הדמיה כימית ברזולוציה מרחבית גבוהה של זיהומים הקשורים לשתלים עם צילום רנטגן מעורר לומינסנציה הדמיה כימית דרך רקמות
30 בספטמבר 2022
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לזיהוי אופטי ברזולוציה גבוהה של מידע כימי סביב מכשירים רפואיים מושתלים עם הדמיה כימית של הארה מעוררת קרני רנטגן (XELCI). טכניקת הדמיה חדשנית זו פותחה במעבדה שלנו ומאפשרת לחקור ביוכימיה של זיהומים הקשורים לשתלים.
טכניקה זו תאפשר לנו לדמיין ולמפות שינויים ביוכימיים של זיהומים הקשורים לשתלים דרך עצם ורקמות. אנו יכולים לקבל תמונות ברזולוציה גבוהה של השינויים בריכוזים הכימיים ליד משטחי השתל. זה יאפשר לנו לנטר את הסביבה הכימית המקומית ליד זיהומים הקשורים לשתלים.
מי שתדגים את הליך גידול החיידקים תהיה ארין לבון, סטודנטית לתואר שני מהמחלקה למדעי הביולוגיה. כדי להתחיל, הפעל את מצנן PMT ובצע את שאר שלבי האתחול לפני הפעלת PMT. לאחר מכן פתח את תוכנת בקרת מערכת ההדמיה והזז את ציר x שלב וציר y למיקום ההתחלה הרצוי.
הניחו את הדגימה על במת xyz הניתנת להזזה ומקמו את גובה הדגימה כך שמכשיר הרדיו הזוהר יהיה 5 עד 5.5 סנטימטרים מתחת לאופטיקת הפוקוס הפולי קפילרי על ידי העלאה או הורדה של מקור קרני הרנטגן ו/או הבמה. כמו כן, מקם את הדגימה במישור x-y בעזרת ראש הלייזר והסר את אופטיקת המיקוד לקבלת הרדיוגרף הרגיל של הדגימה. אבטח את מנעול הלחצן בדלת הכניסה של מארז ההדמיה.
לאחר מכן הפעל את החשמל עבור מקור הרנטגן. לאחר מכן, פתח את תוכנת בקרת הרנטגן. הגדר את עוצמת הרנטגן ופתח את תריס הרנטגן באמצעות תוכנת בקרת הרנטגן.
לאחר מכן פתח את התוכנה עבור מצלמת הרנטגן ולחץ על כפתור חשיפה כדי לצלם את הרנטגן הרגיל. כבה את החשיפה ואת צילום הרנטגן ולאחר מכן פתח את דלת המארז. חבר שוב את האופטיקה הפולי קפילרית למקור הרנטגן.
לאחר מכן סגור את המארז, אבטח את האינטרלוק והפעל את ספק הכוח PMT. לאחר מכן, פתח את תוכנת בקרת מערכת ההדמיה וציין את גודל השלב, מהירות הסריקה ואזור הסריקה. לאחר שכל הפרמטרים מוגדרים, התחל את הסריקה על ידי לחיצה על הפעל לחצן.
הפעל סריקת רקע כאשר צילום הרנטגן כבוי כדי לקבוע את הספירה הכהה מכל אור שנמצא במארז מלבד הדגימה. לאחר שווידאתם שהדגימה נמצאת במיקום הנכון עם ראש הלייזר, סגרו את המארז ואבטחו את האינטרלוק. לאחר מכן פתח את תוכנת בקרת מערכת ההדמיה והזן את הערכים עבור גודל צעד, מהירות סריקה ואזור סריקה.
לאחר שכל הפרמטרים מוגדרים, לחץ על הפעל כפתור כדי להתחיל את הסריקה ולקבל את הסריקה עבור הדגימה עם צילום רנטגן על. ראשית, בצע את הסריקה ברזולוציה נמוכה עם גדלי צעדים גדולים יותר ומהירות סריקה גבוהה יותר כדי לקבל תמונה ראשונית של המטרה. לאחר קבלת סריקה ברזולוציה נמוכה של האזור הרצוי בדגימה, השג את הסריקה ברזולוציה גבוהה יותר עם גודל צעד קטן יותר ומהירות סריקה נמוכה יותר.
