DE69534668T2

DE69534668T2 - System zur harmonischen ultraschalldarstellung unter verwendung von mikrobläschen

Info

Publication number: DE69534668T2
Application number: DE69534668T
Authority: DE
Inventors: Ernest G. Schutt
Original assignee: Imcor Pharmaceutical Co
Current assignee: Imcor Pharmaceutical Co
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: US20030044355A1; AU3684295A; US6036644A; CA2176206C; US5540909A; AU693608B2; JP3862276B2; JP2005306878A; EP0730434A1; US6019960A; ATE311815T1; EP0730434B1; ES2256848T3; DE69534668D1; AU8713598A; US5733527A; US7374744B2; DE29522119U1; WO1996009793A1; JPH09505765A

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur harmonischen Ultraschalldarstellung unter Verwendung eines zur Reflexion harmonischer Frequenzen besonders geeigneten Kontrastmittels.
Beschreibung des Stands der Technik
Ultraschalltechnik ist eine wichtige und wirtschaftlichere Alternative zu Bildgebungstechniken, in denen ionisierende Strahlung verwendet wird. Es stehen zwar zahlreiche herkömmliche Bildgebungstechniken zur Verfügung, z.B. Magnetresonanzbildgebung (MRI), Computertomografie (CT) und Positronemissionstomografie (PET), aber für jede dieser Techniken wird eine sehr teure Apparatur benötigt. Außerdem verwenden CT und PET ionisierende Strahlung. Eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung ist dagegen sehr kostengünstig. Außerdem wird für die Ultraschallbildgebung keine ionisierende Strahlung verwendet.
Bei Verwendung der Ultraschalltechnik werden Schallwellen über einen Signalgeber bzw. Transducer in ein Objekt oder einen Patienten transmittiert. Wenn die Schallwellen sich durch das Objekt oder den Körper ausbreiten, werden sie durch Gewebe und Fluids entweder reflektiert oder absorbiert. Reflektierte Schallwellen werden durch einen Empfänger erfasst und verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen. Die akustischen Eigenschaften der Gewebe und Fluids bestimmen den im erhaltenen Bild auftretenden Kontrast.
Bei der Ultraschallbildgebung werden daher Unterschiede der Gewebedichte und -zusammensetzung genutzt, durch die die von diesen Geweben reflektierten Schallwellen beeinflusst werden. Bilder sind insbesondere an Stellen scharf, an denen deutliche Änderungen der Gewebedichte oder -komprimierbarkeit auftreten, z.B. an Gewebegrenzflächen. Grenzflächen zwischen festen Geweben, dem Skelettsystem und verschiedenen Organen und/oder Tumoren werden durch Ultraschall leicht abgebildet.
Daher ist Ultraschall in vielen Anwendungen ohne Verwendung von Kontrastverstärkungsmitteln geeignet, für andere Anwendungen, z.B. zur Visualisierung von strömendem Blut in Geweben, wird versucht, Kontrastverstärkungsmittel zu entwickeln. Eine besonders wichtige Anwendung für derartige Kontrastmittel ist der Bereich der vaskulären Abbildung. Derartige Ultraschallkontrastmittel könnten die Abbildung von strömendem Blut im Herzen, in den Nieren, in den Lungen und in anderem Gewebe verbessern. Dadurch würde die mit den abgebildeten Geweben in Beziehung stehende Untersuchung, Diagnose, Chirurgie und Therapie erleichtert. Ein Blood-Pool-Kontrastmittel würde ebenfalls eine Bildgebung auf der Basis des Blutgehalts (z.B. von Tumoren und entzündetem Gewebe) ermöglichen und wäre bei der Visualisierung der Plazenta und eines Fötus durch Verstärken nur des mütterlichen Kreislaufs behilflich.
Es sind verschiedenartige Ultraschallkontrastverstärkungsmittel vorgeschlagen worden. Die erfolgreichsten Mittel bestehen im wesentlichen aus Mikrobläschen, die intravenös injiziert werden können. In ihrer einfachsten Ausführungsform sind Mikrobläschen ein Gas, z.B. Luft, enthaltende Miniaturbläschen und werden unter Verwendung von Schaumbild nern, Tensiden oder Ver- bzw. Einkapselungsmitteln erzeugt. Durch die Mikrobläschen wird dann ein physikalisches Objekt im strömenden Blut bereitgestellt, das eine andere Dichte und eine wesentlich höhere Komprimierbarkeit als das umgebende Fluidgewebe und Blut hat. Infolgedessen können diese Mikrobläschen durch Ultraschall leicht abgebildet werden.
Bisher zur Verwendung in der Ultraschallbildgebung entwickelte Kontrastmittel weisen jedoch verschiedene Probleme auf. Für Kontrastmittel, die wässerige Proteinlösungen enthalten, ist ein Fremdprotein erforderlich, das antigen und potentiell toxisch sein kann. Liposomale Kontrastmittel, die aus Liposomen mit darin eingekapseltem Gas bestehen, sind aufgrund ihrer ungleichmäßigen Größenverteilung und ihrer schlechten Stabilität problembehaftet. Durch viele vorhandene Kontrastmittel wird keine verbesserte Bildgebung erhalten, und außerdem sind viele der zum Herstellen der Kontrastmittel verwendeten Verfahren ineffizient, teuer und anderweitig unzulänglich.
Herkömmliche Ultraschallsysteme arbeiten durch Transmittieren von Ultraschallimpulsen einer vorgegebenen Frequenz und Messen des Zeitintervalls zwischen dieser Transmission und der Erfassung der reflektierten Echos vom Inneren eines abzubildenden Objekts oder Körpers. Eine große Zahl von Mikrobläschen verhält sich kollektiv als großer Reflektor. Das System basiert auf der Messung reflektierter Schallwellen mit der gleichen Frequenz wie die transmittierte Frequenz, um ein Bild zu erzeugen.
Es hat sich insbesondere in biologischen Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt, ein Ultraschallkontrastmittel zu erfassen oder abzubilden, während das durch andere Objekte, z.B. Gewebe und Knochen, reflektierte Ultraschallsignal unterdrückt wird (vgl. Williams et al., WO-91/15999). Durch die Fähigkeit der Abbildung von Ultraschallkontrast mittelbläschen in Blut durch Erfassen harmonischer Frequenzen im Echo bei Anregung durch einen Ultraschallstrahl einer anderen Frequenz (Grundfrequenz) nimmt die Empfindlichkeit der Kontrastmittelerfassung durch Ignorieren des durch andere nicht bläschenförmige Objekte im Organismus gestreute Untergrund-Grundfrequenzsignals wesentlich zu; dies ist ähnlich wie bei der Erfassung fluoreszierender Farbstoffe durch ihr frequenzverschobenes Licht, die inhärent wesentlich empfindlicher ist als die Erfassung lichtabsorbierender Farbstoffe durch Modulation der Bestrahlungslichtintensität. Im Unterschied zu Mikrobläschen reflektiert tierisches Gewebe harmonische Frequenzen nur sehr wenig. Daher wird durch harmonische Bildgebung die Abbildung des Untergrunds im wesentlichen eliminiert.
In der WO-94/16739 sind Mittel zum Verstärken des Kontrasts in einem diagnostischen Ultraschallverfahren beschrieben, wobei die Mittel kolloidale Dispersionen eines Flüssigkeit-in-Flüssigkeit-Typs aufweisen, d.h. Emulsionen oder Mikroemulsionen, in denen die dispergierte flüssige Phase eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt unterhalb der Temperatur des abzubildenden Tiers ist, die daher eine Phasenänderung von einer dispergierten Flüssigkeit zu einem hochgradig echogenen dispergierten gasförmigen Schaum oder Kugelschaum erfährt, nachdem sie einem Tier verabreicht wurde.
Es hat sich gezeigt, dass vorhandene Kontrastverstärkungsmittel und Ultraschallbildgebungsverfahren nicht vollkommen zufriedenstellend sind, und es besteht ein großer Bedarf für ein verbessertes Ultraschallkontrastmittel und ein Ultraschallbildgebungsverfahren, durch das verbesserte Ultraschallbilder erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Patentansprüche definiert.
Erfindungsgemäß wird ein System für eine harmonische Ultraschallbildgebung unter Verwendung von durch eine Ultraschallquelle in ein abzubildendes Objekt oder einen Körper transmittierter Ultraschallenergie und eines dem Objekt oder Körper zu verabreichenden, Mikrobläschen enthaltenden Kontrastmittels bereitgestellt. Die Mikrobläschen weisen im wesentlichen sphärische Membranen auf und enthalten ein Material, das mindestens 2 Mol-% eines Gases aufweist, dessen Löslichkeit in seiner flüssigen Phase in Hexan bei 37°C größer ist als etwa 10% Mol/Mol, und dessen Wasserlöslichkeit/Mischbarkeit in seiner flüssigen Phase kleiner ist als etwa 1 % wt./wt. in Wasser bei 37°C. Mindestens ein Teil des Objekts oder Körpers wird anschließend durch Ultraschall abgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gas Kohlenwasserstoff oder Fluorkohlenstoff. Bevorzugter wird das Gas aus der Gruppe ausgewählt, die aus Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, 1,1,2-Trichlortrifluorethan, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Pentan, Hexan, Dichlordifluormethan, Trichlormonofluormethan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan, Perfluorpropan, Butan, Cyclobutan, Propan, Methan und Ethan besteht.
Vorzugsweise weisen die Mebranen einen Tensid auf. Das Tensid ist vorzugsweise fluoriert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das in den Mikrobläschen enthaltne Material mindestens etwa 25 Mol-% des Gases oder etwa 100 Mol-% des Gases auf.
