Cystography photoacoustic
11 ביוני 2013
cystography photoacoustic (PAC) יש פוטנציאל גדול כדי למפות שלפוחיות השתן, איברים פנימיים רגישים קרינה במטופלי ילדים, ללא כל שימוש בקרינה מייננת או חומר ניגוד רעיל. כאן אנו מדגימים את השימוש בPAC למיפוי שלפוחיות השתן עם הזרקה של קליעים נותבים אופטיים אטומים בחולדות In vivo.
המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להדגים ציסטוגרפיה פוטו-אקוסטית לא-מייננת in vivo, תוך שימוש בבליעה אופטית של אור באינפרא-אדום קרוב כסמני עכירות אופטיים לא רעילים. דבר זה מושג תחילה על ידי הרדמת בעל החיים הניסויי. השלב השני הוא הכנת בעל החיים לדימות באמצעות הסרת הפרווה מאזור הבטן, מיקום החולדה על גבי מחזיק בעלי חיים מותאם אישית, החדרת קטטר ומריחת ג'ל אולטרסאונד על אזור הדימות.
תמונות הבאות של אזור הבטן מתקבלות באמצעות מערכת לצ'יסטוגרפיה פוטו-אקוסטית לפני ואחרי הזרקת חומר בעל בליעה אופטית לשלפוחית השתן. בסופו של דבר, תהליך זה מאפשר הדמיה של שלפוחית שתן של חולדה באמצעות מערכת לצ'יסטוגרפיה פוטו-אקוסטית שאינה מייננת ואינה פולשנית, שאינה גורמת לחשיפה לקרינה וללא הצטברות ארוכת טווח של חומרים כבדים. טומוגרפיה אקוסטית הפכה למודליות הדמיה ביו-רפואית מובילה בשל ניגודיות בליעה אופטית חזקה ורזולוציה מרחבית גבוהה של אולטרסאונד ברקמות ביולוגיות. היתרון המרכזי של פוטו-טומוגרפיה הוא שהיא נקייה לחלוטין מקרינה מייננת, החומר המוזרק אינו מצטבר בשלפוחית השתן, והיא מהירה ויעילה מבחינה כלכלית.
עבור הליך זה, השתמשו בלייזר Nd:YAG עם מיתג Q שעבר הכפלת תדר כדי להפיק אור באורך גל של 532 nanometers. פלט הלייזר עובר דרך מתנד פרמטרי אופטי (OPO) עם טווח כוונון של אורך גל בין 680 ל-2,500 nanometers. התחילו בהגדרת משך הפולס של ה-OPO לחמישה nanoseconds לכל יריית לייזר, והגדירו את קצב החזרות ל-10 hertz.
לאחר מכן, הגדירו את אורך הגל האופטי ל-667 nanometers לשימוש עם חומר הניגוד methylene blue. ייתכן שיהיה צורך לשנות אורך גל זה אם נעשה שימוש בחומר ניגוד אחר. העבירו את האור היוצא מה-OPO דרך פריזמה בזווית ישרה לעדשה קונית כדורית שהוכנה במעבדה.
העדשה הקונית עשויה מעדשת BK seven בקוטר 2.5 centimeter עם זווית קונוס של 152 מעלות. לאחר מכן, הפנו מחדש את אלומת האור המבדרת בצורת דונאט דרך מעבה אופטימלי בעובי 2.5 centimeter העשוי מאקריליק שקוף. קוטריהם של המשטחים העליון והתחתון הם 6.1 ו-4.8 centimeter בהתאמה.
ודאו שתבנית הקרן היא בצורת טבעת מושלמת. אם תבנית הקרן בצורת ה"דונאט" אינה נוצרת כראוי, האותות הפוטו-אקוסטיים הנובעים מפני השטח של העור יהיו דומיננטיים. כתוצאה מכך, יהיה קשה להשיג דימוי של רקמות עמוקות.
