Chemische Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung von implantatassoziierten Infektionen mit röntgenangeregter Lumineszenz-chemischer Bildgebung durch Gewebe

Zusammenfassung

In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur hochauflösenden optischen Detektion chemischer Informationen um implantierte medizinische Geräte mit röntgenangeregter lumineszenzchemischer Bildgebung (XELCI) vor. Dieses neuartige bildgebende Verfahren wird in unserem Labor entwickelt und ermöglicht die Untersuchung der Biochemie implantatassoziierter Infektionen.

Zusammenfassung

Mikrobielle Infektionen, die mit implantierbaren medizinischen Geräten in Verbindung gebracht werden, sind ein großes Problem für das Versagen der Frakturfixierung. Eine frühzeitige Diagnose einer solchen Infektion ermöglicht eine erfolgreiche Eradikation mit Antibiotika ohne zusätzliche Kosten für eine zweite Operation. In dieser Arbeit beschreiben wir XELCI als eine Technik mit hoher Röntgenauflösung, Implantatspezifität und chemischer Empfindlichkeit gegenüber nicht-invasiv abgebildeten chemischen Konzentrationen in der Nähe der Oberfläche implantierter medizinischer Geräte. Die Geräte sind mit chemisch berichtenden Oberflächen beschichtet. Diese chemisch ansprechende Oberfläche besteht aus zwei Schichten, die auf ein implantierbares medizinisches Gerät aufgetragen sind. eine pH-empfindliche Schicht (Bromthymolblau oder Bromkresolgrün eingearbeitetes Hydrogel), die zur Überwachung über eine rotlichtemittierende Szintillatorschicht (Gd2 O₂S: Eu) aufgetragen wird. Ein fokussierter Röntgenstrahl bestrahlt einen Punkt auf dem Implantat, und das vom Szintillator erzeugte rote Licht (mit 620 nm und 700 nm Peaks) wird durch die Sensorschicht übertragen, wodurch sich das spektrale Verhältnis je nach pH-Wert ändert. Ein Bild wird erzeugt, indem der Röntgenstrahl über das Implantat abgetastet und das spektrale Verhältnis des Lichts, das das Gewebe durchdringt, Punkt für Punkt gemessen wird. Wir nutzten dieses bildgebende Verfahren zur Überwachung von implantatassoziierten Infektionen, die zuvor auf der Knochenoberfläche des Femurs mit einem modifizierten implantierbaren Plattensensor aufgetreten waren. Jetzt untersuchen wir pH-Veränderungen, die durch Infektionen des Tibia-Markstäbchens auftreten. Zwei verschiedene Arten von Markstäben werden in Studien mit Kaninchen vor dem Pilotprojekt verwendet, und wir haben gelernt, dass die XELCI-Technik verwendet werden kann, um chemische Veränderungen zu überwachen, die nicht nur auf der Knochenoberfläche, sondern auch im Inneren des Knochens auftreten. Dies ermöglicht eine nicht-invasive Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung und niedrigem lokalen pH-Hintergrund, um die Biochemie implantatassoziierter Infektionen zu untersuchen.

Einleitung

In den Vereinigten Staaten werden jährlich etwa 2 Millionen Frakturfixierungsgeräte eingesetzt, von denen 5 % bis 10 % zu implantatassoziierten Infektionen führen¹. Diese Infektionen sind in späteren Stadien aufgrund der Heterogenität und Antibiotikaresistenz der Biofilme schwieriger mit Antibiotika zu behandeln ^2,3. Wenn sie frühzeitig diagnostiziert werden, können Infektionen mit Antibiotika und chirurgischem Debridement behandelt werden, um zusätzliche medizinische Kosten für eine zweite Operation zu vermeiden, bei der die Hardware an der behandelten Frakturstelle ersetzt wird. Einfa....

Protokoll

Dieses Verfahren folgt den Tierverwendungsprotokollen, die vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Clemson University genehmigt wurden. Die Experimente werden gemäß dem Clemson University Biosafety Committee (IBC) und dem Radiation Safety Committee (RSC) sowie unter Einhaltung der einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

HINWEIS: Ein Flussdiagramm zum Abschließen eines XELCI-Scans ist unten in Abbildung 5 dargestellt, gefolgt von einer detaillierten Schritt-für-Schritt-Beschreibung des Bildgebungsverfahrens.

1. Initialisieren Sie das System u....

Ergebnisse

Als Vorstudie haben wir den intramedullären Stäbchensensor in einer aufgebohrten Tibia eines Kaninchenkadavers^{abgebildet 14}. Der Sensor verfügt über drei verschiedene Bereiche: den Referenzbereich, den pH-8-Bereich (basischer pH-Wert) und den pH-4-Bereich (saurer pH-Wert). Der Referenzbereich ist das Szintillatorpartikel (Gd 2 O₂S:Eu), das in eine aufgeraute Epoxidfolie eingearbeitet ist. Die charakteristischen sauren und basischen pH-Bereiche repräsentieren infizierte und ni.......

Diskussion

Um orthopädische Implantat-assoziierte Infektionen frühzeitig erkennen und untersuchen zu können, um Komplikationen durch Osteomyelitis und sekundäre chirurgische Eingriffe zu vermeiden, haben wir XELCI als neuartiges, funktionelles Bildgebungsverfahren eingeführt. Sie ist vergleichbar mit den derzeit verfügbaren Techniken zur pH-Überwachung durch Gewebe.

Bei der Positionierung der Probe für die Bildgebung verwenden wir eine Lasertraverse, die mit einer Polykapillar-Fokussieroptik verbunden is.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
90-Grad-Winkel	Hergestellt im Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine, CA
Bromo Cresol Green	Sigma-Aldrich	45ZW10
Bromo Thymol Blue	Sigma	76-59-5
ElectraCOOL Fortschrittliche thermoelektrische Kühlplatte	Pollock Industries, White River, VT, USA	TCP 50
Ethanol	Beantown Chemical, 9 Sagamore Park Road Hudson, NH 03051	64-17-5
Gadoliniumoxysulfid-Europium-dotierte (Gd2O2S:Eu) Partikel-~8,0 µ m	Phosphor Technologies Inc., Stevenage, England	UKL63/N-R1
LabVIEW	National Instruments, Austin, TX
Motorisiertes lineares vertikales Tischmodell (für die Z-Achse)	Motion Control, Smithtown, NY, USA	AT10-60
National Instruments c-DAQ 9171	National Instruments, Austin, TX	NI cDAQ™-9171
Einteiliges Acryllicht Leitfaden	Hergestellt im Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine, CA
pH 4 Puffer	VWR BDH Chemicals	BDH5024
pH 8 Puffer	VWR BDH Chemicals	BDH5060
Phosphate Buffer Solution	MP Biomedicals, Irvine, CA. USA	2810305
Photomultiplier Tubes Modell P25PC-16	SensTech, Surrey, UK	Modell P25PC-16
Staphylococcus aureus subsp. aureus Rosenbach	American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA	ATCC 25923
Tryptic Soja Agar	Teknova, Hollister, CA, USA	T0520
Tryptische Sojabrühe	EMD Millipore, Burlington, MA, USA	1005255000
Röntgenquelle-iMOXS	Institute for Scientific Instruments GmbH, Berlin, Deutschland
X,Y motorisierter Tisch-30 cm x 15 cm x 6 cm Verfahrweg	Thorlabs Inc., Newton, NJ, USA	LTS300 und LTS150