Ein Verfahren, das selbst nicht Teil der Erfindung ist, zur harmonischen Ultraschallbildgebung unter Verwendung von durch eine Ultraschallquelle in ein abzubildendes Objekt o der einen Körper transmittierter Ultraschallenergie weist das Zuführen eines Kontrastmittels, das mit mindestens einem Tensid stabilisierte Mikrobläschen aufweist, zum abzubildenden Objekt oder Körper auf. Mindestens ein Teil des Objekts oder Körpers wird dann durch Ultraschall abgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Tensid die Oberflächenspannung von Wasser um mehr als 5 Dyn/cm ändern, wenn die Fläche pro Molekül des Tensids sich, gemessen auf einer Langmuir-Filmwaage, um mehr als 10% geändert hat. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Tensid eine Komponente mit einem HLB-Wert (Hydrophil-Lipophil-Balance) auf, der kleiner ist als 11 oder kleiner oder gleich 8. In einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Tensid eine Komponente mit einem Molekulargewicht von mehr als 1000 auf, die in der Lage ist, die Oberflächenspannung von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern. In einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Tensid in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern und weist eine kritische Micelle-Konzentration von 0,3 oder weniger Vol-% in Wasser auf. Das Tensid ist vorzugsweise nicht-Newtonsch.
Bei einer harmonischen Ultraschallbildgebung eines Objekts oder Körpers mit den Schritten zum Zuführen eines Kontrastmittels in das Objekt oder den Körper und Transmittieren von Ultraschallenergie von einer Ultraschallquelle zum Objekt oder Körper und Erfassen der vom Objekt oder Körper abgestrahlten Energie wird eine Verbesserung durch ein Kontrastmittel bereitgestellt, das aus Mikrobläschen besteht, die die Eigenschaften haben, bildgebende Ultraschallenergie bei einer Frequenz abzustrahlen, die von der durch die Ultraschallquelle transmittierten Frequenz verschieden ist, die unabhängig von der Resonanzfrequenz der Bläschen ist. In diesem Verfahren wird im Erfassungsschritt eine andere Frequenz als im Transmissionsschritt verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Mikrobläschen ein Gas oder Gasgemisch, und die Mikrobläschen werden durch ihren Gas- oder Gasgemischanteil stabilisiert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Mikrobläschen erzeugt durch Sprühtrocknen einer Flüssigkeitszusammensetzung, die ein biokompatibles membranbildendes Material enthält, um daraus ein Mikrosphärenpulver herzustellen, Kombinieren der Mikrosphären mit einem Gasosmosemittel und Mischen einer wässrigen Phase mit dem Pulver. Das Pulver löst sich im wesentlichen in der wässrigen Phase, um Mikrobläschen zu bilden. Vorzugsweise sind die Mikrobläschen mit einer Monolage aus einem Tensid beschichtet.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Einleitung
In der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen werden die Ausdrücke "Dampf" und "Gas" austauschbar verwendet. Ähnlicherweise können hinsichtlich der Spannung eines in einer Flüssigkeit gelösten Gases der geläufigere Ausdruck "Druck" und der Ausdruck "Spannung" austauschbar verwendet werden. Der Ausdruck "gasosmotischer Druck" wird nachstehend näher definiert, kann jedoch in einer einfachen Näherung als Differenz zwischen dem Partialdruck eines Gases im Inneren eines Mikrobläschens und dem Druck oder der Spannung dieses Gases (entweder in einer Gasphase oder gelöst in einer flüssigen Phase) außerhalb des Mikrobläschens betrachtet werden, wenn die Mikrobläschenmembran für dieses Gas durchlässig sind. D.h., er betrifft Differenzen von Gasdiffusionsraten über eine Membran. Der Ausdruck "Membran" wird verwendet, um ein Material zu bezeichnen, das ein Mikrobläschen umgibt oder definiert, unabhängig davon, ob es ein Tensid, eine andere filmbildende Flüssigkeit oder einen filmbildenden Feststoff oder halbfesten Stoff bezeichnet. "Mikrobläschen" bezeichnen Bläschen mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und 300 μm, vorzugsweise mit einem Durchmesser von nicht mehr als etwa 200, 100 oder 50 μm, und für eine intravaskuläre Verwendung vorzugsweise von nicht mehr als etwa 10, 8, 7, 6 oder 5 μm (gemessen als mittlerer gewichteter Durchmesser der Mikrobläschenzusammensetzung). Der Ausdruck "Gas" beinhaltet, außer wenn dies aus dem Kontext ausdrücklich anders hervorgeht, Gasgemische mit den gewünschten Eigenschaften.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein System für eine harmonische Ultraschallbildgebung unter Verwendung speziell konstruierter Mikrobläschen als Ultraschallkontrastverstärkungsmittel bereitgestellt. Durch Optimieren der Fähigkeit dieser Gasbläschen, die Frequenz der Ultraschallstrahlung, der sie ausgesetzt sind (die Grundfrequenz) umzuwandeln, wird die Abbildung verbessert.
Wenn ein Gasbläschen einem Ultraschallsignal mit einer hohen Druckamplitude ausgesetzt ist, was in biologischen Systemen aufgrund von Kavitation und Zellgewebeschädigung unerwünscht ist, oder einer Ultraschallanregungsenergie mit einer niedrigen Amplitude in der Nähe der Resonanzfrequenz des Bläschens ausgesetzt ist, wirkt es auf nichtlineare Weise. D.h., die Änderung des Bläschenvolumens ist nicht mehr proportional zur Druckänderung seiner Umgebung. Dieses nichtlineare Verhalten erzeugt Komponenten zurückgestrahlter Ultraschallenergie, deren Frequenzen von der Anregungsfrequenz verschieden sind. Vgl. Eatock, J. Soc. Acoust. Am., 77: 1692–1701 (1985); de Jong et al., Ultrasonics, 29: 324–330 (1991) und Miller, Ultrasonics, (1981). Diese Harmonischen bei Frequenzen oberhalb und unterhalb der eingestrahlten Frequenz sind das Ergebnis der Bewegungsmechanik des Sy stems. Bei medizinisch geeigneten Ultraschallanregungsenergien werden deutliche Harmonische nur durch Bläschen erzeugt, deren Größe innerhalb eines engen Bereichs liegt, der den Resonanzdurchmesser enthält. Beispielsweise wird für eine 3MHz-Anregungsfrequenz ein Luftbläschen in Wasser mit einem Durchmesser von 1,1 μm in Resonanz geraten und Harmonische erzeugen, aber die Amplitude dieser Harmonischen wird für einen Durchmesser, der sich nur um 12% vom Resonanzdurchmesser unterscheidet, um einen Faktor 2 abnehmen. Bläschen in diesem Größenbereich bilden nur einen kleinen Teil der relativ breiten Größenverteilung der meisten Mikrobläschen (de Jong et al., Ultrasonics, 30(2): 95–103 (1992). Bläschen, die Schalen aus festen oder halbfesten Materialien aufweisen, z.B. denaturiertes Albumin (beschrieben im US-Patent Nr. 4957656; de Jong et al., Ultrasonics, 30(2):95–103 (1992); und de Jong, Acoustic Properties of Ultrasound Contrast Agents, Ph.D. Dissertation, Erasmus University, Rotterdam (1993)) zeigen eine erhöhte Dämpfung aufgrund der viskosen Schale und haben daher bei Resonanz keine Abweichungen oder Auslenkungen zu großen Radien, was zum Erzeugen deutlicher harmonischer Komponenten im gestreuten (zurückgestrahlten) Signal erforderlich ist. Daher wird durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft die Verwendung von Mikrobläschen bereitgestellt, die in der Lage sind, Harmonische bei medizinisch geeigneten Ultraschallanregungsamplituden zu erzeugen.
Um die durch die Mikrobläschen erzeugte zurückgestrahlte Ultraschallenergie zu erfassen, wird erfindungsgemäß ein modifiziertes herkömmliches Ultraschallabtastsystem verwendet. Das System ist in der Lage, eine oder mehrere neue Frequenzen oder Harmonische zu erfassen oder auszuwählen, die durch die Mikrobläschen abgestrahlt werden, um ein Ultraschallbild zu erzeugen. D.h., es erfasst eine von der emit tierten Frequenz verschiedene Frequenz. Eine für eine harmonische Ultraschallbildgebung geeignete Apparatur ist in der WO-91/15999 von Williams et al. beschrieben. Viele herkömmliche Ultraschallbildgebungsvorrichtungen verwenden jedoch Transducer, die für einen Breitbandbetrieb geeignet sind, wobei die an den Transducer ausgegebene Wellenform programmgesteuert wird. Aus diesem Grunde ist eine Umprogrammierung zum Emittieren einer Wellenform, die von der erfassten Wellenform verschieden ist, innerhalb des Stands der Technik möglich.
Bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung in die Praxis können die Parameter des transmittierten Ultraschallsignals (z.B. die Frequenz, die Pulsdauer und die Intensität gemäß spezifischen Umständen verändert werden, und die optimalen Parameter für einen beliebigen spezifischen Fall können durch einen Fachmann leicht bestimmt werden.
Obwohl es sich gezeigt hat, dass Bläschen zur Verwendung in intravenösen Ultraschallkontrastmitteln Ultraschall am wirksamsten streuen, wird durch die erfindungsgemäßen Kontrastverstärkungsmittel eine unerwartet hochwertige Bildgebung ermöglicht; beispielsweise werden klare, deutliche und intensive Bilder von durch das Herz und Nieren strömendem Blut erhalten. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet zur Untersuchung von Blutströmen, ist jedoch gleichermaßen auch auf die Untersuchung anderer Flüssigkeiten oder von Geweben anwendbar. Kleine, nichttoxische Dosen können in eine periphere Vene oder ein Lymphgefäß verabreicht werden und zum Verstärken von Bildern des gesamten oder eines Teils des Körpers verwendet werden. Hohlräume oder Bereiche innerhalb des Körpers, in die Mikrobläschen eingebracht werden können, können erfindungsgemäß abgebildet werden. Daher wird durch die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Abbilden verschiedenartiger Körperhohlräume und Gefäßanordnungen bereitgestellt, die unter Verwendung herkömmlicher Techniken möglicherweise schwierig abbildbar sind.
Es ist nicht wesentlich, dass das abzubildende Objekt organisches Gewebe ist. Die vorliegende Erfindung kann zum Abbilden beliebiger Objekte verwendet werden, die Hohlräume enthalten, in die das Kontrastmittel eingeleitet werden kann, so lange das das Kontrastmittel umgebende Material für Ultraschallstrahlung durchlässig ist und nicht selbst auf eine Weise in Resonanz gerät, auf die die ausgewählte Harmonische der Mikrobläschen verdeckt wird, und die Resonanz der Mikrobläschen nicht behindert.