לאחר מכן, הכינו מיכל מים קטן לשיפור ההצמדה האקוסטית בין בעל החיים ללייזר. הפתח התחתון עטוף בסרט פוליאתילן שקוף ודק, אשר שקוף מבחינה אופטית ואקוסטית. באמצעות חתיכת סרט בידוד שחור, יישרו את האור בצורת קו באופן קואקסיאלי עם אזור המוקד של האולטרסאונד.
אם אלו אינם מיושרים היטב, המערכת תסבול מיחס אות לרעש נמוך. לאחר מכן, התקינו מתמר אולטרסאונד בעדיש כדורי (Spherically focused ultrasound transducer) לצורך גילוי הגלים הפוטו-אקוסטיים. לשם כך נעשה שימוש במתמר טבילה V 3 0 8 Olympus NDT.
המערכת אוספת נתונים בתדר של five megahertz ובעלת רזולוציות טרנסברסלית ואקסיאלית של 590 ו-144 micrometers בהתאמה. לאחר מכן, חבר את המתמר למקלט או למחולל פולסים אולטרסוניים רחב-פס, אשר יגביר את הגלים הפוטואקוסטים, וחבר רכיב זה לאוסצילוסקופ. ברגע שהמערכת הוגדרה, השג תמונות חד-ממדיות ברזולוציית זמן הנקראות תמונות ALINE, על ידי מדידת זמני ההגעה של הגלים הפוטואקוסטים באמצעות האוסצילוסקופ.
לאחר מכן, בצעו בקרה מכנית על במה לסריקה ליניארית (raster stage) באמצעות lab view כדי לרכוש סריקות B דו-ממדיות ותמונות פוטואקוסטיות תלת-ממדיות. ההדמיה התלת-ממדית אורכת כ-25 דקות לדגימה עבור שדה בגודל 2.5 centimeters על 2.4 centimeters על 1.5 centimeter כדי לרכוש תמונות 3D. הגדירו את תוכנת ה-lab view לשליטה בבמה.
רכשו 125 דגימות בכיוון X עם גודל צעד של 0.2 millimeters, 60 דגימות לאורך כיוון Y עם גודל צעד של 0.4 millimeters ו-500 נקודות נתונים בקצב דגימה של 50 megahertz לאורך כיוון Z. לבסוף, הגדירו מערכת תוכנה של MathWorks MATLAB לרכישה, המרה ועיבוד של הנתונים הגולמיים לרצף של תמונות bcan בחתך רוחב המייצגות את הנתונים הנפחיים. התמונות שהוקלטו מוצגות לאחר מכן כתמונות 2D maximum amplitude projection.
כדי להכין את החולדות לדימות, הרדימה חולדת Sprague Dawley נקבה שמשקלה בין 200 ל-250 גרמים באמצעות הזרקה אינטraperיטוניאלית של תערובת של ketamine ו-xylazine. לאחר מכן, הסירי את השערות משטח של חמישה סנטימטרים רבועים סביב אזור הבטן באמצעות תמיסת הסרת שיער. לאחר מכן, מקם את החולדה על מחזיק בעלי חיים בהתאמה אישית.
לאחר מכן, הכינו קטטר במידה 22 להחדרה על ידי ציפויו בחומר סיכוך, והחדירו את הקצה הדיסטלי של הקטטר בצורה אופקית אל תוך השופכה עד שהבסיס של הקטטר מגיע לפתח ושתחיל שתן לזרום דרך הקטטר. לבסוף, מקמו את החולדה כך שתהיה מעל מחזיק בעלי החיים ומתחת למיכל המים במערכת לצ'יסטוגרפיה פוטו-אקוסטית. כדי להתחיל בדימות, הרדימו את החולדה באופן מלא באמצעות iso fluorine מאודה במהלך ניסויי הדימות הפוטו-אקוסטית in vivo.
לאחר מכן, מרחו ג'ל אולטרסאונד בין פני עור בעל החיים לבין ממברנת הפלסטיק כדי לשפר את הצימוד האקוסטי. בשלב הבא, הפעילו את תוכנית ה-MathWorks mat lab שהוכנה כדי לקבל תמונת פוטו-אקוסטית תלת-ממדית של ביקורת לפני הזרקת חומרי ניגוד. לאחר קבלת תמונת הביקורת, השתמשו במזרק של 1 mL כדי להחדיר תמיסה מימית של methylene blue לשלפוחית השתן באמצעות הקטטר, לאחר הזרקת ה-methylene blue.
