通过组织的X射线激发发光化学成像实现植入物相关感染的高空间分辨率化学成像
2022年9月30日
本文介绍了一种利用X射线激发发光化学成像（XELCI）技术对植入性医疗器械周围化学信息进行高分辨率光学检测的实验方案。该新型成像技术由本实验室研发，可用于研究与植入物相关的感染生物化学过程。
该技术将使我们能够透过骨骼和组织对植入物相关感染的生化变化进行成像和定位。我们可以获得植入物表面附近化学浓度变化的高分辨率图像。这将使我们能够监测植入物相关感染局部的化学环境。
由生物科学系的研究生 Erin Levon 演示细菌培养步骤。首先，打开 PMT 冷却器，并在打开 PMT 之前完成其余初始化步骤。然后启动成像系统控制软件，并将载物台的 x 轴和 y 轴移动至所需的起始位置。
将样品置于可移动的xyz载物台上，通过调节X射线源和/或载物台的高度，使样品高度定位至放射致发光装置位于聚毛细管聚焦光学元件下方5至5.5厘米处。同时，在激光十字准线的辅助下，将样品在x-y平面内准确定位，并移除聚焦光学元件以获取样品的普通X射线图像。锁紧成像腔室前门上的按钮式安全联锁装置。
然后打开X射线源的电源。接着，启动X射线控制软件。使用X射线控制软件设置X射线功率并打开X射线快门。
然后打开X射线相机的软件，点击曝光按钮以拍摄普通X射线片。关闭曝光和X射线，然后打开防护罩门。再次将多毛细管光学器件连接到X射线源上。
然后关闭成像室，固定联锁装置，并打开光电倍增管（PMT）电源。接着，启动成像系统控制软件，设定步进尺寸、扫描速度和扫描区域。所有参数设置完毕后，点击“运行”按钮开始扫描。
关闭X射线，运行背景扫描，以确定样品以外 enclosure 中任何光源产生的暗计数。确保样品位于激光十字头的正确位置后，关闭 enclosure 并固定联锁装置。然后打开成像系统控制软件，输入步长、扫描速度和扫描区域的数值。
所有参数设置完成后，点击“运行”按钮开始扫描，获取开启X射线后的样品扫描图像。首先，采用较大的步长和较高的扫描速度进行低分辨率扫描，以获得目标区域的初步图像。在获取样品目标区域的低分辨率扫描图像后，再通过较小的步长和较低的扫描速度进行高分辨率扫描。
为制备金黄色葡萄球菌1945的新鲜培养物，取一株一周内划线接种于胰蛋白胨大豆琼脂平板上的单菌落，接种至3毫升无菌胰蛋白胨大豆肉汤中。随后，在37°C下轻轻振荡培养16至18小时，直至进入稳定期。接着，在室温下以4,000 ×g离心10分钟，将菌体从胰蛋白胨大豆肉汤中沉淀下来，并用PBS洗涤沉淀物两次。
使用600纳米处的光密度（OD）在线性范围内定量细菌浓度，该线性范围即符合比尔-朗伯定律的光密度范围。然后用无菌PBS将样品稀释至每毫升200,000个细胞。通过高压灭菌法对胰蛋白胨大豆琼脂进行灭菌，随后混合冷却，直至温度降至45摄氏度。
接下来，将细菌接种到胰蛋白胨大豆琼脂中。然后，用移液器将稀释后的细菌培养物滴加到植入式传感器表面，并将100 µL未接种的胰蛋白胨大豆琼脂滴加到另一片无菌植入物表面作为对照。在植入式传感器上再额外添加100 µL未接种的胰蛋白胨大豆琼脂，随后于37°C孵育48小时，之后再进行植入。
扫描完成后，在 MatLab 中分别生成了 620 纳米、700 纳米及比值的图像，颜色的变化反映了 pH 值的变化。由于碱性 pH 区域对发射光的吸收显著强于酸性 pH 区域，因此较低的 pH 区域在 620 纳米处呈现更亮的信号。700 纳米处的闪烁体发射作为光谱参考，用于校正闪烁体薄膜的不一致性、组织成分变化以及每次扫描之间检测光学系统位置的任何变动。
样品需正确放置在载物台上。在打开室内光源或打开 enclosure 之前，应关闭 PMT 电源，并在进行高分辨率成像前先执行低分辨率扫描。除了 X 射线源，我们还可以使用超声波源进行超声发光化学成像，以监测与植入式医疗设备相关的 pH 值变化。
是的，在优化系统后，我们能够检测到骨髓腔内部与骨表面之间的pH值变化，这一结果可用于骨髓炎的研究。
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概述
本文介绍了一种利用X射线激发发光化学成像（XELCI）技术对植入式医疗设备周围化学信息进行高分辨率光学检测的实验方案。该创新性技术可用于研究与植入物相关感染有关的生物化学过程。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 感染生物学
背景
