Cistografía fotoacústica
11 de junio de 2013
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.
El objetivo general de este procedimiento es demostrar la cistografía fotoacústica in vivo no ionizante utilizando la absorción óptica en el infrarrojo cercano como trazadores ópticos no tóxicos y turbios. Esto se logra primero anestesiando al animal experimental. El segundo paso consiste en preparar al animal para la imagenología eliminando el vello de la región abdominal, colocando la rata sobre un soporte para animales de diseño especial, insertando un catéter y aplicando gel de ultrasonido en la zona de imagenología.
A continuación, se obtienen imágenes del área abdominal mediante un sistema de cistografía fotoacústica antes y después de la inyección de un agente absorbente óptico en la vejiga. En última instancia, este proceso permite obtener imágenes de la vejiga de una rata utilizando un sistema de cistografía fotoacústica no invasivo y libre de ionización, sin exposición a radiación ni acumulación a largo plazo de agentes pesados. La tomografía acústica se ha convertido en una modalidad líder en imágenes biomédicas debido al fuerte contraste por absorción óptica y a la alta resolución espacial del ultrasonido en tejidos biológicos. La ventaja principal de la tomografía fotoacústica es que está completamente exenta de radiación ionizante, el agente inyectado no se acumula en la vejiga, y es rápida y rentable.
Para este procedimiento, utilice un láser de neodimio dopado en yag (garneto de aluminio y itrio) conmutado por Q que haya sido duplicado en frecuencia para generar luz a 532 nanómetros. La salida del láser se dirige a través de un oscilador paramétrico óptico o OPO con un rango de longitud de onda ajustable de 680 a 2.500 nanómetros. Comience ajustando la duración del pulso del OPO a cinco nanosegundos por cada disparo láser y fije la frecuencia de repetición en 10 hercios.
Luego, ajuste la longitud de onda óptica a 667 nanómetros para usarla con el agente de contraste azul de metileno. Esta longitud de onda podría necesitar modificarse si se utiliza otro agente de contraste. Dirija la luz que sale del OPO a través de un prisma de ángulo recto hacia una lente cónica esférica casera.
La lente cónica está hecha de una lente BK7 de 2,5 centímetros de diámetro con un ángulo de cono de 152 grados. A continuación, redirija el haz de luz divergente con forma de dona a través de un condensador óptimo de 2,5 centímetros de grosor hecho de acrílico transparente. Los diámetros de las superficies superior e inferior son de 6,1 y 4,8 centímetros, respectivamente.
Asegúrese de que el patrón del haz tenga una forma de anillo perfecta. Si el patrón del haz con forma de dona no se genera adecuadamente, las señales fotoacústicas provenientes de la superficie de la piel serán dominantes. Por lo tanto, será difícil lograr imágenes de tejidos profundos.
Luego, prepare un pequeño recipiente con agua para mejorar el acoplamiento acústico entre el animal y el láser. La abertura inferior está envuelta con una película delgada y transparente de polietileno, que es ópticamente y acústicamente transparente. Utilizando un trozo de cinta aislante negra, alinee coaxialmente la luz en forma de línea con la zona focal de ultrasonido.
Si estos no están bien alineados, el sistema sufrirá una baja relación señal-ruido. A continuación, monte un transductor ultrasónico enfocado esféricamente para detectar las ondas fotoacústicas. Para ello, se utiliza un transductor de inmersión V 3 0 8 Olympus NDT.
Recopila datos a cinco megahercios y tiene resoluciones transversal y axial de 590 y 144 micrómetros, respectivamente. Luego, conecte el transductor a un pulso ultrasónico de banda ancha o receptor, que amplificará las ondas fotoacústicas, y conecte esto a un osciloscopio. Una vez que el sistema haya sido configurado, obtenga imágenes unidimensionales resueltas en el tiempo, denominadas imágenes ALINE, midiendo los tiempos de llegada de las ondas fotoacústicas mediante el osciloscopio.