Die vorliegende Erfindung kann zum Messen einer einzelnen Empfangsfrequenz verwendet werden, die von der ursprünglich transmittierten Frequenz verschieden ist, um ein Bild zu erzeugen. Alternativ können mehrere verschiedene Frequenzen, die von der Anregungsfrequenz verschieden sind, erfasst und zum Erzeugen mehrerer Bilder verwendet werden, die separat betrachtet oder elektronisch zu einem Verbundbild verarbeitet werden können.
Die Empfangsfrequenz oder -frequenzen kann/können durch verschiedenartige bekannte Verfahren verarbeitet werden. Diese beinhalten beispielsweise, dass der Empfangstransducer bezüglich der oder den gewünschten Harmonischen selektiv gemacht wird, so dass er die Grundfrequenz ignoriert, oder Software- oder Hardwarefilter verwendet werden, um die verschiedenen Frequenzen zu trennen oder zu isolieren.
Eigenschaften der Mikrobläschen
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bestimmte Eigenschaften der Mikrobläschen-Ultraschallkontrastmittel ihre Fähigkeit zum Erzeugen von Harmonischen verbessern. Obwohl sich gezeigt hat, dass Bläschen zur Ver wendung in intravenösen Ultraschallkontrastmitteln Ultraschall am wirksamsten streuen, besteht ein praktischer Nachteil in der extrem kurzen Lebensdauer der kleinen Bläschen (mit einem Durchmesser von typischerweise weniger als 5 μm), die erforderlich sind, um die Kapillaren in Suspension zu durchlaufen. Diese kurze Lebensdauer wird durch den erhöhten Gasdruck im Inneren der Bläschen verursacht, der durch die auf die Bläschen ausgeübten Oberflächenspannungskräften verursacht wird. Der erhöhte Innendruck nimmt mit abnehmendem Durchmesser der Bläschen zu. Der höhere innere Gasdruck zwingt das Gas im Inneren des Pläschen dazu, sich zu lösen, wodurch das Gas zusammenfällt, wenn das Gas in Lösung gezwungen wird. Die Laplace-Gleichung ΔP = 2γ/r (wobei ΔP den erhöhten Gasdruck im Inneren des Bläschens, γ die Oberflächenspannung des Bläschenfilms und r den Bläschenradius bezeichnen) beschreibt den durch die umgebende Bläschenoberfläche oder den umgebenden Film auf ein Gasbläschen ausgeübten Druck. Der Laplace-Druck ist dem Bläschenradius umgekehrt proportional, so dass, wenn das Bläschen schrumpft, der Laplace-Druck zunimmt, wodurch die Diffusionsrate des Gases aus dem Bläschen heraus und die Bläschenschrumpfungsrate zunehmen.
Es hat sich gezeigt, dass Gase und Gas-Dampf-Gemische, die einen gasosmotischen Druck ausüben können, der dem Laplace-Druck entgegenwirkt, das Zusammenfallen dieser Bläschen mit kleinem Durchmesser wesentlich hemmen können (vgl. US-A-5605673). Diese Erfindungen beinhalten die Verwendung eines primären Modifikatorgases oder eines Gasgemischs, das ein Gasosmosemittel auf einen Partialdruck verdünnt, der kleiner ist als der Dampfdruck des Gasosmosemittels. Das oder die Gasosmosemittel sind im Allgemeinen relativ hydrophob und relativ undurchlässig für Bläschenmembranen und besitzen außerdem die Fähigkeit, bei einem relativ niedrigen Dampfdruck gasosmotische Drücke zu entwickeln, die größer sind als 10 oder 13, 3 kPa (75 oder 100 Torr) . Das oder die Gasosmosemittel regeln den osmotischen Druck innerhalb des Bläschens. Durch Regeln des osmotischen Drucks des Bläschens übt das Gasosmosemittel (das hierin als einzelnes oder als Gemisch chemischer Gebilde definiert ist) einen Druck im Inneren des Bläschens aus, was dazu beiträgt das Zusammenfallen des Bläschens zu verhindern.
Bläschen aus Luft, die mit ausgewählten Perfluorkohlenstoffen gesättigt ist, können aufgrund des durch den Perfluorkohlenstoffdampf ausgeübten gasosmotischen Drucks eher anwachsen als schrumpfen, wenn sie in Flüssigkeit gelöster Luft ausgesetzt sind. Der Perfluorkohlenstoffdampf ist bezüglich des Bläschenfilms relativ undurchlässig und verbleibt daher im Inneren des Bläschens. Die Luft im Inneren des Bläschens wird durch den Perfluorkohlenstoff verdünnt, das derart wirkt, dass der Luftdiffusionsfluss aus dem Bläschen heraus verzögert wird. Der gasosmotische Druck ist dem Konzentrationsgradienten des Perfluorkohlenstoffdampfes über den Bläschenfilm, der Konzentration der das Bläschen umgebenden Luft und dem Verhältnis der Bläschenfilmdurchlässigkeit bezüglich Luft und Perfluorkohlenstoff proportional.
Wie vorstehend diskutiert wurde, ist der Laplace-Druck dem Bläschenradius umgekehrt proportional, daher nimmt der Laplace-Druck zu, wenn das Bläschen schrumpft, wodurch die Gasdiffusionsrate aus dem Bläschen heraus und die Bläschenschrumpfungsrate zunehmen, was in einigen Fällen zu Kondensation und tatsächlich zu einem Verschwinden eines Gases im Bläschen führt, weil der kombinierte Druck aus dem Laplace-Druck und dem Außendruck das Osmosemittel konzentrieren, bis dessen Partialdruck den Dampfdruck des flüssigen Osmosemittels erreicht.
Herkömmliche Mikrobläschen, die ein einzelnes Gas enthalten, werden für eine Zeitdauer im Blut verbleiben, die primär vom Arteriendruck, vom Bläschendurchmesser, von der Membrandurchlässigkeit des Gases durch die Bläschenoberfläche, von der mechanischen Festigkeit der Bläschenoberfläche, dem Vorhandensein, Nichtvorhandensein und der Konzentration der Gase, die normalerweise im Blut oder Serum vorhanden sind, und der an der Oberfläche des Bläschens vorliegenden Oberflächenspannung (die primär von der Identität und Konzentration der Tenside abhängig ist, die die Bläschenoberfläche bilden) abhängig ist. Alle diese Parameter, die die Zeitdauer bestimmen, über die das Bläschen im Blut verbleiben wird, stehen miteinander in Beziehung und Wechselwirken im Bläschen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass, wenn das Bläschen einen Dampf enthält, der bei geeigneten Temperaturen (z.B. 37°C für Menschen) und Drücken kondensieren kann, durch die Phasenänderung von Gas oder Dampf zu einer Flüssigkeit veranlasst wird, dass das Bläschenvolumen sich wesentlich rascher ändert als dies für lineare Systeme erwartet würde. Diese Nichtlinearität führt zur Erzeugung Harmonischer. Damit dieser Effekt deutlich hervortritt, muss der Dampf in der Gasphase des Bläschens bei einer Molkonzentration von mehr als etwa 2% und vorzugsweise etwa 5%, 10%, 25%; 50% oder 100% vorhanden sein. Der Dampf im Inneren des Bläschens befindet sich während einer Untersuchung in der Nähe der Sättigung, vorzugsweise mindestens etwa bei 50%, 75% oder 100% der Sättigungskonzentration. Daher muss für Mikrobläschen, die für eine Abbildung bei Menschen verwendet werden, die flüssige Phase des Dampfs im Bläschen bei 37°C einen Dampfdruck von mehr als 2% des Drucks im Inneren des Bläschens aufweisen (eine Atmosphäre plus dem Blutdruck des untersuchten Menschen plus dem durch die Oberflächenspannung des Bläschens verursachten Druck plus dem Laplace-Druck). Dieser Gesamtdruck für Mikrobläschen der Größe 3 μm könnte 1,5 bar erreichen, so dass die flüssige Phase des Dampfes im Bläschen bei 37°C einen Dampfdruck von mehr als etwa 3070 Pa (23 torr) aufweisen muss. Die flüssige Phase des Dampfes sollte außerdem eine geringe Löslichkeit in Wasser von vorzugsweise weniger als 1% wt./wt. aufweisen. Dämpfe aus Materialien wie beispielsweise Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon 113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Pentan und Hexan sind besonders geeignet.
Obwohl die Kondensation eines mit anderen Gasen verdünnten Dampfes die Diffusion des Gases in einen Flüssigkeitsfilm beinhaltet und daher eine begrenzte Zeitdauer zum Beenden der Kondensation erfordert, kann der Dampfanteil in der Nähe der Oberfläche des die Bläschen umgebenden Wassers mit Körpertemperatur schnell kondensieren, d.h. in weniger als dem Mikrosekunden-Zeitrahmen des Diagnose-Ultraschallsignals. Ein Bläschen, das reinen Dampf enthält, z.B. Perfluorpentan, kann nahezu unverzüglich kondensieren, ähnlich wie Wasserdampfbläschen, die während einer hochintensiven Ultraschallkavitation auftreten. Es ist bekannt, dass diese Kavitationsbläschen Harmonische mit hoher Intensität erzeugen (vgl. Welsby et al. Acustica 22: 177–182 (1969)), obgleich bei biologisch toxischen Intensitäten für Wasserdampfbläschen.
Erfindungsgemäß kann die Phasenänderung, die zu einer erhöhten Erzeugung Harmonischer führt, wie vorstehend beschrieben wurde, auch dann auftreten, wenn ein Gas in den hydrophoben Bereichen der Tenside an der Bläschenoberfläche gelöst oder adsorbiert wird. Dieses Adsorptions oder Lösungsgleichgewicht wird durch den Partialdruck des Gases im Inneren des Bläschens und daher durch den Gesamtdruck im In neren des Bläschens bewirkt. Bei einer Zunhame des durch den Anregungsultraschallstrahl ausgeübten Drucks wird das Gleichgewicht zu einer Lösung oder Adsorption in die Tensidschicht verschoben, wodurch eine Volumenänderung auftritt, die von derjenigen verschieden ist, die von einem linearen System erwartet wird. Geeignete Gase sind Gase, die eine Löslichkeit/Mischbarkeit ihrer flüssigen Formen mit Hexan, was ein Modell für den hydrophoben Bereich der Tenside darstellt, von mehr als 10% Mol/Mol bei 37°C aufweisen. Für Gase mit einem Siedepunkt von weniger als 37°C, z.B. Butan und Perfluorbutan, muss diese Messung bei einem erhöhten Druck ausgeführt werden. Das adsorbierende Gas sollte in der Gasphase des Bläschens in einer Konzentration von mehr als 2 Mol-% des Gasgemischs und vorzugsweise etwa 5%, 10%, 25%, 50% oder 100% vorhanden sein. Die Verwendung fluorierter Tenside mit fluorierten Gasen ist bevorzugt. Die flüssige Phase des Adsobergases sollte in Wasser relativ unlöslich sein, d.h. eine Löslichkeit/Mischbarkeit von weniger als 1% wt./wt. aufweisen.
