Photoakustische Tomographie zur Darstellung von Blut und Lipiden in der infrarenalen Aorta

Die photoakustische Tomographie, PAT, manchmal auch als optoakustische Tomographie bezeichnet, ist eine aufstrebende biomedizinische Bildgebungsmethode, bei der lichterzeugte akustische Wellen verwendet werden, um Informationen über die Zusammensetzung eines Gewebes zu erhalten.

Bei der photoakustischen Tomographie (PAT) werden bestimmte Wellenlängen des Lichts verwendet, um bestimmte Bestandteile des Gewebes abzubilden. Dies ist nützlich für eine Vielzahl von präklinischen und klinischen Anwendungen, wie z. B. die Überwachung des lipidbasierten Krankheitsverlaufs.

Die derzeit verwendeten bildgebenden Verfahren sind von Natur aus begrenzt in Bezug auf die Aufnahmezeiten, die Eindringtiefe, den Einsatz schädlicher Kontrastmittel und die Kosten. PAT hingegen ist eine schnelle, nicht-invasive und kontrastmittelfreie Technik, die in Kombination mit bestehenden bildgebenden Verfahren wie Ultraschall gleichzeitig strukturelle und kompositorische Informationen liefern kann.

Dieses Video veranschaulicht die Grundprinzipien der Vibrations-PAT und die Methodik zur Einrichtung der Blut- und Lipidbildgebung bei Mäusen. Als nächstes zeigen wir, wie VPAT-Bilder in Verbindung mit Ultraschall interpretiert werden, gefolgt von einigen Anwendungen der Technik.

Beginnen wir mit der Erörterung der Grundlagen dieser bildgebenden Technik.

Während der VPAT-Bildgebung wird Licht mit einer Wellenlänge von einer Laserquelle auf dem interessierenden Bereich gezeigt. Dieses Licht wird dann durch eine wellenlängenspezifische chemische Bindung im biologischen Gewebe absorbiert. Bei VPAT bringt das absorbierte Licht das Molekül in Schwingung.

Ein Teil dieser Schwingungsenergie wird dann in transiente Erwärmung umgewandelt. Diese Wärmeerzeugung bewirkt dann eine thermoelastische Ausdehnung des lokalen Gewebes und in der Folge eine Ultraschallwellenausbreitung. Dies wird als photoakustischer Effekt bezeichnet. Die Detektion der Ultraschallwelle durch einen Ultraschallwandler liefert ein zusammensetzungsspezifisches tomographisches Bild.

Mathematisch wird die lichtinduzierte akustische Welle P naught durch den temperaturabhängigen Gruneisen-Parameter gamma, den Absorptionskoeffizienten mu a und die lokale optische Fluenz F bestimmt. Für jeden Temperaturanstieg in Millikelvin gibt es also eine Druckwelle von 800 Pascal, die mit einem Ultraschallwandler erfasst werden kann. Diese bindungsselektive Absorption von Licht ermöglicht es dem Benutzer, verschiedene biologische Komponenten durch Einstellen der Wellenlänge des Lichts gezielt zu erreichen.

Zum Beispiel wird 1.100-Nanometer-Licht verwendet, um Blut zu bekämpfen, und 1.210-Nanometer-Licht, um Lipide zu bekämpfen. Da Licht zur Induktion der Ausbreitung akustischer Wellen verwendet wird, kann diese Technik in der Regel dazu verwendet werden, tiefere Strukturen abzubilden als andere optische Techniken, ohne dass Kontrastmittel oder invasive Verfahren erforderlich sind.

Nachdem wir die Grundlagen von VPAT überprüft haben, sehen wir uns nun ein Beispiel an, wie VPAT eingerichtet und durchgeführt wird, um Blut und Lipide in der infrarenalen Aorta von Apolipoprotein-E-defizienten Mäusen abzubilden.

Besorgen Sie sich zunächst die notwendige Ausrüstung: einen gepulsten optisch-parametrischen Oszillatorlaser Nd:YAG, ein Ultraschallsystem, einen Verzögerungsgenerator und einen D-Stecker, der an zwei BNC-Kabel angeschlossen ist. Schließen Sie dann das Fire BNC-Kabel an Anschluss A des Verzögerungsgenerators und den Q-Switch an Anschluss B des Verzögerungsgenerators an. Verbinden Sie das Ende des BNC-Kabels mit Anschluss C mit dem Triggereingang auf der Rückseite des Ultraschallsystems.

Passen Sie die Verzögerung der Ports A, B und C an die hier aufgeführten Werte an. Die Ports A und B sollten speziell invertierte Impulse ausgeben, und Port C sollte normale Impulse ausgeben. Richten Sie dann das Glasfaserkabel mit dem Laser aus und befestigen Sie die Faserenden an den Seiten des 40-Megahertz-Ultraschallwandlers.