Luego, controle mecánicamente una etapa raster lineal utilizando LabVIEW para adquirir escaneos B bidimensionales e imágenes fotoacústicas tridimensionales. La obtención de imágenes tridimensionales toma aproximadamente 25 minutos por muestra, para un campo de tamaño 2,5 centímetros por 2,4 centímetros por 1,5 centímetro. Configure el programa LabVIEW para controlar la etapa.
Adquiera 125 muestras en la dirección X con un tamaño de paso de 0,2 milímetros, 60 muestras a lo largo de la dirección Y con un tamaño de paso de 0,4 milímetros y 500 puntos de datos con una frecuencia de muestreo de 50 megahercios a lo largo de la dirección Z. Finalmente, configure un sistema de software MathWorks MATLAB para adquirir, convertir y procesar los datos brutos en una secuencia de imágenes transversales de bcan que representen los datos volumétricos. Las imágenes registradas luego se muestran como imágenes de proyección de amplitud máxima en 2D.
Para preparar las ratas para la obtención de imágenes, anestesie una rata hembra Sprague Dawley con un peso entre 200 y 250 gramos mediante inyección intraperitoneal de una mezcla de ketamina y xilacina. Luego, elimine el vello en un área cuadrada de cinco centímetros alrededor de la región abdominal utilizando una loción depilatoria. A continuación, coloque la rata encima de un soporte para animales hecho a medida.
Luego, prepare un catéter de calibre 22 para la inserción recubriéndolo con un lubricante e inserte el extremo distal del catéter horizontalmente en la uretra hasta que el conector del catéter alcance la abertura y comience a salir orina a través del catéter. Finalmente, coloque la rata encima del soporte para animales y debajo del recipiente de agua en el sistema de cistografía fotoacústica. Para comenzar la imagenología, anestesie completamente la rata utilizando isoflurano vaporizado durante los experimentos de imagenología fotoacústica in vivo.
Luego, aplique gel de ultrasonido entre la superficie de la piel del animal y la membrana de plástico para mejorar el acoplamiento acústico. A continuación, ejecute el programa preparado de MathWorks mat lab para obtener una imagen fotoacústica tridimensional de control antes de la inyección de agentes de contraste. Una vez obtenida la imagen de control, use una jeringa de un mililitro para introducir una solución acuosa de azul de metileno en la vejiga a través del catéter tras la inyección de azul de metileno.
Adquiera una serie de imágenes fotoacústicas in vivo cada 12 horas hasta 48 horas después de la inyección. A continuación, sacrifique la rata inyectando una sobredosis de 150 miligramos por kilogramo de pentobarbital. Luego, retire la vejiga y el riñón y colóquelos sobre una placa de vidrio.
La vejiga y el riñón de un animal no inyectado deben utilizarse como control para la imagen ex vivo. Coloque la placa de vidrio debajo del recipiente de agua en el sistema de cistografía fotoacústica y aplique gel de ultrasonido entre los órganos extraídos y la membrana plástica para mejorar el acoplamiento acústico durante la imagen. La imagen mostrada aquí es un escaneo abdominal bidimensional XY de una rata imagenada con luz láser de 667 nanómetros previa inyección de azul de metileno.
Aquí, los vasos sanguíneos pueden verse fácilmente porque la sangre absorbe la luz para generar una señal fotoacústica, pero no hay vejiga visible debido a la falta de agente de contraste. Cuando se realiza la imagen 12 horas después de la inyección del agente de contraste azul de metileno, la vejiga se vuelve claramente visible con una amplitud muy fuerte en toda su extensión. Cuando se mide nuevamente a las 24 y 48 horas, el agente de contraste ha abandonado el cuerpo y ya no es visible; al cambiar la longitud de onda óptica a 850 nanómetros con el oscilador óptico paramétrico, el agente de contraste azul de metileno ya no absorbe la energía y se vuelve invisible.
Esto hace que la vejiga desaparezca efectivamente y actúa como otro control negativo para el sistema. Las imágenes con resolución de profundidad obtenidas del plano Z a lo largo de las líneas punteadas mostradas aquí proporcionan datos adicionales de profundidad a lo largo de áreas de interés, como se muestra aquí, o pueden realizarse para toda la imagen con el fin de describir el área en tres dimensiones. En este video, demostramos la viabilidad fisiológica de un proceso no invasivo y no ionizante para la obtención de imágenes de la vejiga in vivo denominado fotoacústica por osciloscopia.
