Cistografía fotoacústica

Resumen

Cistografía fotoacústica (PAC) tiene un gran potencial para mapear vejigas urinarias, una sensible órgano interno de radiación en los pacientes pediátricos, sin necesidad de utilizar ningún tipo de radiación ionizante o agente de contraste tóxico. Aquí se demuestra el uso de PAC para el mapeo de vejigas urinarias con una inyección de trazadores óptica-opacos en ratas In vivo.

Resumen

Cistografía pediátrica convencional, que se basa en diagnósticos de rayos X utilizando un tinte radiopaco, sufre de la utilización de radiación ionizante perjudiciales. El riesgo de cáncer de vejiga en los niños debido a la exposición a la radiación es más importante que muchos otros tipos de cáncer. Aquí se demuestra la viabilidad de la formación de imagen fotoacústica (PA) no ionizante y no invasiva de vejigas urinarias, referidos como cistografía fotoacústica (PAC), utilizando el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, azul de metileno, nanoestructuras de oro plasmónica, o nanotubos de carbono de pared individuales ) como un trazador óptico-turbia. Hemos fotografiado con éxito una vejiga de rata llena de los agentes de absorción óptica utilizando un sistema de campo oscuro confocal PAC. Después de la inyección transuretral de los agentes de contraste, vejigas de las ratas fueron photoacoustically visualizado por lograr mejorar la señal PA significativo. La acumulación fue validado por imágenes de PA espectroscópico. Además, mediante el uso de sólo una energía láser de pulsode menos de 1 mJ / cm ² (1/20 del límite de seguridad), nuestro sistema de imagen actual podría mapear el metileno-relleno de azul-rata-vejiga a la profundidad de 1 cm más allá en los tejidos biológicos in vivo. Tanto in vivo y ex vivo de imágenes de los resultados PA validar que los agentes de contraste se excretan naturalmente a través de la orina. Por lo tanto, no hay preocupación con respecto a la acumulación de agente tóxico a largo plazo, lo que facilitará la traducción clínica.

Introducción

De rayos X cistografía ¹ es un proceso de formación de imágenes para identificar enfermedades relacionados con la vejiga, tales como cáncer de vejiga, reflujo vesicoureteral, obstrucción de uréteres, vejiga neurogénica, etc. ^2-5 Típicamente, las orinas, se anulan y un agente radiopaco se inyecta a través de un catéter. A continuación, las imágenes de rayos X de fluoroscopia se adquieren para delinear vejigas urinarias. Sin embargo, la cuestión clave de seguridad es que la radiación ionizante perjudicial se utiliza en este procedimiento. El porcentaje de riesgo de cáncer acumulada a la edad de 75 años debido al diagnóstico de rayos X entre un 0,6 a un 1,8%. ⁶ Además, la amenaza cancerígena es significativo en pacientes pediátricos. Un estudio del Reino Unido mostró que entre 9 principales órganos internos, la dosis de radiación media anual de rayos X de diagnóstico fue más alta en las vejigas en las niñas menos de 4 segundos y más alta en niños varones de menos de 4. ⁷ Esto indica que el riesgo de cáncer de vejiga es más significativo en los pacientes pediátricos. Although radiólogos pediátricos tratan de reducir la tasa de exposición a la radiación tan bajo como sea razonablemente posible, la radiación ionizante no puede excluirse por completo. Por lo tanto, la limitación crea la necesidad de una radiación libre de modalidad de imagen completamente, sensible, costo-efectiva, y de alta resolución con agentes de contraste no radiactivos en cistografía.