In bisherigen Behandlungen der Mechanik von durch Ultraschall angeregten Bläschen wird die Oberflächenspannung des Bläschens als eine Konstante betrachtet, während das Bläschen expandiert und sich zusammenzieht. Die Oberflächenspannung an der Oberfläche eines kleinen Bläschens beeinflusst den Druck im Inneren des Bläschens, der durch das Laplace-Gesetz definiert ist, wonach der Druck im Inneren eines Bläschens (oberhalb des Außendrucks) dem Durchmesser des Bläschens umgekehrt proportional und der Oberflächenspannung des Tensidfilms proportional ist. Beispielsweise hat ein 3 μm-Bläschen mit einer Oberflächenspannung von 40 Dyn/cm² einen Innendruck von mehr als 1/4 bar über dem Umgebungsdruck. Einige Tenside sind nicht-Newtonsch, d.h. ihre Oberflächenspannung ändert sich, gemessen in einer Standard- Langmuir-Küvette, rasch, wenn der Tensidfilm komprimiert wird. Die Änderung der Oberflächenspannung eines Tensidfilms bei einer Änderung des Oberflächenmaßes ist quantitativ durch den Oberflächenausdehnungsmodul charakterisiert, der definiert ist durch:
wobei E das Oberflächenausdehnungsmodul, dv die Änderung der Oberflächenspannung und dInA die Änderung des natürlichen Logarithmus des Oberflächenmaßes bezeichnen. Die zusätzliche Änderung der Oberflächenspannung aufgrund der Flächenänderungsrate wird durch die Oberflächenausdehnungsviskosität charakterisiert, die definiert ist durch:
wobei Δy die Änderung der Oberflächenspannung, K die Oberflächenausdehnungsviskosität, A die Oberfläche des Tensidfilms und dA/dt die Änderungsrate des Oberflächenmaßes des Tensidfilms bezeichnen (vgl. Adamson, Physical Chemistry of Surfaces, 5th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1990).
Wenn ein Bläschen unter Verwendung eines nicht-Newtonschen Tensids hergestellt wird, wird seine Oberflächenspannung und damit sein Innendruck sich ändern, wenn das Oberflächenmaß des Bläschens sich in Antwort auf die Anregungsultraschalldrücke ändert. Diese zusätzliche Expansion und Kontraktion in Antwort auf Änderungen der Oberflächenspannung führt zu einer noch stärker nichtlinearen Komprimierbarkeit und damit zur Erzeugung von Harmonischen mit höherer Intensität. Durch das expandierende Bläschen nimmt die Oberfläche des Tensidfilms zu, bis die zunehmende Oberflächenspannung einer weiteren Expansion entgegenwirkt. Durch das sich zusammenziehende Bläschen nimmt während des Hochdruckabschnitts des Anregungsultraschallzyklus die Bläschen- Oberfläche ab, bis die Oberflächenspannung abrupt abnimmt, wodurch eine weitere Kompression begrenzt und die sinusförmige Volumenänderungswellenform gestört wird, wodurch veranlasst wird, dass Harmonische erzeugt werden.
Für die vorliegende Erfindung geeignete Tenside sind ein beliebiges Tensid oder ein beliebiges Gemisch, das Kohlenwasserstoff enthält oder fluoriert ist und eine Komponente enthält, die die Oberflächenspannung von Wasser um mehr als 5 Dyn/cm ändern wird, wenn die Fläche pro Molekül des Tensids sich, gemessen auf einer Langmuir-Filmwaage, um 10% geändert hat.
Andere geeignete Tenside weisen eine Komponente mit einem HLB-Wert (Hydrophil-Lipophil-Balance) auf, der kleiner ist als 11, vorzugsweise kleiner oder gleich 8.
Tenside mit hohem Molekulargewicht (z.B. über 1000) diffundieren im Vergleich zum Mikrosekunden-Zeitrahmen des Ultraschallsignals langsam, so dass unabhängig vom vorstehend dargestellten Sachverhalt Tenside mit einer Komponente geeignet sind, die ein Molekulargewicht von mehr als 1000 hat und in der Lage ist, die Oberflächenspannung von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern.
Hinsichtlich des Diffusionsvermögens, der Löslichkeit und des Mikrosekunden-Zeitmaßstabs sind andere geeignete Tenside jegliche Tenside, die in der Lage sind, die Oberflächenspannung von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern und eine kritische Micelle-Konzentration (CMC) von 0,3 Vol-% oder weniger in Wasser aufweisen.
Beispiele von zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Tensiden sind nicht-denaturiertes menschliches Albumin, Phospholipide (z.B. Phosphatidylcholin), Zuckerester (z.B. Sukrosestearat, Sukrosedistearat, Sukrosetristearat), Blockcopolymere (Pluronic F-68, Pluronic P-123), Zonyl-Tenside (z.B. FSK, FSC, FSO, FSN, FSE, FSP, FSA, FSJ, UR, TBS), Fettsäuren (z.B. Stearinsäure, Oleinsäure) und ihre Salze (z.B. Natriumstearat, Kaliumoleat).
Basierend auf diesen spezifischen Betriebsbedingungen können geeignete Mikrobläschen eines ersten Typs (die ein Gas enthalten, das bei einer Bläschenauslenkung partiell kondensiert) vorteilhaft Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon 113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Hexan und Pentan aufweisen.
Ähnlicherweise können geeignete Mikrobläschen eines zweiten Typs (die im Tensid gaslöslich sind) vorteilhaft Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon 113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Hexan, Pentan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan, Perfluorpropan, Freon 12 (Dichlordifluormethan), Freon 11 (Trichlormonofluormethan), Butan, Cyclobutan, Propan, Methan und Ethan aufweisen.
Bläschen, die durch viskose Schalen (z.B. denaturiertes Proteingel, vgl. US-Patent Nr. 4957656, gesättigte Zuckerlösungen, vgl. US-Patente Nr. 5141738 und 4657756) stabilisiert werden, dämpfen die Oszillation der Bläschen bei Resonanz und verhindern dadurch die großen Volumenauslenkungen, die zum Erzeugen Harmonischer erforderlich sind (de Jong et al., Ultrasonics, 29: 324–330 (1991); de Jong et al., Ultrasonics, 30(2): 95–103 (1992); und de Jong, Acoustic Properties of Ultrasound Contrast Agents, Ph.D. Dissertation, Erasmus University, Rotterdam (1993)). Ein Bläschen, das durch seine Gasphasenanteile stabilisiert wird, wie vorstehend beschrieben wurde (ein Material wie beispielsweise eine hochgradig fluorierte Verbindung, z.B. Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorbutan) erfordert lediglich eine monomolekulare Lage (Monolage) des Tensids, um es im Blutstrom für eine praktische Anwendung lange genug stabil zu machen (vgl. US-A-5605673; und Quay, WO-A-9305819 und WO-A-9416739). Da her wird durch ein Bläschen, das durch seinen Gasanteil stabilisiert ist und eine Monolage eines Tensids auf seiner Oberfläche aufweist, sowohl im Resonanzzustand als auch im nicht-resonanten Zustand eine geringere Dämpfung bereitgestellt, so dass die Anregungsenergie der Anregungsultra schalldruckwellen dissipiert wird, und erfährt daher größere Volumenauslenkungen, wodurch ein größerer Teil der Energie als harmonische Komponenten bei Frequenzen zurückgestrahlt oder gestreut wird, die von der Anregungsfrequenz verschieden sind. Sukrosestearat und Pluronic F-68 sind zwei Beispiele von Tensiden, die Mikrobläschen mit einer Monolage beschichten und daher die Oszillationen der gas-/dampfstabilisierten Bläschen nicht dämpfen.
Nachstehend werden basierend auf diesen Parametern Details der Konstruktion geeigneter Mikrobläschen beschrieben.
Mikrobläschenkonstruktion
A. Membranbildende flüssige Phase
Die äußere kontinuierliche flüssige Phase, in der sich die Bläschen befinden, weist typischerweise ein Tensid oder einen Schaumbildner auf. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Tenside beinhalten jegliche Verbindungen oder Zusammensetzungen, die die Bildung und Aufrechterhaltung der Bläschenmembran durch Ausbilden einer Schicht an der Grenzfläche zwischen den Phasen unterstützen und die vorstehend diskutierten Kriterien erfüllen. Der Schaumbildner oder das Tensid kann eine einzelne Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen enthalten, wie beispielsweise im Fall von Co-Tensiden.
Es kann ein breiter Bereich von Tensiden verwendet werden. Tatsächlich kann in der vorliegenden Erfindung jedes Tensid oder jeder Schaumbildner (einschließlich solcher, die in Zukunft entwickelt werden) verwendet werden, das/der in der Lage ist, Mikrobläschen zu erzeugen und die vorstehend diskutierten Eigenschaften aufweist. Das optimale Tensid bzw. der optimale Schaumbildner oder eine Kombination davon kann für eine vorgegebene Anwendung durch empirische Untersuchungen bestimmt werden, für die kein übermäßiger experimenteller Aufwand erforderlich ist. Daher sollte eine Person bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung in der Praxis das Tensid oder den Schaumbildner oder eine Kombination davon basierend auf Eigenschaften, wie beispielsweise der Biokompatibilität, der Löslichkeit der Gasphase im Tensid und ihres nicht-Newtonschen Verhaltens auswählen.