Mediante nuestro sistema de imagen fotoacústica, hemos logrado obtener imágenes de nuestra vejiga izquierda llenada con una inyección de trazador de efecto óptico en plomo en el futuro. Esta técnica también podría aplicarse al monitoreo de problemas urológicos como el reflujo bisco en pacientes pediátricos, con una dosis baja de radiación. La portabilidad y la naturaleza económica de este procedimiento son ideales para este tipo de aplicación.
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Descripción general
Este estudio demuestra el uso de la cistografía fotoacústica (PAC) para mapear vejigas urinarias en ratas, utilizando radiación no ionizante y trazadores ópticos no tóxicos. El método tiene como objetivo proporcionar una alternativa de imagen segura para pacientes pediátricos, evitando la radiación ionizante y los agentes de contraste tóxicos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Imagen biomédica
- Tecnología fotoacústica
- Procedimientos no invasivos
Antecedentes
- La cistografía fotoacústica es una técnica de imagen novedosa.
- Es especialmente beneficiosa para poblaciones sensibles a la radiación, como los niños.
- El método emplea trazadores opacos a la luz para la cartografía de la vejiga.
- Evita el uso de radiación ionizante y agentes tóxicos.
Objetivo del estudio
- Demostrar la cistografía fotoacústica no ionizante in vivo.
- Evaluar la eficacia de la absorbancia óptica como trazadores.
- Proporcionar un método de imagen seguro para vejigas urinarias en ratas.
Métodos Utilizados
- Anestesia del animal experimental.
- Preparación del sitio de imagenología mediante la eliminación del vello abdominal.
- Colocación del ratón y inserción de un catéter.
- Aplicación de gel de ultrasonido e imagenología con un sistema PAC.
Resultados principales
- Imágenes exitosas de la vejiga de rata utilizando PAC.
- Sin exposición a radiación ni acumulación a largo plazo de agentes.
- Se logró una alta resolución espacial y un fuerte contraste por absorción óptica.
- Se demostró un proceso de imagen rápido y rentable.
Conclusiones
- La cistografía fotoacústica es una modalidad de imagen prometedora.
- Proporciona una alternativa no invasiva y segura para la cartografía de la vejiga.
- La técnica puede ser beneficiosa para pacientes pediátricos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La cistografía fotoacústica (PAC) ofrece una alternativa de imagen no invasiva y sin ionización para la visualización de la vejiga urinaria, abordando una necesidad crítica no satisfecha en urología pediátrica donde la exposición a la radiación proveniente de la cistografía convencional representa un riesgo carcinogénico significativo. Al utilizar trazadores ópticos biocompatibles como azul de metileno, nanoestructuras de oro o nanotubos de carbono, la PAC permite la obtención de imágenes en tejidos profundos más allá de 1 cm con energías láser ampliamente por debajo de los umbrales de seguridad, apoyando la desactivación mecanicista de riesgos en las vías de validación preclínica de objetivos. Este enfoque mejora la confianza predictiva en los modelos de enfermedad al proporcionar un monitoreo longitudinal repetible y libre de radiación de la fisiología y la patología de la vejiga.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar hipótesis terapéuticas relacionadas con la función y la patología de la vejiga sin interferencias de radiación ionizante.
- Valor operativo: Apoya la reducción del riesgo biológico mediante un monitoreo longitudinal y no destructivo de la excreción del trazador y de la dinámica vesical in vivo.
- Valor predictivo: Facilita la reducción del riesgo mecanicista al validar la eliminación del agente de contraste mediante la micción natural, lo que reduce las preocupaciones sobre la acumulación tóxica a largo plazo en modelos preclínicos.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Listo para el ensayo: Prepara sistemas biológicos validados para flujos de trabajo posteriores al establecer lecturas fotoacústicas cuantitativas y reproducibles relacionadas con la concentración del trazador y el estado de llenado de la vejiga.
