L'imaging a ultrasuoni viene utilizzato in tutto il mondo per aiutare a visualizzare i bambini in via di sviluppo e diagnosticare le malattie. Le onde sonore rimbalzano sui tessuti, rivelando le loro diverse densità e forme. Il prossimo passo nella tecnologia degli ultrasuoni è quello di visualizzare non solo l'anatomia, ma cellule e molecole specifiche più profonde nel corpo, come quelli associati a tumori o batteri nel nostro intestino.

Un nuovo studio del Caltech delinea come le tecniche di ingegneria proteica potrebbero aiutare a raggiungere questo traguardo. I ricercatori hanno progettato nanostrutture a guscio proteico chiamate vescicole di gas, che riflettono le onde sonore, per esibire nuove proprietà utili per le tecnologie a ultrasuoni. Nel futuro, queste vescicole di gas potrebbero essere somministrate a un paziente per visualizzare i tessuti di interesse. È stato dimostrato che le vescicole di gas modificate:emettono segnali più distinti, rendendoli più facili da immaginare; target specifici tipi di cellule; e aiuta a creare immagini ecografiche a colori.

"È un po' come l'ingegneria con i Lego molecolari, ", afferma l'assistente professore di ingegneria chimica e ricercatore principale del patrimonio Mikhail Shapiro, chi è l'autore senior di un nuovo articolo sulla ricerca pubblicato nel numero di questo mese della rivista ACS Nano ed è apparso sulla copertina del giornale. "Possiamo scambiare diversi 'pezzi' proteici sulla superficie delle vescicole di gas per alterare le loro proprietà di targeting e per visualizzare più molecole in diversi colori".

"Oggi, l'ecografia è per lo più anatomica, "dice Anupama Lakshmanan, uno studente laureato nel laboratorio di Shapiro e autore principale dello studio. "Vogliamo portarlo al livello molecolare e cellulare".

Nel 2014, Shapiro ha scoperto per la prima volta il potenziale uso delle vescicole di gas nell'imaging a ultrasuoni. Queste strutture piene di gas sono presenti in natura negli organismi unicellulari che vivono nell'acqua, come Anabaena flos-aquae, una specie di cianobatteri che forma gruppi filamentosi di catene multicellulari. Le vescicole di gas aiutano gli organismi a controllare quanto galleggiano e quindi la loro esposizione alla luce solare sulla superficie dell'acqua. Shapiro si rese conto che le vescicole avrebbero riflettuto facilmente le onde sonore durante l'imaging a ultrasuoni, e alla fine lo ha dimostrato usando i topi.

Nelle ultime ricerche, Shapiro e il suo team hanno deciso di conferire alle vescicole gassose nuove proprietà progettando la proteina C della vescicola gassosa, o GvpC, una proteina naturalmente presente sulla superficie delle vescicole che conferisce loro resistenza meccanica e ne impedisce il collasso. La proteina può essere ingegnerizzata per avere dimensioni diverse, con versioni più lunghe della proteina che producono nanostrutture più forti e più rigide.

"Le proteine ​​sono come le aste di inquadratura della fusoliera di un aereo. Le usi per determinare la meccanica della struttura". dice Shapiro.

In un esperimento, gli scienziati hanno rimosso la proteina rinforzante dalle vescicole di gas e quindi hanno somministrato le vescicole ingegnerizzate ai topi ed eseguito l'imaging a ultrasuoni. Rispetto alle vescicole normali, le vescicole modificate vibravano maggiormente in risposta alle onde sonore, e quindi risuonano con frequenze armoniche. Le armoniche vengono create quando le onde sonore rimbalzano, per esempio in un violino, e formare nuove onde con frequenze raddoppiate e triplicate. Le armoniche non si creano facilmente nei tessuti naturali, facendo risaltare le vescicole nelle immagini ecografiche.

In un'altra serie di esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato come le vescicole di gas potrebbero essere fatte per mirare a determinati tessuti del corpo. Hanno ingegnerizzato geneticamente le vescicole per visualizzare vari bersagli cellulari, come una sequenza di amminoacidi che riconosce proteine ​​chiamate integrine che sono iperprodotte nelle cellule tumorali.

"Aggiungere queste funzionalità alle vescicole di gas è come agganciare un nuovo pezzo di Lego; è un sistema modulare, "dice Shapiro.

Il team ha anche mostrato come potrebbero essere create immagini ecografiche multicolori. Le immagini ecografiche convenzionali appaiono in bianco e nero. Il gruppo di Shapiro ha creato un approccio per l'imaging di tre diversi tipi di vescicole di gas come "colori" separati in base alla loro capacità differenziale di resistere al collasso sotto pressione. Le vescicole stesse non appaiono in colori diversi, ma possono essere assegnati colori in base alle loro diverse proprietà.

Per dimostrare questo, il team ha realizzato tre diverse versioni delle vescicole con diversi punti di forza della proteina GvpC. Hanno quindi aumentato la pressione degli ultrasuoni, causando il collasso successivo delle popolazioni varianti una per una. Mentre ogni popolazione crollava, il segnale ecografico complessivo è diminuito in proporzione alla quantità di quella variante nel campione, e questo cambiamento di segnale è stato quindi mappato su un colore specifico. Nel futuro, se ogni popolazione variante ha mirato a un tipo di cellula specifico, i ricercatori sarebbero in grado di visualizzare le cellule in più colori.

"Potresti essere in grado di vedere le cellule tumorali rispetto alle cellule immunitarie che attaccano il tumore, e quindi monitorare l'andamento di un trattamento medico, "dice Shapiro.