בצע סדרת הדמיות פוטואקוסטיות in vivo בכל 12 שעות עד 48 שעות לאחר ההזרקה. לאחר מכן, הקרב את החולדה על ידי הזרקת מינון יתר של 150 milligrams per kilogram של פנטובריטול. לאחר מכן, הוצא את שלפוחית השתן ואת הכליה והנח אותם על פלטת זכוכית.
יש להשתמש בשלפוחית השתן ובכליה של בעל חיים שלא הוזרק לו חומר כביקורת להדמיה ex vivo. מקמו את לוחית הזכוכית מתחת למיכל המים במערכת לציתוגראפיה פוטואקוסטית ומריחו ג'ל אולטרסאונד בין האיברים שהוצאו לבין הממברנה הפלסטית כדי לשפר את הצימוד האקוסטי במהלך ההדמיה. התמונה המוצגת כאן היא סריקת בטן דו-ממדית XY של חולדה שהודמיה באמצעות אור לייזר באורך גל של 667 nanometer לפני הזרקה של methylene blue.
כאן, ניתן לראות את כלי הדם בקלות כיוון שהדם סופג אור כדי לייצר אות פוטואקוסטי, אך שלפוחית השתן אינה נראית בשל היעדר חומר ניגוד. כאשר מצלמים 12 שעות לאחר הזרקת חומר הניגוד מethylene blue, שלפוחית השתן הופכת לנראית בקלות עם אמפליטודה חזקה מאוד לאורך כל השלפוחית. כאשר מודדים שוב לאחר 24 ו-48 שעות, חומר הניגוד כבר עזב את הגוף ואינו נראה עוד; על ידי שינוי אורך הגל האופטי ל-850 nanometers באמצעות ה-optical parametric oscillator, חומר הניגוד methylene blue כבר אינו סופג את האנרגיה והופך לבלתי נראה.
פעולה זו גורמת לשלפוחית להעלם למעשה ומשמשת כבקרה שלילית נוספת למערכת. תמונות ברזולוציית עומק שהתקבלו ממישור Z לאורך הקווים המקווקוים המוצגים כאן, מספקות נתוני עומק נוספים לאורך אזורי עניין כפי שמוצג כאן, או שניתן לבצע זאת עבור התמונה כולה כדי לתאר את האזור בתלת-ממד. בסרטון זה, הדגמנו את היכולת הפיזיולוגית של תהליך לא מיינן לדימוי שלפוחית השתן in vivo הנקרא Photoacoustic microscopy.
באמצעות מערכת ההדמיה הפוטו-אקוסטית שלנו, הצלחנו להדמיות של השלפוחית השמאלית שלנו לאחר הזרקה של חומר מעקב בעל אפקט אופטי. בעתיד, ניתן יהיה ליישם טכניקה זו גם לניטור בעיות אורולוגיות, כגון רפלוקס של שתן, בחולים פדיאטריים, תוך חשיפה למנת קרינה נמוכה. הניידות והעלות הנמוכה של הליך זה הן אופטימליות עבור סוג זה של יישומים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את השימוש בצסטוגרפיה פוטו-אקוסטית (PAC) למיפוי של שלפוחית השתן בחולדות, תוך שימוש בקרינה שאינה מייננת ובסמנים אופטיים לא רעילים. השיטה שואפת לספק חלופה בטוחה לדימות עבור מטופלים פדיאטריים, תוך הימנעות מקרינה מייננת ומחומרי ניגוד רעילים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דימות ביו-רפואי
- טכנולוגיה פוטו-אקוסטית
- הליכים לא פולשניים
רקע
- ציסטוגרפיה פוטו-אקוסטית היא טכניקת דימות חדשנית.
- היא מועילה במיוחד עבור אוכלוסיות הרגישות לקרינה, כגון ילדים.