- 植入物相关感染在医学治疗中构成重大挑战。
- 了解局部化学环境对于有效监测和干预至关重要。
- XELCI 提供了一种可视化生化变化的新方法。
- 该技术可加深我们对植入物周围感染生化过程的理解。
研究目的
- 开发一种用于成像植入式医疗设备周围生化变化的方法。
- 监测与感染相关的局部化学环境。
- 提供化学浓度变化的高分辨率图像。
使用的方法
- 启动成像系统，包括光电倍增管冷却器及软件。
- 将x轴和y轴定位至所需的起始位置。
- 对植入物周围化学信息进行成像与分析。
- 演示细菌培养操作流程。
主要结果
- 成功实现了对植入物表面周围生化变化的成像。
- 实现了化学物质浓度的高分辨率 Mapping。
- 揭示了与植入物相关感染的局部化学环境特征。
- 验证了XELCI技术用于未来研究的可行性。
结论
- XELCI 是一种研究植入物相关感染的有前景的技术。
- 它能够实时监测生化变化。
- 该方法可能有助于改进医用植入物周围感染的管理策略。
常见问题
行业重要性概述
植入物相关感染在依赖器械的治疗中构成了严峻挑战，早期检测局部生化变化对于及时干预和挽救器械至关重要。X射线激发发光化学成像（XELCI）能够无创、高分辨率地绘制植入物表面化学微环境，为感染监测提供预测性依据。该技术增强了从临床前感染模型向器械开发流程转化的连续性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够在器械-组织界面处检测感染所引发的生化变化。
- 通过绘制与微生物定植相关的局部pH值变化，支持机制性风险评估。
- 可在原位实现对感染生物标志物的功能验证。
筛选与检测方法开发
- 为临床前模型中的定量、空间分辨化学检测提供平台。
- 实现对植入物表面及骨组织内感染检测的检测方法标准化。
- 支持对器械涂层及抗菌策略的可重复性评估。
转化与临床前研究
- 通过实现对感染生物化学过程的活体监测，与疾病相关模型保持一致。
- 通过无创化学成像，连接发现研究与临床前验证。
- 基于感染反应特征，指导设备候选物的风险调整型推进。
流程与工作流整合
XELCI 通过实现假设驱动的感染监测，并支持器械涂层或抗菌干预措施的先导化合物筛选，融入从发现到临床前研究的连续过程。
- 发现生物学： 绘制感染的生物化学特征图谱，阐明植入物界面处的机制通路。
- 筛选： 提供定量、可重复的pH成像，用于对装置改进进行比较评估。
- 分析： 提供光谱比值输出，以对与感染相关的变化进行可靠的统计分析。
- 转化研究： 保持从体外到体内感染模型的连续性，支持生物标志物的一致性验证。
- 企业级复用： 建立可重复使用的成像平台，适用于多种植入物和感染研究。
运营与企业影响
- 科学价值：提高在器械-组织界面处感染检测和靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：标准化无创化学成像工作流程，以实现可重复性和可扩展性。
- 战略价值：基于感染风险特征，实现对候选器械更早的决策（通过/不通过）。
- 项目组合影响：支持在研发管线中根据风险调整，对器械和抗菌策略进行优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备光学成像、X射线仪器和光谱分析方面的专业知识。
- 需要配备专用硬件，包括PMT探测器、X射线源和成像屏蔽装置。
- 需要跨团队统一标准化样品制备和成像参数。
- 在不同类型植入物和动物模型间的应用可能需要对实验方案进行优化。
- 成像深度和组织异质性可能在某些临床前场景中限制分辨率。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:54
Initialize the System and Acquire a Plain Radiograph
2:25
Performing a Background Scan with the X-Ray Off
3:07
Performing a Sample Scan with the X-Ray on and Forming the Image
4:00
Culturing Bacteria for Imaging in Sterile Conditions
5:53
Results: Imaging the Intramedullary Rod Sensor in a Reamed Tibia of a Rabbit
6:44
Conclusion
