrasound and to test the hypothesis whether they are an effective method of increasing the partial pressure of oxygen in animal tissues. The first stage of the work was to check the stability and size of the tested nanobubbles. The dynamic light scattering measurements showed that the average size of the vesicles does not exceed 400 nm within 90 minutes of their activation, which allows them to be safely used in in vivo studies. Experiments using a nanoparticle tracking analyzer showed a decrease in the size of nanobubbles to 65 nm after exposure to an ultrasonic pulse. In subsequent experiments, the contrast properties of the bubbles were confirmed during ultrasound imaging and a significant increase in the average signal of the recorded images was noted. In vivo oxymetric EPR measurements at the final stage of the work did not demonstrate the effectiveness of oxygen nanobubbles in increasing the oxygen level in animal tissues. Only single cases of an effective increase in the partial pressure of oxygen in the tumor have been observed. Further research is necessary to optimize the activation process of oxygen nanobubbles.