B. Gasphase
Ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Auswahl der Gasphase. Wie vorstehend diskutiert wurde, basiert die vorliegende Erfindung auf der Verwendung von Mikrobläschen, die dazu geeignet sind, Harmonische der ursprünglich transmittierten Ultraschallfrequenz zu erzeugen. Solche Mikrobläschen können ein Gas oder eine Kombination aus Gasen enthalten, um Differenzen der Partialdrücke zu erzeugen und gasosmotische Drücke zu erzeugen, die die Bläschen stabilisieren. Außerdem enthalten die Mikrobläschen Materialien, die bei Körpertemperatur (im allgemeinen von etwa 35,5°C bis etwa 40°C) und bei geeigneten Drücken (im Allgemeinen 1–2 atm) ihren Zustand von einem Gas zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff ändern können. Alternativ können die Mikrobläschen ein Material enthalten, das im hydrophoben Abschnitt der Bläschenmembran adsorbiert oder gelöst wird, wie vorstehend beschrieben wurde.
Daher können Fluorkohlenstoffe oder andere Verbindungen, die bei Raum- oder Körpertemperatur nicht gasförmig sind, verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie bei Körpertemperatur ausreichende Dampfdrücke von vorzugsweise mindes tens etwa 1330–2670 Pa (10–20 Torr), vorzugsweise 4000, 5330, 6670 oder 13300 Pa (30, 40, 50 oder 100 Torr) und bevorzugter von mindestens etwa 20 oder 26,7 kPa (150 oder 200 Torr) aufweisen. Bei dem ersten Typ der Mikrobläschen (kondensierendes Gas), der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sollte der Dampfdruck mindestens einer der Komponenten kleiner sein als etwa 120 oder 133 kPa (900 oder 1000 Torr), so dass, wenn eine ausreichende Gaskonzentration im Bläschen vorhanden ist, der während des Abbildungsvorgangs auf das Gas im Bläschen ausgeübte Absolutdruck größer ist als der Dampfdruck dieser Komponente, geteilt durch den anteiligen Partialdruck, der im Bläschen durch dieses Gas bereitgestellt wird. Daher gilt P_A < P_V/P_PF, wobei P_A den Absolutdruck im Bläschen, wenn es durch eine Ultraschallwelle komprimiert wird, P_V den Dampfdruck der relevanten Gasverbindung bei Körpertemperatur und P_Pf den Partialdruck dieses Gases dargestellt als Anteil des Gesamtgasdrucks im Bläschen bezeichnen. Beispielsweise sollte, wenn der Druck im Bläschen 133 kPa (1000 Torr) beträgt (101 kPa (760 Torr) Atmosphärendruck plus 13,3 kPa (100 Torr) Beitrag durch den systolischen Druck plus einem momentanen Druckbeitrag von 18,7 kPa (140 Torr) durch die Schallkompression) ein Kondensationsgas, das zu 50% zum Partialdruck im Bläschen beiträgt, bei Körpertemperatur einen Dampfdruck von weniger als 66,5 kPa (500 Torr) aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind Fluorkohlenstoffgase besonders bevorzugt. Der hierin verwendete Ausdruck Fluorkohlenstoff beinhaltet vollständig fluorierte Verbindungen (Perfluorkohlenstoffe) sowie teilweise fluorierte Kohlenwasserstoff-/Fluorkohlenstoffmaterialien, die alle unsubstituiert oder mit einem anderen Halogen substituiert sind, wie beispielsweise Br, Cl oder F oder mit einem anderen Substituent, wie beispielsweise O, OH, S, NO und ähnliche. Sub stanzen, die geeignete Löslichkeits- und/oder Dampfdruckkriterien erfüllen, sind beispielsweise Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan und Perfluorpropan.
Für Fachleute ist ersichtlich, dass andere Verbindungen geeignet sein können, die die vorstehend erwähnten Löslichkeits- und Dampfdruckkriterien nicht erfüllen. Es kommen bestimmte Verbindungen in Betracht, die außerhalb des bevorzugten Bereichs entweder der Löslichkeit oder des Dampfdrucks liegen, insofern diese Verbindungen die Störung in der anderen Kategorie kompensieren und eine ausgezeichnete Nichtlöslichkeit in Wasser oder einen hohen Dampfdruck oder eine Affinität für eine Lösung im verwendeten Tensid aufweisen.
Außerdem sollten die Gase für medizinische Zwecke biokompatibel oder nicht physiologisch schädlich sein. Schließlich werden die die Gasphase enthaltenden Mikrobläschen zerfallen, und die Gasphase wird im Blut entweder als gelöstes Gas oder als Submikron-Tröpfchen der kondensierten Flüssigkeit freigesetzt. Die Gase werden primär durch die Atmung über die Lungen oder durch eine Kombination aus Atmung und anderen metabolischen Wegen im retikuloendothelialen System entfernt.
Andere Komponenten
In den erfindungsgemäßen Mikrobläschenzusammensetzungen können andere Komponenten enthalten sein. Beispielsweise können Osmosemittel, Stabilisatoren, Chelatoren, Puffer, Viskositätsmodulatoren, Luftlöslichkeitsmodifikatoren, Salze und Zucker hinzugefügt werden, um die Mikrobläschensuspensionen für eine maximale Lebensdauer und eine effektive Kontrastverstärkung fein abzustimmen. Die Sterilität, die Isotonizität und die Biokompatibilität können die Verwendung derartiger herkömmlicher Additive in injizierbaren Zusammensetzungen beeinflussen. Die Verwendung derartiger Mittel ist für Fachleute ersichtlich, und die spezifischen Mengen, Verhältnisse und Typen der Mittel können ohne übermäßiges experimentellen Aufwand empirisch bestimmt werden.
Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrobläschen
Es stehen verschiedene Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Mikrobläschen zur Verfügung. Rehydration von sprühgetrockneten hohlen Mikrosphären ist bevorzugt. Beschallung oder Ultraschallbestrahlung ist ebenfalls ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen, wobei ein ultraschalltransmittierendes Septum verwendet oder ein Septum durch eine Ultraschallsonde eingebracht wird, die eine durch Ultraschall in Vibration versetzte subkutane Nadel aufweist. Es stehen jedoch auch verschiedene andere Verfahren zum Herstellen von Bläschen zur Verfügung. Beispielsweise können Gasinjektionstechniken verwendet werden, z.B. Venturigasinjektion.
Andere Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen beinhalten die Herstellung partikelförmiger Mikrosphären durch Ultraschallbestrahlung von Albumin oder eines anderen Proteins, wie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0359246 von Molecular Biosystems, Inc. beschrieben ist; die Verwendung von Tensiden und viskositätserhöhenden Mitteln, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4448442 beschrieben ist; lipidbeschichtete, nicht-liposomale Mikrobläschen, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4684479 beschrieben ist; Liposome mit eingeschlossenen Gasen, wie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5088499 und 5123414 beschrieben ist; und die Verwendung denaturierter partikelförmiger Albumin-Mikrosphären, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4718433 beschrieben ist.
Ultraschallbestrahlung kann auf. viele Arten erfolgen. Beispielsweise kann eine Phiole, die eine Tensidlösung und ein Gas im oberen Raum der Phiole enthält, durch eine dünne Membran ultraschallbestrahlt werden. Vorzugsweise hat die Membran eine Dicke von weniger als etwa 0,5 oder 0,4 mm und vorzugsweise von weniger als etwa 0,3 oder 0,2 mm, d.h. sie ist dünner als die Wellenlänge des in das Material transmittierten Ultraschallsignals, um eine geeignete Transmission zu erhalten und die Membranaufheizung zu minimieren. Die Membran kann beispielsweise aus Gummi, Teflon, Mylar, Urethan, einem aluminiumbeschichteten Film oder einem beliebigen anderen ultraschalldurchlässigen synthetischen oder natürlichen Polymerfilm oder filmbildenden Material hergestellt sein. Die Ultraschallbestrahlung kann durch Inkontaktbringen der Membran mit einer Ultraschallsonde oder sogar durch Drücken der Membran durch eine Ultraschallsonde oder durch einen fokussierten Ultraschall"strahl" ausgeführt werden. Die Ultraschallsonde kann ein Einwegartikel sein. Auf jeden Fall kann die Sonde gegen die Membran angeordnet oder durch die Membran in die Flüssigkeit eingeführt werden. Nach Abschluss der Ultraschallbestrahlung kann die Mikrobläschenlösung von der Phiole entnommen und dem Patienten verabreicht werden.
Die Ultraschallbestrahlung kann auch mit Hilfe einer Spritze mit einer leistungsarmen, durch Ultraschall in Vibration versetzten Aspirationsanordnung auf der Spritze, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, ausgeführt werden. Außerdem kann eine Spritze oder Phiole in einem leistungsarmen Ultraschallbad angeordnet und darin ultraschallbestrahlt werden, wobei die Energie an einem Punkt innerhalb des Behälters fokussiert wird.
Es kommen auch andersartige mechanische Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen in Betracht. Beispielsweise können Bläschen durch ein mechanisches Ventil mit hoher Scherkraft (oder eine Doppelspritzennadel) und zwei Spritzen oder einer Aspiratoranordnung auf einer Spritze hergestellt werden. Es kann sogar ein einfaches Schüttelverfahren verwendet werden. Die hierin beschriebenen Bläschenschrumpftechniken sind insbesondere für mechanisch hergestellte Bläschen geeignet, für die eine niedrigere Energie aufgewendet wird als für ultraschallbestrahlte Bläschen. Derartige Bläschen werden typischerweise einen Durchmesser haben, der wesentlich größer ist als derjenige des schließlich gewünschten biokompatiblen Abbildungsmittels, wobei durch die Reduzierung nicht-osmotischer Gase, wodurch das Osmosemittel in der Nähe der Sättigung konzentriert wird, veranlasst werden kann, dass die Bläschen auf eine geeignete Größe schrumpfen.
Gemäß einem anderen Verfahren können Mikrobläschen unter Verwendung einer flüssigen Osmosemittelemulsion hergestellt werden, die bei einem erhöhten Druck mit einem Modifikatorgas übersättigt ist, das einer Tensidlösung zugegeben wird. Dieses Herstellungsverfahren funktioniert ähnlich wie das Öffnen eines Sodakorkens, wobei das Gas durch Freisetzung des Drucks schäumt und Bläschen bildet.