Recientemente, la tomografía fotoacústica (PAT) se ha convertido en una modalidad de imagen biomédica principal porque PAT puede proporcionar contrastes de absorción óptica fuertes y una alta resolución espacial ultrasónica en los tejidos biológicos. ⁸ El principio de PAT es que las ondas ultrasónicas se inducen debido a la expansión termoelástica de un objetivo seguido por la absorción de la luz. Mediante la detección resuelta en el tiempo las ondas acústicas que viajan a través de un medio, de dos o imágenes tridimensionales fotoacústica (PA) se forman. Dado que el ultrasonido (EE.UU.) es mucho menos dispersa en los tejidos en comparación con la luz (por lo general dos o tres órdenes de magnitud), laprofundidad de formación de imágenes de PAT puede alcanzar hasta ~ 8 cm de tejidos, mientras que la resolución espacial se mantiene a 1/200, de la profundidad de formación de imágenes ⁹ Las ventajas clave de PAT para la aplicación cistográfica incluyen:. (1) PAT está completamente libre de ionizante la radiación. (2) sistemas de ClinicalUSimaging se pueden adaptar fácilmente para suministrar de doble modal PA y capacidades de imagen de Estados Unidos. Por lo tanto, el sistema de doble modal PA / EE.UU. formación de imágenes puede ser relativamente fáciles de transportar, rentable, y rápido, que son criterios clave para la traducción clínica rápida. Utilizando tanto endógenas como exógenas contrastes, PAT ha proporcionado imágenes de alta resolución morfológica, funcional y molecular de los tejidos para estudiar la fisiopatología tumoral, la hemodinámica del cerebro, los órganos internos, la oftalmología, la angiografía, y etc. ^10-16

En este artículo, nos demuestran los protocolos experimentales de cistografía fotoacústica no ionizante (PAC) con el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, el azul de metileno, vayanano-cajas ld, o nanotubos de carbono de pared única) como trazadores óptica-turbias no tóxicos. Vejigas llenas de ratas con los agentes de contraste se photoacoustically y espectroscópica delineados en vivo. No hay agentes persistentes acumulados en las vejigas y los riñones de las ratas. Por lo tanto, la toxicidad a largo plazo que puede ser causada por la acumulación de agente puede ser excluido. Este resultado implica que el PAC con la combinación de los elementos de absorción óptica puede potencialmente ser una modalidad cistográfica verdaderamente inofensivos para los pacientes pediátricos. La configuración del sistema, la alineación del sistema y los procedimientos de imágenes in vivo vivo / ex vivo se describe en este artículo.