Lassen Sie uns nun zeigen, wie man ein Tier für die photoakustische Tomographie vorbereitet.

Zuerst wird eine Maus mit Apolipoprotein-E-Mangel mit 3 % Isofluran in einer Knockdown-Kammer anästhesiert. Sobald das Tier betäubt ist, bewegen Sie die Maus auf die beheizte Bühne und befestigen Sie einen Nasenkonus, um ein bis 2 % Isofluran abzugeben. Tragen Sie Augenschmiermittel auf die Augen des Tieres auf, um eine Austrocknung der Hornhaut zu verhindern. Kleben Sie die Pfoten der Maus an Elektroden, die in den beheizten Tisch eingebaut sind, um die Atmung und Herzfrequenz des Tieres zu überwachen. Führen Sie abschließend eine rektale Sonde ein, um die Körpertemperatur zu überwachen.

Entfernen Sie anschließend die Haare vom gesamten Bauch des Tieres, indem Sie Enthaarungscreme auftragen. Platzieren Sie den Ultraschallschallkopf am Bauch des Tieres und lokalisieren Sie die infrarenale Aorta. Die linke Nierenvene und die Aortentrifurkation in die Schwanzarterie sind zwei Orientierungspunkte, die dem Benutzer helfen, diesen Bereich zu lokalisieren.

Um mit der Aufnahme von Bildern zu beginnen, drücken Sie den B-Modus, um ein Live-Bild des B-Modus anzuzeigen. Stellen Sie die Verstärkung mit dem 2D-Gain-Regler und den Fokus mit den Drehreglern "Fokuszone" und "Fokustiefe" ein. Passen Sie die Bildbreite und -tiefe mit den Schaltflächen "Tiefenversatz", "Bildbreite" und "Bildtiefe" an.

Schalten Sie danach den Laser ein. Drücken Sie PA-Modus, um Live-Bilder des B-Modus und der PA zu sehen. Stellen Sie die PA-Verstärkung mit dem 2D-Gain-Regler ein und passen Sie das PA-Fenster und die Farbkarte auf dem Bildschirm an. Lassen Sie den Laser mit 1.100-Nanometer-Licht auf Blut zielen, gefolgt von 1.210-Nanometer-Licht, um Lipide anzuvisieren.

Schauen wir uns nun die Ergebnisse des VPAT-Protokolls an, um eine lipid- und blutspezifische Bildgebung in vivo durchzuführen.

Die Ultraschallbildgebung ermöglichte es, strukturelle Informationen über die infrarenale Aorta zu erhalten. Dies kann verwendet werden, um die Informationen zur VPAT-Zusammensetzung besser zu interpretieren. Konkret bildete das 1.100-Nanometer-Licht das Blut in der Aorta ab, während das 1.210-Nanometer-Licht die subkutane und periaortale Fettansammlung abbildete.

Wie auf diesen Bildern zu sehen ist, folgt das Unterhautfett der Geometrie der Haut. Das periaortale Fett folgt jedoch der Kontur der Aorta, und das Blutsignal stammt aus dem Inneren der Aorta.

Die photoakustische Tomographie kann für eine Vielzahl von präklinischen und klinischen Anwendungen eingesetzt werden.

Die In-vivo-Bildgebung von Kleintieren spielt eine wichtige Rolle in präklinischen Studien, und die photoakustische Tomographie verwendet Nahinfrarotlicht zum Nachweis der elektronischen Absorption, was die hochauflösende Bildgebung von Merkmalen des tiefen Gehirns für neurobiologische Anwendungen ermöglicht. Es werden genaue Daten über die Sauerstoffversorgung des Hämoglobins, die Gefäßanatomie und den Blutfluss gesammelt. Diese bildgebenden Informationen des internen Gehirns können zur Beurteilung von normalem und pathologischem Hirngewebe verwendet werden.

In der Gefäßmedizin ist es wichtig, Venen und Arterien sichtbar zu machen und ihre Funktionalität zu beurteilen. Die photoakustische Tomographie liefert Informationen über die Zusammensetzung, die Plaques entweder als anfällig oder stabil charakterisieren, und hilft so vorherzusagen, welche Plaques rupturanfällig sind und einen Myokardinfarkt oder ischämischen Schlaganfall auslösen könnten.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die photoakustische Tomographie gesehen. Sie sollten nun die Grundprinzipien dieses bildgebenden Verfahrens verstehen und in der Lage sein, ein Tier abzubilden und die Ergebnisse zu interpretieren. Danke fürs Zuschauen!