Photoacoustic Imaging and Delivery

Abstract

O futuro da medicina passa pela medicina personalizada com agentes terapêuticos específicos para cada paciente, potenciando o efeito terapêutico. Isto só é possível combinando poderosas técnicas de imagem molecular e tratamentos individualizados.A tomografia fotoacústica (PAT, do inglês photoacoustic tomography) é uma técnica de imagiologia inovadora desenvolvida nas últimas décadas. A PAT explora o efeito termoelástico para transformar a energia de um feixe de luz em ondas de pressão. A hemoglobina pode ser utilizada como agente de contraste endógeno para visualizar estruturas vasculares, mas a translação da PAT para a clínica requer o desenvolvimento de melhores agentes de contraste. Nomeadamente, os macrociclos tetrapirrólicos reúnem as características certas para serem utilizados em PAT, e a sua combinação com agentes de contraste de mudança de fase pode aumentar a sua eficiência. As nanogotículas são partículas metastáveis compostas por um núcleo de perfluorocarbono que podem sofrer uma transição de fase quando sujeitas a alterações de temperatura ou pressão, levando a um aumento da intensidade das ondas fotoacústicas (PAW, do inglês photoacoustic wave) resultantes.Neste estudo, nanogotículas, preparadas com perfluoropentano e albumina, foram usadas para incorporar macrociclos tetrapirrólicos e gerar PAWs mais intensas após a mudança de fase. Para modular a solubilidade dos macrociclos tetrapirrólicos em perfluoropentano, foram adicionadas diferentes cadeias laterais às moléculas sintetizadas. Os metais usados para as reações de complexação são paramagnéticos uma vez que promovem o decaimento não-radiativo. A vaporização destas estruturas após absorção de luz laser pulsada foi analisada utilizando calorimetria fotoacústica, comparando o sinal fotoacústico produzido com uma solução de albumina de referência, para avaliar se estávamos na presença de um processo de vaporização. O sinal fotoacústico é mais intenso nas nanogotículas em comparação com as soluções BSA, sugerindo que o contraste na PAT pode ser melhorado através do uso destas estruturas.As PAWs podem ser geradas utilizando um material piezofotónico que converte eficientemente a energia de um laser pulsado em pulsos de pressão. Uma das aplicações destas PAWs é permeabilizar transientemente as camadas externas da pele ou células. Uma vez que o microambiente tumoral se caracteriza por um sistema de circulação sanguínea ineficiente, que tem impacto na perfusão e distribuição de fármacos, investigámos a possível utilização de PAWs em priming fotoacústico de tumores. O priming pode aumentar a permeação de fármacos, desde moléculas pequenas a macromoléculas, e uniformizar a sua distribuição por todo o tumor. Uma das aplicações do priming tumoral é na entrega de fotossensibilizadores (PS, do inglês photosensitizer), para melhorar a eficácia da terapia fotodinâmica (PDT, do inglês photodynamic therapy), ou de anticorpos monoclonais (mAb, do inglês monoclonal antibody), para imunoterapia. Os mAbs ou PSs têm tipicamente um peso molecular elevado e, apesar de beneficiarem do efeito de maior retenção e permeação no tumor, não se distribuem uniformemente no mesmo. O modelo tumoral 4T1 é um modelo agressivo de cancro da mama metastático, que apresenta uma pobre perfusão de fármacos e maus resultados terapêuticos. Os tratamentos de PDT e imunoterapia com este modelo levam a pequenas melhorarias na sobrevivência dos animais, mas não resultam em curas A redaporfin é um PS em ensaios clínicos para cancro avançado da cabeça e pescoço e tem sido estudada para PDT vascular em vários modelos animais. Pode também ser utilizada em PAT para visualizar a distribuição no tumor antes do tratamento. A PDT com redaporfin aumentou a sobrevivência e as curas em murganho numa variedade de tumores subcutâneos, mas isto não é verdade para tumores ortotópicos 4T1. Da mesma forma, o uso de inibidores de checkpoints imunológicos (ICB, do inglês immune checkpoint blockers) foi estudado em diferentes tipos de cancro e não trouxe melhorias significativas neste modelo de cancro da mama.Para melhorar os resultados da PDT utilizámos priming fotoacústico antes do protocolo de iluminação. As imagens PAT para deteção da redaporfin mostraram um sinal aumentado nos tumores expostos a PAWs, culminando numa maior taxa de sobrevivência. O priming fotoacústico foi também utilizado com o ICB anti antígenio-4 do linfócito T citotóxico (CTLA-4, do inglês cytotoxic T-lymphocyte associated molecule 4) levando a um aumento da sobrevivência global em 13 dias, mas sem efeitos na taxa de cura. Este trabalho tenta resolver problemas relacionados com a penetração de fármacos em tumores sólidos, que é uma das principais razões para o insucesso de muitos tratamentos. As PAWs podem aumentar a permeação de fármacos através das barreiras biológicas do tumor, aumentando a concentração final e potenciando o seu efeito terapêutico.

