靶向微泡造影剂的初步体内研究是在模型系统中进行的，如睾提肌，因为使用荧光微泡可以通过活体显微镜实现超声造影剂靶向的验证。
特异性配体包括抗p选择素的抗体，该抗体可通过局部给药肿瘤坏死因子(TNF)-α进行化学诱导。通过显微镜和超声观察到毛细血管小静脉内抗p选择靶向微泡和白细胞的聚集。缺血再灌注损伤后(如肾动脉结扎模型)，p选择素上调，抗p选择素的微泡可靶向炎症的肾血管。
出于分子成像造影剂开发的目的，一种不需要广泛手术的更简单的动物模型可能是有用的，例如在脚垫注射TNF-α后建立的后腿血管化学诱导炎症反应小鼠模型。该模型用于测试聚合标记唾液酸化路易斯寡糖-x抗原微泡与抗体靶向泡。与体外实验一样，与抗p -选择素抗体气泡相比，标记唾液酸化路易斯寡糖-x抗原微泡在股动脉中实现了更好的微泡靶向。而在股静脉中，这两种微泡制剂的靶向效果相似。这一结果可能归因于动脉中更快的血流。
细胞间黏附分子(ICAM)-1和血管细胞黏附分子(VCAM)-1是炎症反应的重要标志物，在血管内皮表面上调的时间晚于p选择素。携带这些抗体配体的微泡可用于大鼠自身免疫性脑脊髓炎模型的分子成像。在另一种慢性炎症条件下，克罗恩病小鼠模型中，有报道称病变血管内皮Mad-CAM-1上调与超声对比信号呈正相关。
通过靶向超声成像对血栓的监控被认为是一个重要的分子成像目标。为此，将RGD序列肽(能够与活化血小板上的GP IIb/IIIa受体结合)标记在微泡表面，在小鼠睾提肌模型中观察到体内靶向新形成的凝块。Abcix-imab是一种针对这种活化血小板受体的抗体，也可用于气泡凝块靶向。在其他研究中，据报道，在犬股静脉模型中，另一种多肽修饰的气泡也可与血栓结合。
分子成像评估的一个非常重要的条件是血管生成。在血管生成过程中，内皮表面的许多内皮标记物被上调，特别是αvβ3和血管内皮生长因子(VEGF)受体。血管生成可以是癌结生长的标志，也可以作为治疗慢性缺血(例如骨骼肌)的治疗干预手段。41监测这些情况在临床前动物研究和临床中可能很重要。研究表明，具有RGD基序的锯鳞血抑肽在多种动物模型中对αvβ3具有高亲和力，而抗体通常是物种特异性的，不能用于多种动物模型。αvβ3微泡可用于通过超声评估基质模型和更现实的肿瘤环境中的血管发育，共聚焦显微镜确认靶向微泡蓄积作用。用抗VEGF受体2抗体修饰的微泡还可以检测肿瘤区域的血管生成内皮，甚至可以监测抗癌治疗的进展。在血管生成的血管环境中，还有各种各样的其他配体可用于微泡固定和靶向，如RRL肽、针对内啡肽/CD105的抗体等。也可用于其他成像方式的小分子(多肽或模拟物)可以固定在微泡外壳上，以引导其到达αvβ3。
体外和体内模型系统中初始靶向分子成像研究的很大一部分是由心脏病专家进行的。事实上，心脏分子成像对于各种病理的可视化是至关重要的，从心肌梗死相关的缺血再灌注损伤到心脏移植排斥反应，到动脉粥样硬化发展的监测，以及动脉中易损斑块的成像，以及血栓和血管生成。
第一个靶向微泡心脏成像研究是在急性缺血再灌注损伤模型中进行的，该模型在狗身上注射了涂有磷脂酰丝氨酸的白细胞靶向微泡，磷脂酰丝氨酸是颗粒吞噬摄取的标记物。这些微泡针对的是在血管中积累且尚未外渗的白细胞:在再灌注后1小时观察到最靶向的造影剂在梗死区积累。在心肌中观察到超声造影剂信号、中性粒细胞靶向放射性示踪剂的积累与髓过氧化物酶(炎症的酶标记物)之间的相关性。上述方法的对比机制是基于白细胞在缺血-再灌注损伤区与上调的细胞粘附分子(p-选择素、e-选择素、ICAM-1和VCAM-1)在血管内膜上的强烈结合现象。因此，不依赖白细胞作为微泡的二级捕获目标可能是更好的策略，而是设计真正的分子显像剂，直接结合内皮细胞上上调的p-选择素、e-选择素、ICAM-1或VCAM-1分子。在移植模型中，将抗ICAM-1抗体包被的微泡给予异位心脏移植大鼠，成功地在心脏环境中使用了ICAM-1靶向微泡。排斥心脏的靶向微泡对比强度几乎比非排斥对照高一个数量级。
动脉粥样硬化斑块的检测对于预防心血管疾病的发病率和死亡率可能更为重要。由于潜在的炎症，活性斑块区域的内皮细胞被激活的过程中，内皮细胞中这些位点上的VCAM-1和选择素被上调，用抗VCAM-1靶向微泡和抗p-选择素靶向或抗e -选择素靶向泡进行分子成像可能是有用的。在这种情况下，可用的动物模型是高胆固醇饮食的apoE-/-小鼠。最近，研究人员利用抗ICAM-1抗体修饰的生物素化微泡成功靶向了这类小鼠主动脉弓内的斑块。由于大多数单克隆抗体本身可能无法在快速流动条件下靶向气泡，因此在同一链霉亲和素修饰的微泡上结合快速结合的生物素化SialylLewisx聚合物和紧密结合的生物素化抗vcam -1抗体可能会有所帮助。事实上，在高胆固醇饮食的apoE-/-小鼠中，这些配体组合的微泡靶向成功地在动脉血管区域积累，但在对照组小鼠中却没有，尽管有高剪切流量。
靶向微泡分子成像成功应用于临床主要心血管成像场景的动物研究。显然，动物模型并不能提供真实临床情况的全部复杂性。微泡剂并不是适用于人类使用的精确设计，而只是原理验证的原型。在医药级分子显像剂中，亲和素-生物素配体偶联方案将被废除;将应用人源化抗体片段或其他非免疫原性配体，以避免不良的免疫反应;小动物试验将辅以大动物研究;在分子成像超声造影剂进入临床试验阶段之前，必须获得临床前毒性谱数据。
南京星叶生物自主研发了US-Star超声微泡造影剂系列，其中就包括多种靶向微泡，例如标记c(RGDfk)的Labeler R、标记链霉亲和素的Labeler S、标记生物素的LabelerB等。
