The effect of ultrasound on transport of nanoparticles in an extracellular matrix phantom

Abstract

Kombinasjonen av cellegift med mikroboble og ultralyd har vist potensiale i å forbedre ekstravasasjon av medisiner over blodåreveggen. Derimot er penetrasjon av medisiner gjennom ekstracellulært matriks (ECM) fortsatt en utfordring, og er per nå en av de aspektene ved denne behandlingen som er minst forsket på. I ECM er diffusjon den viktigste transportmekaniskmen. Hovedbarierene for diffusjon i ECM er elektrostatiske og steriske interaksjoner med kollagen, og redusert hydraulisk konduktivitet på grunn av glykosaminoklykaner. I dette prosjektet ble en gel laget av 5 mg/mL kollagen, 1 mg/mL hyaluronsyre og 10\% kondensert melk brukt som en fantom for å undersøke diffusjonen av to typer PEGylerte polymeriske nanopartikler i et akustisk felt. Partiklene ble levert av SINTEF. Kondensert melk ble valgt som en tilsetning etter å ha optimalisert et akustisk attenuasjons-oppsett, og undersøkt effekten av forskjellige konsentrasjoner av bovint serumalbumin og kondensert melk i agarosegeler. Agarosegeler ble brukt fordi leverandøren ikke klarte å levere kollagen. Målinger av diffusjonskoeffisienten til nanopartiklene i kollagengel-fantomet ble gjort med et selvbygd oppsett. Det var en positiv trend mellom diffusjonskoeffisient og ultralydtrykk og -driftssyklus. Derimot var oppsettet sensitivt for vibrasjoner, og mer arbeid er nødvendig før det gir pålitelige resultater.

Combining chemotherapy with microbubbles and ultrasound has shown great promise in improving the extravasation of drugs across the blood vessel wall. However, penetration of the drugs through the extracellular matrix (ECM) remains a challenge, and is so far one of the least researched aspects of this treatment. In the ECM, diffusion is the most important transport mechanism. The main barriers for diffusion in the ECM is believed to be electrostatic and steric interactions with collagen, and a reduced hydraulic conductivity due to glycosaminoglycans. In this project a gel consisting of 5 mg/mL collagen, 1 mg/mL hyaluronic acid and 10\% evaporated milk was used as a phantom to investigate diffusion of two types of PEGylated polymeric nanoparticles in an acoustic field. The particles were provided by SINTEF. Evaporated milk was chosen as an additive after optimizing an acoustic measurement setup, and investigating the effect of different concentrations of bovine serum albumin and evaporated milk in agarose gels. Agarose gels were used due to the manufacturer being unable to ship collagen. Measurements of the diffusion coefficient of the nanoparticles in the collagen gel phantom was done with a custom built setup. There was a positive trend between diffusion coefficient and the ultrasound pressure and duty cycle. However, the setup was sensitive to vibrations, and more work is needed before it can be reliably used.