Gemäß einem anderen Verfahren können Bläschen ähnlich wie beim Schäumen von Rasiercreme unter Verwendung von Perfluorbutan, Freon oder einem anderen, ähnlichen Material hergestellt werden, das siedet, wenn der Druck freigesetzt wird. In diesem Verfahren ist es jedoch zwingend erforderlich, dass die emulgierte Flüssigkeit bei ausreichend niedrigen Temperaturen siedet oder mehrere Bläschenkeimbildungsstellen aufweist, um ein Überhitzen und eine Übersättigung der wässerigen Phase zu verhindern. Diese Übersättigung wird anstatt zur gewünschten großen Anzahl kleiner Bläschen (eines für jedes Tröpfchen) zur Erzeugung einer kleinen Anzahl großer Bläschen an einer begrenzten Anzahl von Keimbildungsstellen führen.
Gemäß einem noch anderen Verfahren können trockene, einen Hohlraum enthaltende Partikel oder andere Strukturen (z.B. hohlkugelförmige oder wabenförmige Strukturen), die sich vorzugsweise in einer wässrigen Lösung rasch lösen oder hydrieren, wie beispielsweise Albumin, mikrofeine Zuckerkristalle, hohler, sprühgetrockneter Zucker, Salze, hohle Tensidsphären, getrocknete poröse Polymersphären, getrocknete poröse Hyaluronsäure oder substituierte Hyaluronsäuresphären oder sogar herkömmlich erhältliche getrocknete Laktosemikrosphären, zum Herstellen der erfindungsgemäßen Mikrobläschen verwendet werden.
Beispielsweise kann eine sprühgetrocknete Tensidlösung durch Zerstäuben einer Tensidlösung in einem erwärmten Gas, wie beispielsweise Luft, Kohlendioxid, Stickstoff oder einem ähnlichen Gas hergestellt werden, um getrocknete hohle oder poröse Sphären der Größe 1–10 μm zu erhalten, die in eine Phiole gefüllt werden, die mit einem hierin beschriebenen Osmosegas oder einem gewünschten Gasgemisch gefüllt ist. Das Gas wird in die Hohlräume der Sphären diffundieren. Die Diffusion kann durch Druck- oder Unterdruckzyklen unterstützt werden. Bei Lösung in einer sterilen Lösung werden die Sphären sich rasch auflösen, so dass osmosegasstabilisierte Bläschen in der Phiole verbleiben. Außerdem werden durch Hinzufügen von Stärke oder Dextrinen, eines Zuckerpolyesters und/oder eines Blähmittels, wie beispielsweise Methylenchlorid, 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science, Gibbstone, NJ) oder Perfluorhexan, Mikrobläschen mit einer erhöhten in-vivo-Zerfallszeit erhalten. Besonders bevorzugte Stärken zur Herstellung von Mikrobläschen sind solche mit einem Molekulargewicht von mehr als etwa 500000 Dalton oder einem Dextroseäquivalenz(DE)wert von weniger als etwa 12.
Der DE-Wert ist ein quantitatives Maß für den Grad der Stärkepolymerhydrolyse. Es ist ein Maß für die Verminderung der Leistung im Vergleich zu einem Dextrosestandard von 100. Je höher der DE-Wert ist, desto größer ist das Ausmaß der Stärkehydrolyse. Derartige bevorzugte Stärken sind beispielsweise Pflanzliche Stärken in Lebensmittelgüte, die in der Nahrungsmittelindustrie beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen N-LOK und CAPSULE von National Starch and Chemical Co. (Bridgewater, NJ) kommerziell erhältlich sind; derivatisierte Stärken, wie beispielsweise Hydroxyethylstärke (erhältlich unter den Handelsbezeichnungen HETASTARCH und HESPAN von du Pont Pharmaceutics) (M-Hydroxyethylstärke, Ajinimoto, Tokyo, Japan). (Beachte, dass kurzkettige Stärken zwar geeignet sprühtrockenbar sind und zum Erzeugen von Mikrobläschen geeignet sind, sie sind aber nicht bevorzugt, weil solche mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 500000 die Mikrobläschen nicht stabilisieren. Sie können allerdings erfindungsgemäß in Anwendungen verwendet werden, in denen keine zusätzliche Stabilisierung erforderlich ist.) Alternativ können ein lyophilisierter Tensidkuchen und volumenbildende Reagenzien, die mit einer feinporigen Struktur erzeugt werden, in einer Phiole mit einer sterilen Lösung angeordnet werden, in deren oberem Raum sich ein Osmosegasgemisch befindet ist. Die Lösung kann schnell eingefroren werden, um eine feine Eiskristallstruktur zu erzeugen, und erzeugt daher durch Lyophilisierung feine Poren (Hohlräume, aus denen die Eiskristalle entfernt sind).
Alternativ können jegliche nicht-lösbaren oder lösbaren hohlraumbildenden Strukturen verwendet werden. In dieser Ausführungsform, in der das hohlraumbildende Material nicht aus einem Tensid hergestellt ist und kein Tensid enthält, werden sowohl das Tensid als auch die die Flüssigkeit in den Behälter mit den Strukturen und dem (den) gewünschten Gas (Gasen) zugeführt. Nach der Lösung wird das Osmosegas in diesen Hohlräumen eingefangen und mit der Auflösung des festen Kuchens bilden sich Mikrobläschen mit dem (den) darin eingeschlossenen Gas (Gasen).
Die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Mikrobläschen können unter Verwendung eines Behälters hergestellt werden, der das vorstehend beschriebene Gas oder die Gase zum Herstellen der Mikrobläschen, die Flüssigkeit und das Tensid enthält. Der Behälter kann alle sterilen trockenen Komponenten und das Gas in einer Kammer enthalten, wobei die sterile wässerige Flüssigkeit in einer zweiten Kammer des gleichen Behälters angeordnet ist. Geeignete Zweikammer-Phiolenbehälter sind beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen WHEATON RS-177FLW oder 5-1702FL von Wheaton Glass Co., (Millville, NJ) erhältlich.
Alternativ kann zur Mikrobläschenherstellung eine umgekehrte Zweikammerphiole verwendet werden. Ein Vorteil bei diesem Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen besteht darin, dass die wässerige Phase zunächst durch einen Autoklaven oder eine andere Einrichtung eingeträufelt werden kann, woraufhin die sprühgetrockneten Mikrosphären eingeträufelt werden. Dadurch wird ein mögliches mikrobielles Wachstum in der wässerigen Phase vor der Sterilisierung verhindert.
Es sind andere geeignete Vorrichtungen bekannt und kommerziell erhältlich. Beispielsweise kann zum Auflösen des sprühgetrockneten Pulvers eine Zweikammer-Glasspritze verwendet werden, z.B. ein vorgefülltes Spritzensystem des Typs B-D HYPAK Liquid/Dry 5+5 ml Dual Chamber (Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ, das im US-Patent Nr. 4613326 beschrieben ist) .
Für Fachleute ist ersichtlich, dass auch andere Zweikammer-Lösungssysteme verwendbar sind, die in der Lage sind, das sprühgetrocknete Pulver mit der wässerigen Lösung auf sterile Weise zu kombinieren. In derartigen Systemen ist es besonders vorteilhaft, wenn die wässerige Phase zwischen das wasserunlösliche Osmosegas und die Umgebung eingefügt werden kann, um die Lagerbeständigkeit des Produkts zu erhöhen.
Alternativ kann der Behälter das hohlraumbildende Material und das Gas oder die Gase enthalten, und das Tensid und die Flüssigkeit können zugegeben werden, um die Mikrobläschen zu bilden. In einer Ausführungsform kann das Tensid gemeinsam mit anderen Materialien im Behälter angeordnet sein, so dass nur die Flüssigkeit hinzugefügt werden muss, um die Mikrobläschen herzustellen. Wenn ein zum Herstellen der Mikrobläschen erforderliches Material nicht bereits im Behälter vorhanden ist, kann es mit anderen Komponenten eines Kits abgepackt sein, vorzugsweise in der Form eines Behälters, der eine einfache Kombination mit den anderen Komponenten des Kits ermöglicht.
Der im Kit verwendete Behälter kann ein hierin an anderer Stelle beschriebener Behälter sein. In einer Ausführungsform ist der Behälter eine herkömmliche membrangedichtete Phiole. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist der Behälter eine Einrichtung zu Zuführen ausreichender Bläschenbildungenergie in die Inhaltsstoffe des Behälters auf. Diese Einrichtung kann beispielsweise ein dünnes film- oder lagenförmiges Element aufweisen.
Durch Hinzufügen von Tensiden und Befeuchtungsmitteln in die Schale der Mikrosphäre kann eine niedrigere Tensidkonzentration verwendet werden. Wenn die Mikrosphärenschale sich löst, umgibt sie vorübergehend das in ihrem Inneren gebildete Mikrobläschen mit einer Schicht aus einer wässerigen Phase, die mit den Tensiden gesättigt ist, wodurch ihre Anlagerungsfähigkeit auf der Oberfläche des Mikrobläschens verbessert wird. Daher sind für Mikrosphären, die sprühge trocknete Tenside enthalten, nur lokal hohe Tensidkonzentrationen erforderlich, so dass nicht in der gesamten wässerigen Phase eine hohe Tensidkonzentration vorliegen muss.
Abbildungs- oder Bildgebungsverfahren
Alle erfindungsgemäßen Mikrobläschenpräparate können einem Wirbeltier, z.B. einem Vogel oder einem Säugetier, als Kontrastmittel für durch Ultraschall abzubildende Bereiche des Wirbeltiers verabreicht werden. Vorzugsweise ist das Wirbeltier ein Mensch, und der abzubildende Bereich ist die Gefäßanordnung des Wirbeltiers. In dieser Ausführungsform wird dem Wirbeltier eine kleine Menge Mikrobläschen (z.B. 0,1 ml/kg basierend auf dem Körpergewicht des Wirbeltiers) intravaskulär verabreicht. Es können auch andere Mengen der Mikrobläschen verwendet werden, z.B. im Bereich von etwa 0,005 ml/kg bis etwa 1,0 ml/kg. Das Herz, die Arterien, die Venen und blutreiche Organe, wie beispielsweise die Leber und die Nieren, können durch diese Technik durch Ultraschall abgebildet werden. Unter der Voraussetzung, dass die Ultraschallbildgebungsmaschine derart eingestellt ist, dass eine spezifische Frequenz abgebildet wird, kann die Frequenz der dem Ultraschalltransducer zugeführten ausgehenden Welle einem Bruchteil der Abbildungsfrequenz (z.B. 1/2, 2/3, 1/3 und ähnliche) oder einem ganzzahligen Vielfachen oder einem bruchteilhaften Vielfachen der Abbildungsfrequenz (z.B. 2, 3/2, 3, 4 und ähnliche) entsprechen. Mit einer beliebigen spezifischen Kombination der Mikrobläschenzusammensetzung und der Anregungsfrequenz werden bestimmte Harmonische dominieren. Die zweite Harmonische ist ein allgemeines Beispiel. Die stärksten Harmonischen sind aus offensichtlichen Gründen bevorzugt, obwohl andere Harmonische, z.B. zur Herstellung mehrerer Bilder oder zur Eliminierung des Untergrunds, ausgewählt werden können. Dominante Harmonische können durch einfache empirische Tests der Mikrobläschenlösung bestimmt werden.