- השיטה משתמשת בסומנים אופטיים אטומים למיפוי של השלפוחית.
- היא מונעת שימוש בקרינה מייננת ובחומרים רעילים.
מטרת המחקר
- להדגמת ציסטוגרפיה פוטו-אקוסטית לא-מייננת in vivo.
- להערכת היעילות של בליעה אופטית כסממנים.
- לספק שיטת דימות בטוחה לשלפוחית השתן בחולדות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הרדמה של בעל החיים הניסיוני.
- הכנת אתר הדימות על ידי הסרת שיער מהבטן.
- מיקום החולדה והחדרת קטטר.
- מריחת ג'ל אולטרסאונד וביצוע דימות באמצעות מערכת PAC.
תוצאות עיקריות
- דימוג מוצלח של שלפוחית השתן של חולדה באמצעות PAC.
- ללא חשיפה לקרינה או הצטברות ארוכת טווח של חומרים.
- השיגו רזולוציה מרחבית גבוהה וניגודיות ספיגה אופטית חזקה.
- הודגם תהליך דימוג מהיר ובעל יעילות כלכלית.
מסקנות
- ציסטוגרפיה פוטואקוסטית היא שיטת דימות מבטיחה.
- היא מספקת חלופה בטוחה ולא פולשנית למיפוי של השלפוחית.
- הטכניקה עשויה להועיל למטופלים פדיאטריים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ציסטוגרפיה פוטו-אקוסטית (PAC) מציעה חלופה להדמיה שאינה מייננת ואינה פולשנית לצורך ויזואליזציה של שלפוחית השתן, ובכך היא נותנת מענה לצורך קריטי שלא קיבל מענה באורולוגיה פדיאטרית, שבה חשיפה לקרינה מציסטוגרפיה קונבנציונלית מהווה סיכון קרצינוגני משמעותי. באמצעות שימוש במסמני אופטיקה תואמים ביולוגית, כגון methylene blue, ננו-מבני זהב או ננו-צינורות פחמן, PAC מאפשרת הדמיה של רקמות עמוקות מעבר ל-1 cm באנרגיות לייזר הנמוכות במידה רבה מספי שיגורי הבטיחות, ובכך היא תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים בקווי תהליכי תיקוף של יעדים פרה-קליניים. גישה זו משפרת את הביטחון החזוי במודלים של מחלות על ידי אספקת ניטור אורך חסר קרינה וחזרתי של הפיזיולוגיה והפתולוגיה של שלפוחית השתן.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הקשורות לתפקוד ולפתולוגיה של שלפוחית השתן ללא משתפי הפרעה של קרינה מייננת.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים באמצעות ניטור ארוך-טווח ולא הרסני של הפרשת חומרים עוקבים ודינמיקת השלפוחית in vivo.
- ערך ניבוי: מסייע בהפחתת סיכונים מנגנוניים על ידי תיקוף של פינוי חומרי ניגוד באמצעות השתנה טבעית, ובכך מפחית חששות לגבי הצטברות רעילה ארוכת-טווח במודלים פרה-קליניים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מוכנות הבדיקה: הכנה של מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור תהליכי עבודה המשכיים, באמצעות קביעת קריאות אות פוטו-אקוסטיות כמותיות הניתנות לשחזור, הקשורות לריכוז החומר המסמן ולמצב מילוי השלפוחית.
- שחזוריות: מאפשרת סטנדרטיזציה של פרוטוקולי הדמיה באמצעות בקרת אורך גל של הלייזר (למשל, 667 nm עבור methylene blue), אנרגיית פולס (<1 mJ/cm²) והגדרות התמרה (תדר מרכזי של 5 MHz).
- פלט כמותי: ייצור נתונים ספקטרליים ואמפליטודה פוטו-אקוסטית מדידה, המאפשרים השוואה בין תנאים, נקודות זמן וסוגי חומרי סימון.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: מדמה רפלקס וזיקו-ורטראלי (vesicoureteral reflux) והפרעות אורולוגיות פדיאטריות אחרות על ידי כך שמאפשר דימוי של שלפוחית השתן באופן לא פולשני לאורך תקופות של 48 שעות לאחר מתן הסמן.