- Reproducibilidad: Permite la estandarización de protocolos de imagen mediante el control de la longitud de onda del láser (por ejemplo, 667 nm para el azul de metileno), la energía del pulso (<1 mJ/cm²) y los ajustes del transductor (frecuencia central de 5 MHz).
- Salida cuantitativa: Genera datos medibles de amplitud fotoacústica y espectrales que permiten comparaciones entre condiciones, puntos temporales y tipos de trazadores.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Relevancia para enfermedades: Modela el reflujo vesicoureteral y otros trastornos urológicos pediátricos mediante imágenes no invasivas de la vejiga durante períodos de 48 horas posteriores a la administración del trazador.
- Continuidad traslacional: Conecta el descubrimiento con la validación preclínica al demostrar la cinética de excreción del trazador, lo que apoya decisiones de avance ajustadas al riesgo basadas en perfiles de biocompatibilidad y eliminación.
- Alineación con biomarcadores: Proporciona una plataforma para evaluar la biodistribución y retención del trazador como posibles biomarcadores traslacionales de la función renal o vesical.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
PAC se integra en el continuo de descubrimiento desde la validación inicial del blanco hasta las pruebas de eficacia preclínica, especialmente para blancos urológicos donde la fisiología de la vejiga es un indicador clave, permitiendo evaluaciones longitudinales no invasivas sin carga acumulativa de radiación.
- Biología del descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis mediante la visualización de cambios estructurales y funcionales en la vejiga en respuesta a intervenciones farmacológicas o genéticas.
- Selección: Proporciona imágenes listas para ensayos, reproducibles, con alta resolución espacial (590 µm transversal, 144 µm axial) y fuerte contraste de absorción óptica para una evaluación fiable de compuestos o trazadores.
- Análisis: Genera datos con resolución temporal, resolución en profundidad y datos volumétricos (mediante escaneos B y reconstrucción 3D), lo que permite la comparación cuantitativa del llenado de la vejiga, la retención de trazadores y la dinámica de eliminación.
- Investigación traslacional: Se conecta con la continuidad preclínica al validar que los trazadores ópticos son excretados naturalmente mediante la micción, apoyando el perfil de seguridad para estudios habilitantes de IND.
- Reutilización empresarial: Representa una plataforma de imagen reutilizable aplicable en múltiples estudios y sistemas modelo debido a su naturaleza no ionizante, bajo costo operativo y compatibilidad con diversos trazadores que absorben en el infrarrojo cercano (NIR).
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva al reducir la ambigüedad mecanicista en estudios dirigidos a la vejiga mediante imágenes repetibles y libres de radiación.
- Valor operativo: Garantiza la estandarización y escalabilidad mediante parámetros láser definidos, especificaciones del transductor y protocolos de imagen.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de avance o interrupción al permitir la detección temprana de retención extratarget del trazador o toxicidad en la vejiga sin exposición a radiación ionizante.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo al proporcionar datos de eliminación y biodistribución que informan las decisiones de avance en las líneas de desarrollo de fármacos urológicos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en imagen fotoacústica, seguridad con láser y procedimientos quirúrgicos en animales pequeños, incluyendo cateterización y anestesia.
- Necesita una fuente láser sintonizable (OPO), un transductor ultrasónico esféricamente enfocado (5 MHz), un sistema de adquisición de datos (osciloscopio, LabVIEW) y una tubería de procesamiento basada en MATLAB.
- Exige estandarización entre equipos de los parámetros de imagen (longitud de onda, energía del pulso, tamaño de paso) y de los protocolos de preparación del trazador en los equipos de descubrimiento y preclínicos.
- Implica consideraciones de adaptación al cambiar de trazadores (por ejemplo, de azul de metileno a nanoestructuras de oro), lo que requiere una nueva optimización de la longitud de onda y la validación del acoplamiento acústico.
- Está limitado por la profundidad de penetración (>1 cm demostrado) y la dependencia de las propiedades de absorción óptica del trazador a las longitudes de onda seleccionadas.