Die vorstehende Beschreibung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele verdeutlicht. Diese Beispiele zeigen jedoch lediglich bevorzugte Verfahren zum Realisieren der vorliegenden Erfindung und sollen den durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
Beispiel 1
Herstellung eines Ultraschallkontrastmittels durch Ultraschallbestrahlung
Mikrobläschen mit einer gewichteten mittleren Größe von 5 μm wurden durch Ultraschallbestrahlung einer isotonischen wässerigen Phase hergestellt, die 2% Pluronic F-68 und 1% Sukrosestearat als Tenside, Luft als Modifikatorgas und Perfluorhexan bei einer Konzentration in der Nähe der Sättigung bei 37°C enthält.
1,3 ml einer sterilen Wasserlösung, die 0,9% NaCl, 2% Pluronic F-68 und 1% Sukrosestearat enthält, wurde in eine 2,0 ml-Phiole gegeben. Die Phiole hatte einen oberen Restraum von 0,7 ml, der anfänglich Luft enthielt. Mit Perfluorhexandampf bei 25°C gesättigte Luft (29,3 kPa (220 Torr) Perfluorhexan mit 72 kPa (540 Torr) Luft) wurde verwendet, um den oberen Raum der Phiole auszuspülen). Die Phiole wurde mit einem dünnen 0,22mm-Polytetrafluorethylen(PTFE)septum versiegelt. Die Phiole wurde horizontal gedreht und eine an ein 50W-Ultraschallgerät des Typs VC50, erhältlich von Sonics & Materials, angeschlossene 3mm- (1/8'') Ultraschallsonde wurde leicht gegen das Septum gedrückt. In dieser Position trennt das Septum die Sonde von der Lösung. Dann wurde der Sonde Leistung zugeführt, und die Lösung wurde für 15s ultraschallbestrahlt, wodurch eine weiße Lösung aus fein ver teilten Mikrobläschen mit einer gewichteten mittleren Größe von 5 μm erhalten wurden, gemessen durch einen Laserlichtstreuungs-Partikelanalysator des Typs Horiba LA-700.
Beispiel 2
Verwendung eines durch Ultraschallbestrahlung hergestellten Kontrastmittels
Zwei Hasen wurden mit Dosen im Bereich von 0,1 bis 0,3 ml des gemäß Beispiel 1 hergestellten Kontrastmittels mit insgesamt 5 Injektionen pro Hase injiziert. Die Hasen wurden dann mit einem experimentellen Ultraschallgerät an der University of Toronto, Sunnybrook Health Science Center, 2075 Bayview Avenue, North York, Ontario, Canada bestrahlt, um Bilder zu erzeugen. Das Gerät war in der Lage, Abbildungen im normalen Grauwert- und Dopplermodus sowie im durch harmonische Signale verstärkten Grauwert- und Dopplermodus auszuführen. Bilder des Herzens, der inneren Vena cava, der Aorta, der Nieren und der Leber wurden untersucht. Die Bilder des Hasen waren wesentlich deutlicher, wenn während der Abbildung in den durch harmonische Signale verstärkten Modi das Kontrastmittel injiziert wurde. Kleine Gefäße waren nach der Kontrastmittelinjektion deutlich sichtbar, während nicht-vaskuläre Störsignale wesentlich reduziert waren. Diese Verstärkung dauerte für etwa 2 bis 3 Minuten an. Die verstärkten Bilder waren das Ergebnis des Kontrastmittels, durch das ausgezeichnete harmonische Ultraschallsignale erzeugt wurden.
Beispiel 3
Herstellung einer Zusammensetzung 1
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
Ein Liter jeder der folgenden Lösungen wurde mit Wasser für eine Injektion vorbereitet: Lösung A mit 4,0% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke (National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod, St. Louis, MO), und Lösung B mit 2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und 2,0% w/v Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp., Tokyo, Japan). Lösung B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung ausgebildet. Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert. Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen herzustellen:
2,0% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
2,0% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
0,87% Natriumphosphat, dibasisch (Mallinckrod)
0,26% Natriumphosphat, monobasisch (Mallinckrod)
1,7% w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,3% w/v Sukrosestearat S-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,1% w/v Sukrosestearat S-570 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
4,0% w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science)
Die Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate = 39,5 CFM
Einlasslufttemperatur = 255°C
Auslasslufttemperatur = 109°C
Luftdurchflussrate des Zerstäubers = 110 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1 l/h
Das trockene, hohle, kugelförmige Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen abgewogen, bei 13°C mit perfluorhexangesättigtem Stickstoff besprüht (2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde mit Perfluorhexan gesättigt, indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht waren.
Der Phioleninhalt wurde für eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 400 mg des sprühgetrockneten Pulvers gelöst, nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben, wenn das Wasser injiziert wird.
Beispiel 4
Verwendung der sprühgetrockneten Zusammensetzung 1 als Ultraschallkontrastmittel
Eine 1 ml Injektion des gemäß Beispiel 3 hergestellten Kontrastmittels wurde zwei Hasen verabreicht. Von den Hasen wurden dann wie in Beispiel 2 beschrieben Ultraschallbilder erzeugt.
Durch die Zusammensetzung wurde das durch die Mikrobläschen erzeugte harmonische Signal verstärkt. Das Kontrastmittel der sprühgetrockneten Zusammensetzung 1 erzeugte eine bessere Verstärkung als das in Beispiel 1 beschriebene ultraschallbestrahlte Kontrastmittel, und diese Verstärkung dauerte für etwa 4 Minuten an. Dieses verbesserte harmonische Ansprechverhalten und die Wirkungsdauer sind die Ergebnisse der Auswahl eines optimaleren nicht-Newtonschen Ten sidsystems. Die Zusammensetzung zeigt, dass ein kondensierbarer Dampf, ein absorbierbarer Dampf, ein nicht-Newtonsches Tensid und ein fluorkohlenstoffdampfstabilisiertes Monolagen-Tensidbläschen verstärkte Harmonische für eine ausgezeichnete in-vivo-Abbildung erzeugen.
Beispiel 5
Herstellung einer Zusammensetzung 2
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
Ein Liter jeder der folgenden Lösungen wurde mit Wasser für eine Injektion vorbereitet: Lösung A mit 4% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke (National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod, St. Louis, MO), und Lösung B mit 2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und 2% w/v Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp., Tokyo, Japan). Lösung B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung B ausgebildet. Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert. Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen herzustellen:
2,0% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
3,0% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
1,7% w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,2% w/v Sukrosestearat S-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,1% w/v Sukrosestearat S-570 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
4,0% w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science)
Die Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate = 39,5 CFM
Einlasslufttemperatur = 220°C
Auslasslufttemperatur = 103°C
Luftdurchflussrate des Zerstäubers = 110 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1 l/h
Das trockne, hohle, kugelförmige Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen abgewogen, bei 13°C mit perfluorhexangesättigtem Stickstoff besprüht (2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde mit Perfluorhexan gesättigt, indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht waren.
Der Phioleninhalt wurde für eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 350 mg des sprühgetrockneten Pulvers gelöst, nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben, wenn das Wasser injiziert wird.
Beispiel 6
Verwendung der sprühgetrockneten Zusammensetzung 2 als Ultraschallkontrastmittel
Zwei 1 ml Injektionen des gemäß Beispiel 5 hergestellten Kontrastmittels wurde zwei Hasen verabreicht. Von den Hasen wurden dann wie in Beispiel 2 beschrieben Ultraschallbilder erzeugt.
Durch die Zusammensetzung wurde das durch die Mikrobläschen erzeugte harmonische Signal verstärkt. Das Kontrastmittel der sprühgetrockneten Zusammensetzung 2 erzeugte eine bessere Verstärkung als das in Beispiel 1 beschriebene ultraschallbestrahlte Kontrastmittel das in Beispiel 3 beschriebene sprühgetrockneten Kontrastmittel der Zusammensetzung 1, und diese Verstärkung dauerte für etwa 5 Minuten an. Dieses verbesserte harmonische Ansprechverhalten und die Wirkungsdauer sind die Ergebnisse der verbesserten Tensidzusammensetzung. Die Zusammensetzung zeigt erneut, dass ein kondensierbarer Dampf, ein absorbierbarer Dampf, ein nicht-Newtonsches Tensid und ein fluorkohlenstoffdampfstabilisiertes Monolagen-Tensidbläschen verstärkte Harmonische für eine ausgezeichnete in-vivo-Abbildung erzeugen.
Beispiel 7
Herstellung einer Zusammensetzung 3
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
Ein Liter jeder der folgenden Lösungen wurde mit Wasser für eine Injektion vorbereitet: Lösung A mit 4% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke (National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod, St. Louis, MO), und Lösung B mit 2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und 2% w/v Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp., Tokyo, Japan). Lösung B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung B ausgebildet. Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert. Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen herzustellen:
3,9% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
3,25% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
2,83% Natriumphosphat, dibasisch (Mallinckrod)
0,42% Natriumphosphat, monobasisch (Mallinckrod)
2,11% w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,32% w/v Sukrosestearat S-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,16% w/v Sukrosestearat S-570 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
3,0% w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science)
Die Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate = 31 CFM
Einlasslufttemperatur = 370°C
Auslasslufttemperatur = 120°C
Luftdurchflussrate des Zerstäubers = 290 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1,5 l/h
Das trockne, hohle, kugelförmige Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen abgewogen, bei 13°C mit perfluorhexangesättigtem Stickstoff besprüht (2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde mit Perfluorhexan gesättigt, indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht waren.
