Tomografía fotoacústica para obtener imágenes de sangre y lípidos de la Aorta Infrarrenal

La tomografía fotoacústica, PAT, a veces denominada tomografía optoacústica, es una modalidad emergente de imágenes biomédicas que utiliza ondas acústicas generadas por la luz para obtener información de composición de un tejido.

La tomografía fotoacústica, o PAT, utiliza longitudes de onda particulares de luz para obtener imágenes de componentes específicos del tejido. Esto es útil para una amplia variedad de aplicaciones preclínicas y clínicas, como el seguimiento de la progresión de la enfermedad basada en lípidos.

Las técnicas de imagen que se utilizan actualmente son inherentemente limitadas en términos de tiempos de adquisición, profundidad de penetración, uso de agentes de contraste dañinos y costos. La PAT, por otro lado, es una técnica rápida, no invasiva y libre de agentes de contraste, que cuando se combina con las modalidades de imagen existentes como el ultrasonido, puede proporcionar información estructural y de composición simultáneamente.

Este video ilustrará los principios básicos de la PAT vibracional y la metodología para configurar imágenes de sangre y lípidos en ratones. A continuación, demostraremos cómo interpretar las imágenes VPAT junto con la ecografía, seguido de algunas aplicaciones de la técnica.

Comencemos discutiendo los fundamentos de esta técnica de imagen.

Durante la obtención de imágenes VPAT, la luz de una sola longitud de onda de una fuente láser se muestra en la región de interés. Esta luz es absorbida por un enlace químico específico de longitud de onda en el tejido biológico. En VPAT, la luz absorbida hace que la molécula vibre.

Parte de esta energía vibratoria se convierte luego en calentamiento transitorio. Esta producción de calor provoca una expansión termoelástica del tejido local y, como resultado, produce la propagación de ondas ultrasónicas. A esto se le llama efecto fotoacústico. La detección de la onda ultrasónica mediante un transductor de ultrasonido produce una imagen tomográfica específica de la composición.

Matemáticamente, la onda acústica inducida por la luz P naught está gobernada por el parámetro de Gruneisen dependiente de la temperatura gamma, el coeficiente de absorción mu a y la fluencia óptica local F. Por lo tanto, por cada aumento de temperatura de milikelvin, hay una onda de presión de 800 pascales que se puede detectar mediante un transductor de ultrasonidos. Esta absorción selectiva de luz permite a los usuarios dirigirse a varios componentes biológicos ajustando la longitud de onda de la luz.

Por ejemplo, la luz de 1.100 nanómetros se utiliza para dirigirse a la sangre y la luz de 1.210 nanómetros se utiliza para dirigirse a los lípidos. Además, dado que la luz se utiliza para inducir la propagación de ondas acústicas, esta técnica se puede utilizar para obtener imágenes de estructuras más profundas que otras técnicas ópticas sin necesidad de agentes de contraste o procedimientos invasivos.

Después de haber revisado los conceptos básicos de VPAT, veamos ahora un ejemplo de cómo configurar y realizar VPAT para obtener imágenes de sangre y lípidos en la aorta infrarrenal de ratones con deficiencia de apolipoproteína E.

Primero, obtenga el equipo necesario: un láser oscilador paramétrico óptico pulsado Nd:YAG, un sistema de ultrasonido, un generador de retardo y un conector D conectado a dos cables BNC. A continuación, conecte el cable Fire BNC al puerto A del generador de retardo y el interruptor Q al puerto B del generador de retardo. Conecte el extremo del cable BNC desde el puerto C para disparar en la parte posterior del sistema de ultrasonido.

Ajuste el retraso de los puertos A, B y C a los valores enumerados aquí. Los puertos A y B deben emitir específicamente pulsos invertidos, y el puerto C debe emitir pulsos normales. Luego, alinee el cable de fibra óptica con el láser y conecte los extremos de la fibra a los lados del transductor de ultrasonido de 40 megahercios.

Ahora, vamos a demostrar cómo preparar a un animal para la tomografía fotoacústica.

En primer lugar, anestesiar a un ratón con deficiencia de apolipoproteína E utilizando isoflurano al 3% en una cámara de derribo. Una vez que el animal esté anestesiado, mueva el ratón a la etapa calentada y asegure un cono de nariz para administrar de uno a 2% de isoflurano. Aplique lubricante ocular en los ojos del animal para prevenir la desecación de la córnea. Pega las patas del ratón a los electrodos integrados en la etapa calentada para controlar la respiración y la frecuencia cardíaca del animal. Por último, inserte una sonda rectal para controlar la temperatura corporal.

A continuación, retire el pelo de todo el abdomen del animal aplicando crema depilatoria. Colocar el transductor de ultrasonido en el abdomen del animal, y localizar la aorta infrarrenal. La vena renal izquierda y la trifurcación aórtica en la arteria de la cola son dos puntos de referencia que ayudarán al usuario a localizar esta zona.

Para comenzar a adquirir imágenes, presione Modo B para ver una imagen en vivo del Modo B. Ajusta la ganancia con la perilla de ganancia 2D y el enfoque con las perillas Focal Zone y Focus Depth. Ajuste la anchura y la profundidad de la imagen con los botones Desplazamiento de profundidad, Anchura de la imagen y Profundidad de la imagen.

Después de esto, encienda el láser. Presione el modo PA para ver el modo B en vivo y las imágenes PA. Ajuste la ganancia de PA con la perilla de ganancia 2D y ajuste la ventana de PA y el mapa de colores en la pantalla. Ejecute el láser a una luz de 1.100 nanómetros para dirigirse a la sangre, seguido de una luz de 1.210 nanómetros para dirigirse a los lípidos.

Repasemos ahora los resultados del protocolo VPAT para realizar imágenes específicas de lípidos y sangre in vivo.

La ecografía permitió obtener información estructural de la aorta infrarrenal. Esto se puede utilizar para interpretar mejor la información de composición de VPAT. Específicamente, la luz de 1.100 nanómetros tomó imágenes de la sangre dentro de la aorta, mientras que la luz de 1.210 nanómetros tomó imágenes de la acumulación de grasa subcutánea y periaórtica.

Como se ve en estas imágenes, la grasa subcutánea sigue la geometría de la piel. Sin embargo, la grasa periaórtica sigue el contorno de la aorta y la señal sanguínea se origina desde el interior de la aorta.

La tomografía fotoacústica se puede utilizar para una amplia variedad de aplicaciones preclínicas y clínicas.

Las imágenes in vivo de animales pequeños desempeñan un papel importante en los estudios preclínicos, y la tomografía fotoacústica utiliza luz infrarroja cercana para detectar la absorción electrónica, lo que permite obtener imágenes de alta resolución de las características profundas del cerebro para aplicaciones neurobiológicas. Se recopilan datos precisos sobre la oxigenación de la hemoglobina, la anatomía vascular y el flujo sanguíneo. Esta información de imágenes cerebrales internas se puede utilizar para evaluar el tejido cerebral normal y patológico.

En medicina vascular, es importante visualizar las venas y arterias y evaluar su funcionalidad. La tomografía fotoacústica proporciona información composicional que caracteriza las placas como vulnerables o estables, lo que ayuda a predecir cuáles son propensas a la ruptura y podrían inducir un infarto de miocardio o un accidente cerebrovascular isquémico.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la tomografía fotoacústica. Ahora debería comprender los principios básicos de esta técnica de imagen y ser capaz de obtener imágenes de un animal e interpretar los resultados. ¡Gracias por mirar!