Protocolo

1. Modo de sistema cistografía fotoacústica Reflexión Profunda (PAC)

1. Configuración del sistema ^{17, 18}
   1. A Q-switched Nd: YAG (SLII-10; Continuum, 532 nm) bombea un láser de longitud de onda sintonizable (Surelite OPO PLUS; Continuum, rango de ajuste de longitud de onda: 680 a 2500 nm).
   2. La duración del pulso de cada disparo de láser es de ~ 5 nseg, y la tasa de repetición del láser es de 10 Hz.
   3. La longitud de onda depende del pico de absorción óptica del agente de contraste usado. Si el azul de metileno sirve como el agente de contraste, se utiliza una longitud de onda óptica de 667 nm, donde la absorción es máxima. Nanoestructuras de oro Plasmónicos pueden tener resonancia de plasmón superficial sintonizable localizada en la región espectral NIR, sobre la base de sus propiedades físicas y químicas. Además, el amplio espectro de absorción de los nanotubos de carbono de pared única puede proporcionar una amplia opción para la selección de longitud de onda.
   4. La luz que sale del láser sintonizable se entrega a una lente esférica cónica tediante prismas en ángulo recto (PS908, Thorlabs).
   5. Un patrón de haz de luz en forma de rosquilla se genera cuando la luz pasa a través de la lente cónica esférica. La casa hizo-lente cónica está hecho de una lente de BK7 y el ángulo del cono es de 152 °. El diámetro de la lente es de 2,5 cm.
   6. El haz de luz en forma de dona divergentes se redirige a través de un condensador óptico, hecho de una hoja de acrílico transparente. Los diámetros de las superficies superior e inferior son 6,1 y 4,8 cm, respectivamente. El espesor del condensador es de 2,5 cm. La forma del haz de luz en forma de anillo redirigido una forma de rosquilla con un centro oscuro en la superficie del tejido.
   7. Utilice un recipiente de agua pequeños para aumentar el acoplamiento acústico. El depósito de agua tiene una abertura inferior envuelto con una película delgada de polietileno transparente que es ópticamente y acústicamente transparente. Los animales pequeños se colocan bajo el recipiente de agua.
   8. Las ondas generadas PA son detectadas por un transductor de ultrasonido enfocado esférica (V308;Olympus NDT; 5 MHz frecuencia central), que está montado en el centro del condensador óptico. El diámetro de los elementos y la distancia focal del transductor son 1,9 y 2,5 cm, respectivamente. Así, el número f del transductor es de ~ 1,3.
   9. Los acuerdos transversales y axiales son 590 y 144 m, respectivamente.
   10. Las olas PA detectadas se amplifican por primera vez por un emisor / receptor (5072PR, Olympus NDT, ancho de banda 35 MHz y 59 dB de ganancia RF) de ultrasonidos de banda ancha, y luego adquirida por un osciloscopio (TDS5054; Tektronix).
   11. Obtener imágenes de resolución temporal de una dimensión (denominados como A-line), midiendo los tiempos de llegada de las ondas PA. Actualmente, se supone que la velocidad de las ondas PA a estar en 1480 m / seg sobre toda la adquisición de la imagen. Dos (llamado como B-scan) y PA imágenes tridimensionales pueden ser adquiridos por el movimiento mecánico de la fase de exploración de trama lineal (XY6060; Danaher Dover).
   12. El tiempo de formación de imágenes es de ~ 25 min una imagen PA de una sola longitud de onda volumétrica con una decampo de visión (FOV) de 2,5 x 2,4 x 1,5 cm ³ en los planos xyz. Hemos adquirido 125 muestras a lo largo de la dirección x con un tamaño de paso de 0,2 mm, 60 muestras a lo largo de la dirección y con un tamaño de paso de 0,4 mm. 500 puntos de datos con una velocidad de muestreo de 50 MHz se obtuvieron a lo largo de la dirección z. El barrido mecánico es controlado por un sistema de software NI LabVIEW casera.
   13. Los datos volumétrica está representado por proyección de máxima amplitud (PAM) utilizando un sistema de software de The MathWorks MATLAB.
2. Sistema de alineación
   1. Después de la lente cónica esférica, asegúrese de que la distribución de la luz es una forma de anillo perfecto. Si no se genera correctamente el patrón de luz en forma de dona, las señales originadas PA de la superficie de la piel son dominantes. Por lo tanto, es difícil de lograr imágenes de tejido profundo.
   2. El foco de luz con forma lineal en el agua debe ser alineado coaxialmente con la zona central de ultrasonido. Si los que no están alineados coaxialmente, el sistema adolece de baja relación señal-relación de ruido.
   3. El irradiado energía del pulso láser sobre la superficie de la piel varía de ~ 1 - 2 mJ / cm ² cuando la longitud de onda está sintonizado a partir de 680 a 1000 nm, respectivamente. Estas energías de impulso láser son mucho menores que el límite de seguridad American National Standards Institute, variando de 20 a 80 mJ / cm ² sobre la región espectral, respectivamente.