- המשכיות תרגומית: מגשר בין שלב הגילוי לתיקוף פרה-קליני על ידי הדגמת קינטיקת הפרשת הסמן, ובכך תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון המבוססות על פרופילי תאימות ביולוגית ופינוי.
- הלימה לסמני ביולוגים: מספק פלטפורמה להערכת התפלגות ביולוגית ושימור של הסמן כסמנים ביולוגים תרגומיים פוטנציאליים לתפקוד הכליות או שלפוחית השתן.
שילוב זרימת עבודה ופייפליין
PAC משתלב ברצף הגילוי, החל מאימות מטרות מוקדמת ועד לבדיקות יעילות פרה-קליניות, במיוחד עבור מטרות אורולוגיות שבהן פיזיולוגיית השלפוחית היא מדד מרכזי, ובכך הוא מאפשר הערכה אורכית לא פולשנית ללא עומס קרינה מצטבר.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת השערות על ידי מתן אפשרות לוויזואליזציה של שינויים מבניים ותפקודיים בשלפוחית השתן בתגובה להתערבויות פרמקולוגיות או גנטיות.
- סריקה: מספקת דימיון הניתן לשחזור ומוכן לבדיקה (assay-ready), בעל רזולוציה מרחבית גבוהה (590 µm ברוחב, 144 µm בציר) וניגודיות בליעה אופטית חזקה להערכה אמינה של תרכובות או סומנים.
- אנליטיקה: מייצרת נתונים בעלי רזולוציית זמן, עומק ונפח (באמצעות B-scans ושחזור תלת-ממדי), המאפשרים השוואה כמותית של מילוי שלפוחית השתן, שימור סומנים ודינמיקה של פינוי.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרציפות פרה-קלינית על ידי תיקוף העובדה שסומנים אופטיים מופרשים באופן טבעי דרך השתנה, ובכך תומכת באפיוני בטיחות עבור מחקרים המאפשרים הגשת IND.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה פלטפורמת דימיון ניתנת לשימוש חוזר, ישימה במחקרים רבים ובמערכות מודלים שונות, בשל אופיה שאינו מייננ, עלות הפעלה נמוכה ותאימות לסומנים שונים הסופגים ב-NIR.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי הפחתת העמימות המכניסטית במחקרים המכוונים לשלפוחית השתן באמצעות הדמיה חוזרת ללא קרינה.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות פרמטרים מוגדרים של הלייזר, מפרטי המתמר ופרוטוקולי הדמיה.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) על ידי מתן אפשרות לזיהוי מוקדם של שימור סמן מחוץ למטרה או רעילות של שלפוחית השתן ללא חשיפה לקרינה מייננת.
- השפעה על פורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכונים על ידי אספקת נתוני פינוי והתפלגות ביולוגית המנחים החלטות קידום בקווי פיתוח של תרופות אורולוגיות.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בדימות פוטו-אקוסטי, בטיחות בלייזר ובפרוצדורות כירורגיות בבעלי חיים קטנים, כולל קטטריזציה והרדמה.
- נדרש מקור לייזר הניתן לכוונון (OPO), מתמר אולטרסאונד בעל מיקוד ספרי (5 MHz), מערכת לרכישת נתונים (אוסילוסקופ, LabVIEW) וצינור עיבוד מבוסס MATLAB.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרמטרי דימות (אורך גל, אנרגיית פולס, גודל צעד) ופרוטוקולים להכנת סומנים בין צוותי הגילוי והצוותים הפרה-קליניים.
- כולל שיקולי התאמה בעת החלפת סומנים (למשל, ממתילין כחול לננו-מבני זהב), דבר המצריך אופטימיזציה מחדש של אורך הגל ותיקוף של הצימוד האקוסטי.
- מוגבל על ידי עומק החדירה (הוכח מעל 1 cm) ותלות בתכונות הבליעה האופטית של הסומן באורכי הגל הנבחרים.