Der Phioleninhalt wurde für eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 100 mg des sprühgetrockneten Pulvers gelöst, nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben, wenn das Wasser injiziert wird.
Beispiel 8
Verwendung der sprühgetrockneten Zusammensetzung 3 als Ultraschallkontrastmittel
Ein betäubter Hund mit einem Gewicht von etwa 20 kg wurde für eine Untersuchung an der Mayo Clinic, 200 First Street Southwest, Rochester, Minnesota durch ein experimentelles Ultraschallbildgebungsgerät vorbereitet, das in der Lage war, Abbildungen im normalen Grauwert- und Dopplermodus sowie im durch harmonische Signale verstärkten Grauwert- und Dopplermodus auszuführen. Das Gerät war unabhängig von dem in den vorstehend beschriebenen Beispielen verwendeten Gerät konstruiert. Bilder des Herzens des Hundes wurden in allen Modi vor und nach einer Injektion von 0,5ml-, 1,5ml- und 2ml-Dosen des in Beispiel 7 beschriebenen Mikrobläschen-Ultraschallkontrastmittels aufgenommen.
Die Bilder der durch Harmonische verstärkten Modi waren weitaus besser als die Bilder der normalen Modi hinsichtlich der Definition der Bewegungen der Herzwand, des Volumens der Kammern und der Visualisierung des den Herzmuskel perfundierenden Kontrastmittels. Es wurden einzelne Perforatoriumgefäße im Septum des Herzens beobachtet. Das Kontrastmittel hatte eine nutzbare Lebensdauer in Blut von etwa 5 Minuten.
Die vorstehend beschriebenen Experimente zeigen, dass verstärkte Harmonische erzeugt werden durch Mikrobläschen, die (1) Perfluorhexan mit einem Dampfdruck bei 37°C von mehr als 23 Torr und weniger als 1 % wt./wt. Löslichkeit in Was ser aufweisen und bei einer Gaskonzentration von mehr als 2 Mol-% und über 50% ihrer Sättigungskonzentration vorhanden sind, wodurch die Erzeugung von Harmonischen durch Kondensation verstärkt wird; (2) ein Gas mit mehr als 2 Mol.-% Perfluorhexan aufweisen, das (a) eine Löslichkeit seiner flüssigen Phase in Hexan bei 37°C von mehr als 10% Mol/Mol und (b) eine Löslichkeit seiner flüssigen Phase in Wasser bei 37°C von weniger als 1% wt./wt. aufweist, so dass die Erzeugung Harmonischer durch Adsorption/Lösung in der Tensidschicht verstärkt wird; (3) ein nicht-Newtonsches Tensid aufweisen, das die Erzeugung Harmonischer verstärkt oder (4) durch Perfluorhexan stabilisierte Mikrobläschen, ein Gasosmosemittel und eine Monolage aus einem Tensid aufweisen, wodurch die Erzeugung Harmonischer verstärkt wird.
Beispiel 9
Verwendung eines durch Ultraschallbestrahlung hergestellten Ultraschallkontrastmittels
Ein Mikrobläschenkontrastmittel wird durch Ultraschallbestrahlung gemäß Beispiel 1 hergestellt, außer dass die Atmosphäre in der Phiole vor der Ultraschallbestrahlung (und daher das Gas in den Mikrobläschen) aus 100% Perfluorbutan bestand und die Lösung in der ultraschallbestrahlten Phiole 0,9% Saline plus 3% Pluronic F-68 (ein Newtonsches wasserlösliches Tensid, das nur kleine Änderungen in der Oberflächenspannung zeigt, wenn die Monolage komprimiert wird) aufwies.
Bilder eines Hasen wurden wie in Beispiel 2 erzeugt, nachdem 0,3 ml dieses Kontrastmittels verabreicht wurden. Obwohl die vaskuläre Wirkungsdauer und die Erzeugung Harmonischer für diese Zusammensetzung nicht optimal sind, können aufgrund der Fähigkeit von Perfluorbutan, sich im hydrophoben Bereich der Monolage aus Pluronic F-68 zu lösen oder darin adsorbiert zu werden, im Vergleich zu luftgefüllten Mikrobläschen größere Verstärkungen Harmonischer erzielt werden. Dies ist der Fall, weil Perfluorbutan eine Löslichkeit in Hexan von mehr als 10% Mol/Mol und eine Wasserlöslichkeit von weniger als 1% wt./wt. aufweist. Außerdem werden die Bläschen durch ihre Gasanteile stabilisiert und weisen eine Tensid-Monolage auf.
Beispiel 10
Verwendung eines durch Ultraschallbestrahlung hergestellten Ultraschallkontrastmittels
Das in Beispiel 9 beschriebene Kontrastmittel wurde mit Bläschen hergestellt, die mit Perfluorhexan bei 13°C gesättigtes Stickstoff enthalten. Unter Verwendung des Kontrastmittels wurden wie vorstehend beschrieben Ultraschallbilder von Hasen erzeugt. Die Verstärkung der Harmonischen ist bei dieser Zusammensetzung besser als in Beispiel 9, weil zusätzlich zur Adsorption und den gasstabilisierenden Effekten von Beispiel 9 das Perfluorhexan im angeregten Zustand kondensieren kann, wenn es z.B. in einem Anteil von mehr als 2 Mol-% der Gasphase und bei einer Konzentration von mehr als 50% seiner Sättigungskonzentration vorhanden ist, weniger als 1% wt./wt. Löslichkeit in Wasser und einen Dampfdruck bei 37°C von über 3070 Pa (23 Torr) aufweist.
Beispiel 11
Verwendung eines Ultraschallkontrastmittels, das albuminbeschichtete Mikrobläschen enthält
Die kommerziell erhältliche Mikrobläschenzusammensetzung Albunex (Molecular Biosystems Inc., San Diego, CA) wird unter Verwendung von mit Perfluorhexan bei 13°C gesättigtem Stickstoff als Gasgemisch, das während der Herstellung der Bläschen vorhanden ist, durch Ultraschallbestrahlung gemäß dem im US-Patent Nr. 4957656 beschriebenen Verfahren hergestellt. Das Kontrastmittel wird einem Hasen injiziert, und es werden wie in Beispiel 2 Ultraschallbilder erzeugt. Obwohl dieses Mittel durch viele Schichten des Albumintensids gedämpft ist und kein nicht-Newtonsches Tensid enthält, ist seine Harmonischenverstärkung aufgrund des Vorhandenseins von Perfluorhexan, das während der Anregung kondensieren und adsorbiert wird, erhöht, wodurch bessere Ultraschallbilder erzeugt werden.
Obwohl in der vorstehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und die beste Technik zum Implementieren der Erfindung ausführlich erläutert worden sind, ist ersichtlich, dass die Erfindung innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung auch auf verschiedene andere Weisen realisiert werden kann.

Claims

System zur Abbildung eines Objekts oder Körpers durch Ultraschall, wobei das System aufweist: einen Wandler, der eine Grundfrequenz emittieren kann; einen Empfänger, der mindestens eine andere Frequenz als die Grundfrequenz erfassen kann, wodurch die mindestens eine erfaßte Frequenz zur Darstellung eines Bildes zumindest eines Teils des Objekts oder Körpers verwendet werden kann; ein dem Objekt oder Körper zu verabreichendes Kontrastmittel, wobei das Kontrastmittel mehrere Mikroblasen aufweist, wobei die Mikroblasen eine im allgemeinen kugelförmige Membran aufweisen, wobei die Mikroblasen mindestens ein Gas oder einen Dampf aufweisen, das (der) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenwasserstoffen oder Fluorkohlenstoffen in einer Konzentration von mindestens 2% Stoffmengenanteil besteht, wobei das Gas oder der Dampf eine Löslichkeit seiner flüssigen Phase in Hexan bei 37°C von mehr als 10% mol/mol und eine Wasserlöslichkeit seiner flüssigen Phase von weniger als etwa 1 Gew.-% in Wasser bei 37°C aufweist; und wobei die mehreren Mikroblasen bei Beschallung mit der Grundfrequenz Ultraschallenergie mit anderen Frequenzen als der Grundfrequenz ausstrahlen.
System nach Anspruch 1, wobei das Gas oder der Dampf aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, 1,1,2-Trichlortrifluorethan, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Pentan, Hexan, Dichlordifluormethan, Trichlormonofluormethan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan, Per fluorpropan, Butan, Cyclobutan, Propan, Methan und Ethan besteht.
System nach Anspruch 1, wobei die Mikroblasen ein Tensid aufweisen.
System nach Anspruch 3, wobei das Tensid ein fluoriertes Tensid aufweist.
System nach Anspruch 3, wobei das Tensid ein nicht-Newtonsches Tensid ist.
System nach Anspruch 2, wobei das Gas oder der Dampf eine Verbindung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Perfluorpropan, Perfluorbutan, Perfluorpentan und Perfluorhexan besteht.
System nach Anspruch 3, wobei das Tensid aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Phospholipiden, Zuckerestern, Blockcopolymeren, Zonyl-Tensiden, Fettsäuren und Fettsäuresalzen besteht.
System nach Anspruch 1, wobei die Mikroblasen ein Gas- oder Dampfgemisch mit mindestens einem Gasosmosemittel und mindestens einem Modifikatorgas aufweisen.
System nach Anspruch 2, wobei das Gas oder der Dampf Perfluorhexan aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei das Modifikatorgas Stickstoff ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Mikroblasen ein Protein aufweisen.
System nach Anspruch 11, wobei das Protein Albumin ist.
System nach Anspruch 8, wobei das Gasosmosemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Perfluorpropan, Perfluorbutan, Perfluorpentan und Perfluorhexan besteht.
System nach Anspruch 1, wobei die Mikroblasen abbildungsfähige Ultraschallenergie bei einer Frequenz ausstrahlen, die sich von der durch die Ultraschallquelle ausgestrahlten Frequenz unterscheidet und von der Resonanzfrequenz der Mikroblase unabhängig ist.