Personalized medicine is the future of medical treatment, with specific therapeutic agents for each patient that will lead to better outcomes. This is only possible with the combination of powerful molecular imaging techniques and individualized treatments. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging imaging technique. It exploits the thermoelastic effect to transform pulsed laser light into pressure waves. PAT was introduced in preclinical research to visualize vascular structures using haemoglobin as endogenous contrast agent. Its translation to clinical settings requires the development of contrast agents with enhanced resolution and contrast. Tetrapyrrolic macrocycles properties make them good candidates for PAT and their combination with phase-change contrast agents can increase the final contrast. Nanodroplets are metastable particles with a perfluorocarbon core that can undergo a phase transition upon small temperature or pressure changes, increasing the intensity of the resulting photoacoustic waves (PAWs).In this work, nanodroplets were used to carry a tetrapyrrolic contrast agent to increase the photoacoustic contrast upon activation. Nanodroplets were prepared with a perfluoropentane core and an albumin shell. To modulate solubility in perfluoropentane, new porphyrins and phthalocyanines were synthetized with different side chains. Varying paramagnetic metals were used for complexation with the macrocycles to increase the generation of photoacoustic signals. To evaluate the vaporization of these structures after pulsed laser light absorption, a photoacoustic calorimetry apparatus was used. The photoacoustic signal produced by nanodroplets was compared with that of a reference BSA solution, to evaluate the occurrence of a vaporization process. Enhanced photoacoustic signals were detected after the excitation of the contrast agents in nanodroplets in comparison with BSA solutions, suggesting that the contrast in PAT can be enhanced by using these structures.PAWs can be generated using a piezophotonic material that efficiently converts the energy from a pulsed laser into pressure pulses. One of the applications of such pressure pulses is to transiently permeabilize the outer layers of skin or cell membranes. Tumor microenvironments are characterized by an inefficient blood circulation system, which has impact on drug permeability and distribution, ultimately influencing the treatment outcome. With a view to increase drug infiltration in solid tumors, we investigated the use of PAWs in photoacoustic tumor priming. Enhanced treatment can be achieved with the infiltration of drugs in the entire tumor volume. Photoacoustic tumor priming was used to increase the delivery of a photosensitizer (PS), leading to an improvement of photodynamic therapy (PDT) efficacy, or monoclonal antibodies (mAb) for immunotherapy. PS or mAbs typically present high molecular weight and, although they benefit from the enhanced permeation retention effect, are not evenly distributed in the tumors which can limit the treatment outcome. The 4T1 model was selected as a target. It is an aggressive metastatic breast cancer model where drug distribution is hampered culminating in poor therapeutic outcomes. PDT and immunotherapy treatments with this challenging model have limited impact in tumor progression and do not result in cures. Redaporfin is a photosensitizer that is in clinical trials for advanced head and neck cancer and has been studied for vascular-PDT in several animal models. This PS can also be used in PAT, which allows its visualization in the tumor before therapy. Redaporfin-PDT was shown to increase the cures in mice with a variety of subcutaneous tumors. However, orthotopic 4T1 tumors, proved to be challenging to treat. Similarly, the use of immune checkpoint blockers (ICBs) has been studied for different cancers and showed poor results in this breast cancer model. To improve PDT results, the animals were exposed to photoacoustic tumor priming as part of the vascular redaporfin-PDT protocol. The PAT images showed an increased signal in the tumors exposed to PAWs that resulted in a higher survival rate. Photoacoustic tumor priming combined with the ICB cytotoxic T lymphocyte-associated molecule-4 (CTLA-4) increased the overall survival by 13 days but did not impact the cure rate. This work is a contribution to overcome the poor drug infiltration into solid tumors, that is recognized as one of the major reasons for the failure of many treatments. PAWs can increase the permeabilization in tumor biological barriers leading to an increase of the drug in the tumor and a better treatment outcome.