Non-invasive blood-brain barrier (BBB) opening using focused ultrasound (FUS) is being tested as a means to locally deliver drugs into the brain. Such FUS therapies require injection of preformed microbubbles, currently used as contrast agents in ultrasound imaging. Although their behavior during exposure to imaging sequences has been well described, our understanding of microbubble stability within a therapeutic field is still not complete. Here, we study the temporal stability of lipid-shelled microbubbles during therapeutic FUS exposure in two timescales: the short time scale (i.e., μs of low-frequency ultrasound exposure) and the long time scale (i.e., days post-activation). We first simulated the microbubble response to low-frequency sonication, and found a strong correlation between viscosity and fragmentation pressure. Activated microbubbles had a concentration decay constant of 0.02 d-1 but maintained a quasi-stable size distribution for up to 3 weeks (< 10% variation). Microbubbles flowing through a 4-mm vessel within a tissue-mimicking phantom (5% gelatin) were exposed to therapeutic pulses (fc: 0.5 MHz, peak-negative pressure: 300 kPa, pulse length: 1 ms, pulse repetition frequency: 1 Hz, n=10). We recorded and analyzed their acoustic emissions, focusing on emitted energy and its temporal evolution, alongside the frequency content. Measurements were repeated with concentration-matched samples (107 microbubbles/ml) on day 0, 7, 14, and 21 after activation. Temporal stability decreased while inertial cavitation response increased with storage time both in vitro and in vivo, possibly due to changes in the shell lipid content. Using the same parameters and timepoints, we performed BBB opening in a mouse model (n=3). BBB opening volume measured through T1-weighted contrast-enhanced MRI was equal to 19.1 ± 7.1 mm3, 21.8 ± 14 mm3, 29.3 ± 2.5 mm3, and 38 ± 20.1 mm3 on day 0, 7, 14, and 21, respectively, showing no significant difference over time (p-value: 0.49). Contrast enhancement was 24.9 ± 1.7 %, 23.7 ± 11.7 %, 28.9 ± 5.3 %, and 35 ± 13.4 %, respectively (p-value: 0.63). In conclusion, the in-house made microbubbles studied here maintain their capacity to produce similar therapeutic effects over a period of 3 weeks after activation, as long as the natural concentration decay is accounted for. Future work should focus on stability of commercially available microbubbles and tailoring microbubble shell properties towards therapeutic applications.

中文翻译：

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带壳的微泡在声学介导的血脑屏障打开过程中的时间稳定性。

使用聚焦超声（FUS）的非侵入性血脑屏障（BBB）开放正在测试中，作为将药物局部输送到大脑的一种手段。这种FUS疗法需要注射预先形成的微泡，这些微泡目前在超声成像中用作造影剂。尽管已经充分描述了它们在暴露于成像序列期间的行为，但是我们对治疗领域内微泡稳定性的理解仍然不完整。在这里，我们在两个时间尺度上研究治疗性FUS暴露过程中带壳的微泡的时间稳定性：短时间尺度（即，低频超声暴露的μs）和长时间尺度（即，激活后的天数）。我们首先模拟了微泡对低频声处理的响应，并发现粘度和破碎压力之间存在很强的相关性。活化的微气泡的浓度衰减常数为0.02 d-1，但在3周内保持准稳定的尺寸分布（变化小于10％）。流过组织模拟体模中的4毫米血管的微气泡（5％明胶）暴露于治疗性脉冲（fc：0.5 MHz，峰值负压：300 kPa，脉冲长度：1 ms，脉冲重复频率：1 Hz ，n = 10）。我们记录并分析了它们的声发射，重点是发射的能量及其随时间的演变以及频率含量。在激活后第0、7、14和21天，用浓度匹配的样品（107微泡/ ml）重复测量。时间稳定性降低，而惯性空化响应随体内和体外的保存时间而增加，这可能是由于壳中脂质含量的变化所致。使用相同的参数和时间点，我们在小鼠模型（n = 3）中执行了BBB打开。在第0、7、14和21天，通过T1加权对比增强MRI测量的BBB开口体积分别等于19.1±7.1 mm3、21.8±14 mm3、29.3±2.5 mm3和38±20.1 mm3。随时间变化的显着差异（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。我们在小鼠模型（n = 3）中执行了BBB打开。在第0、7、14和21天，通过T1加权对比增强MRI测量的BBB开口体积分别等于19.1±7.1 mm3、21.8±14 mm3、29.3±2.5 mm3和38±20.1 mm3。随时间的差异显着（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。我们在小鼠模型（n = 3）中执行了BBB打开。在第0、7、14和21天，通过T1加权对比增强MRI测量的BBB开口体积分别等于19.1±7.1 mm3、21.8±14 mm3、29.3±2.5 mm3和38±20.1 mm3。随时间的差异显着（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。在第0、7、14和21天，通过T1加权对比增强MRI测量的BBB开口体积分别等于19.1±7.1 mm3、21.8±14 mm3、29.3±2.5 mm3和38±20.1 mm3。随时间的差异显着（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应集中在市售微泡的稳定性和针对治疗应用调整微泡壳的性能。在第0、7、14和21天，通过T1加权对比增强MRI测量的BBB开口体积分别等于19.1±7.1 mm3、21.8±14 mm3、29.3±2.5 mm3和38±20.1 mm3。随时间的差异显着（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。在第0、7、14和21天分别为1 mm3，随时间变化无明显差异（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。在第0、7、14和21天分别为1 mm3，随时间变化无明显差异（p值：0.49）。对比度增强分别为24.9±1.7％，23.7±11.7％，28.9±5.3％和35±13.4％（p值：0.63）。总之，只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的自制微泡在激活后的3周内仍保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的内部制造的微泡在激活后的3周内即可保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。只要考虑到自然浓度的衰减，此处研究的内部制造的微泡在激活后的3周内即可保持产生类似治疗效果的能力。未来的工作应侧重于市售微泡的稳定性，并针对治疗应用调整微泡壳的性能。