Imagerie chimique à haute résolution spatiale des infections associées aux implants avec imagerie chimique par luminescence excitée par rayons X à travers les tissus

Apeksha C. Rajamanthrilage; Erin Levon; Unaiza Uzair; Cedric Taylor; Tzuen-Rong Tzeng; Jeffrey N. Anker

doi:10.3791/64252

Article de méthode

Imagerie chimique à haute résolution spatiale des infections associées aux implants avec imagerie chimique par luminescence excitée par rayons X à travers les tissus

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DOI :

10.3791/64252

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30 septembre 2022

Apeksha C. Rajamanthrilage¹ , Erin Levon² , Unaiza Uzair¹ , Cedric Taylor² , Tzuen-Rong Tzeng² , Jeffrey N. Anker¹^,³

¹Department of Chemistry, Clemson University, ²Department of Biological Sciences, Clemson University, ³Department of Bioengineering, Clemson University

Dans cet article

Résumé

Nous présentons ici un protocole de détection optique haute résolution d’informations chimiques autour de dispositifs médicaux implantés avec imagerie chimique par luminescence excitée par rayons X (XELCI). Cette nouvelle technique d’imagerie est développée dans notre laboratoire qui permet d’étudier la biochimie des infections associées aux implants.

Résumé

Les infections microbiennes associées aux dispositifs médicaux implantables sont une préoccupation majeure dans l’échec de la fixation des fractures. Un diagnostic précoce d’une telle infection permettra une éradication réussie avec des antibiotiques sans frais supplémentaires pour une deuxième chirurgie. Nous décrivons ici XELCI comme une technique avec une résolution élevée des rayons X, une spécificité d’implant et une sensibilité chimique aux concentrations chimiques d’images non invasives près de la surface des dispositifs médicaux implantés. Les dispositifs sont recouverts de surfaces de rapport chimique. Cette surface chimiquement sensible se compose de deux couches enduites d’un dispositif médical implantable; une couche sensible au pH (bleu de bromothymol ou hydrogel incorporé au vert de bromocrésol) qui est recouverte d’une couche scintillatrice émettant de lalumière rouge (Gd2O2S: Eu) pour la surveillance. Un faisceau de rayons X focalisés irradie une tache sur l’implant, et la lumière rouge générée par le scintillateur (avec des pics de 620 nm et 700 nm) est transmise à travers la couche de détection qui modifie le rapport spectral en fonction du pH. Une image est générée en scannant le faisceau de rayons X à travers l’implant et en mesurant le rapport spectral de la lumière traversant le tissu point par point. Nous avons utilisé cette technique d’imagerie pour surveiller les infections associées aux implants précédemment sur la surface osseuse du fémur avec un capteur de plaque implantable modifié. Nous étudions maintenant les changements de pH qui se produisent à la suite d’infections tibiales intramédullaires par bâtonnet. Deux types différents de tiges intramédullaires sont utilisés dans les études pré-pilotes sur les lapins, et nous avons appris que la technique XELCI pourrait être utilisée pour surveiller tout changement chimique qui se produit non seulement à la surface de l’os, mais aussi à l’intérieur de l’os. Ainsi, cela permet une imagerie non invasive, à haute résolution spatiale et à faible pH local de fond pour étudier la biochimie des infections associées aux implants.

Introduction

Aux États-Unis, environ 2 millions de dispositifs de fixation des fractures sont insérés chaque année, et 5% à 10% d’entre eux conduisent à des infections associées aux implants¹. Ces infections sont plus difficiles à traiter avec des antibiotiques à des stades ultérieurs en raison de l’hétérogénéité et de la nature résistante aux antibiotiques des biofilms ^2,3. Si elles sont diagnostiquées tôt, les infections peuvent être traitées avec des antibiotiques et un débridement chirurgical pour éviter des coûts médicaux supplémentaires pour une deuxième chirurgie visant à remplacer le matérie....