2. In vivo y ex vivo de imágenes Procedimientos

1. Preparación de los animales
   1. Usar ratas Sprague-Dawley hembra con un peso de 200 - 250 g en todos los experimentos de imagen PA.
   2. Para empezar, anestesiar la rata mediante una inyección intraperitoneal de una mezcla de ketamina (85 mg / kg de peso corporal) y xilazina (15 mg / kg).
   3. Depilar los pelos en la zona abdominal.
   4. Coloque la rata encima de un soporte de los animales a medida.
   5. Escudo de un catéter de calibre 22 con lubricante para mejorar la inserción del catéter.
   6. Sostenga el catéter vertically sobre la abertura uretral. A continuación, insertar el extremo distal del catéter, horizontalmente, en la uretra hasta el cubo del catéter finalmente llega a la abertura.
   7. La orina en la vejiga, se anulará a través del catéter.
2. En imágenes in vivo PAC
   1. Coloque la rata, que se encuentra en la parte superior del soporte de los animales, por debajo del recipiente de agua en el sistema de PAC.
   2. Aplique el gel de ultrasonido (Sonotech) entre la superficie de la piel animal y la membrana de plástico para mejorar el acoplamiento acústico.
   3. Anestesiar completamente la rata utilizando isoflurano vaporizado (1 L / min de oxígeno y 0,75% de isoflurano) durante la formación de imágenes in vivo experimentos en PA.
   4. Obtener una imagen PA de control antes de la inyección de agentes de contraste.
   5. Introducir una solución acuosa de azul de metileno (0,8 l / g de peso corporal con una concentración de 30 mM), nano-cajas de oro (1,2 l / g de peso corporal con una concentración de 2 nM), o nanotubos de carbono de pared única (0,8 l / g cuerpo peso conuna concentración de 0,3 mM) a la vejiga a través del catéter. Utilice una jeringa-ml-1 con un catéter de calibre 22.
   6. Adquirir una serie de imágenes PA.
3. Ex vivo PAC imágenes
   1. Sacrificio en la rata después de la formación de imágenes in vivo PAC, mediante la inyección de una sobredosis de pentobarbital.
   2. Retire los dos órganos principales, vejigas y los riñones, para investigar biodistribución, y en una placa de vidrio.
   3. Coloque la placa de vidrio por debajo del recipiente de agua en el sistema de PAC.
   4. Aplique el gel de ultrasonido (Sonotech) entre los órganos extirpados y membrana plástica para mejorar el acoplamiento acústico.
   5. Adquirir imágenes PA.
   6. Imagen Photoacoustically los órganos extraídos de una rata sana como un control.

Resultados

La figura 1 muestra el vivo PAC no ionizante y no invasiva en el uso de azul de metileno ópticamente turbia (MB). La imagen PA de control se obtuvo a 667 nm, en el pico de absorción óptica para MB (Figura 1A). Aunque los vasos sanguíneos en el campo de visión son claramente visualizada, la vejiga es invisible debido a que es ópticamente transparente a esta longitud de onda. Como se muestra en la Figura 1B, la vejiga se revela claramente en la imagen ad...

Discusión

En conclusión, hemos demostrado la posibilidad de no ionizantes PAC usando absorbentes ópticos no tóxicos en un modelo de rata in vivo. Hemos captado con éxito una vejiga de rata llenado con absorbentes ópticos utilizando nuestro sistema PAC no ionizante y no invasiva. Dos problemas de seguridad críticos se han resuelto en nuestro enfoque: (1) el uso de radiación ionizante para aplicaciones cistográficas y (2) no acumulación de agentes de contraste en el cuerpo.

Nuestro interés clín...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Láser Q-switched Nd:YAG	Continuum	SLII-10	láser
de bomba OPO láser Continuum		Surelite OPO PLUS	sintonizable
Prismas	Thorlabs	PS908	luz
Transductor de ultrasonidos	Olympus NDT	V308	5 MHz
Ultraoundpulser/receptor	Olympus NDT	5072PR	Amplificador
Osciloscopio	Tektronix	TDS5054	adquisición de datos
Etapa de escaneo	Danaher Dover	XY6060	Escaneo de trama
Azul de metileno	Sigma-Aldrich	M9140-25G agente de	contraste
Ratas	Harlan	Spague-Dawley	sujeto animal
Vaporizador de isofluorano	Euthanex	EZ-155	anestesia
Gel de ultrasonidos	Sonotech	Clear Image acoplamiento	acústico