כדי להכין תרבית טרייה של staphylococcus aureus 1945, השתמש מושבה אחת מתוך צלחת אגר סויה טריפטית, פסים בתוך שבוע אחד כדי לחסן שלושה מיליליטר של מרק סויה טריפטי סטרילי. לאחר מכן נערו את תרבית החיידקים בעדינות ב 37 מעלות צלזיוס במשך 16 עד 18 שעות עד לשלב נייח. לאחר מכן, גלולה את התרבית מן מרק סויה טריפטי באמצעות צנטריפוגה ב 4, 000 גרם במשך 10 דקות בטמפרטורת החדר ולשטוף את הגלולה פעמיים עם PBS.
לכמת את ריכוז החיידקים באמצעות צפיפות אופטית של 600 ננומטר באמצעות התחום הלינארי, שהוא תחום הצפיפות האופטית שבו מאומת חוק באר-למברט. לאחר מכן לדלל את המדגם 200, 000 תאים למיליליטר באמצעות PBS סטרילי. לעקר את אגר סויה טריפטי על ידי autoclaving, ולאחר מכן מגניב על ידי ערבוב עד הטמפרטורה מגיע 45 מעלות צלזיוס.
לאחר מכן, לחסן את החיידקים לתוך אגר סויה טריפטי. לאחר מכן, הזרימו את תרבית החיידקים המדוללת על פני השטח של החיישן המושתל ו-100 מיקרוליטר של אגר סויה טריפטי לא מחוסן על גבי שתל סטרילי אחר כבקרה. הוסף 100 מיקרוליטר נוספים של אגר סויה טריפטי לא מחוסן על החיישן המושתל לפני שהוא מודגר ב 37 מעלות צלזיוס במשך 48 שעות לפני ההשתלה.
לאחר השלמת הסריקה, התמונות בגודל 620 ננומטר, 700 ננומטר ויחס בהתאמה נוצרו ב-MatLab, ושינוי הצבע העיד על השינויים ב-pH. מכיוון שאזור ה- pH הבסיסי בולע באופן משמעותי את האור הנפלט מאשר אזור ה- pH החומצי, אזור ה- pH הנמוך מופיע כאות בהיר יותר ב- 620 ננומטר. פליטת הנצנצים ב-700 ננומטר מתפקדת כנקודת ייחוס ספקטרלית לחוסר עקביות בסרט הנצנצים, שינויים בהרכב הרקמות, וכל שינוי המתרחש במיקום אופטיקת הגילוי מסריקה לסריקה.
המדגם צריך להיות ממוקם כראוי על הבמה. יש לכבות את ספק הכוח PMT לפני הדלקת אור החדר או פתיחת המארז, ויש לבצע סריקה ברזולוציה נמוכה לפני הדמיה ברזולוציה גבוהה. במקום מקור הרנטגן, אנו יכולים להשתמש במקור אולטרסאונד כדי לבצע הדמיה כימית של אולטרסאונד לניטור שינויי pH הקשורים למכשירים רפואיים מושתלים.
כן, לאחר אופטימיזציה של המערכת, הצלחנו לזהות שינויים pH בחלל intramedullary של העצם לעומת פני השטח של העצם אשר יכול לשמש לחקר אוסטאומיאליטיס.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול לגילוי אופטי ברזולוציה גבוהה של מידע כימי סביב מכשירים רפואיים מושתלים, באמצעות דימות כימי של לומינצנציה בעירור קרני X (XELCI). טכניקה חדשנית זו מאפשרת לחקור את הביוכימיה הקשורה לזיהומים הנובעים מהשתלות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- ביולוגיה של זיהומים
רקע
- זיהומים הקשורים להשתלה מהווים אתגרים משמעותיים בטיפולים רפואיים.
- הבנת הסביבה הכימית המקומית היא קריטית לניטור ולהתערבות יעילים.
- שיטת XELCI מציעה גישה חדשנית להדמיה של שינויים ביוכימיים.
- טכניקה זו יכולה לשפר את הבנתנו את הביוכימיה של הזיהום סביב השתמרים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לדימוי שינויים ביוכימיים בסביבת מכשירים רפואיים מושתלים.
- ניטור הסביבה הכימית המקומית הקשורה לזיהומים.
- אספקת תמונות ברזולוציה גבוהה של שינויים בריכוזים כימיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- אתחול של מערכת ההדמיה באמצעות מקריר ה-PMT והתוכנה.
- מיפוי של ציר x וציר y לעמדות ההתחלה הרצויות.
- הדמיה וניתוח של מידע כימי מסביב להשתלים.
- הדגמה של נהלי תרבית חיידקית.
תוצאות עיקריות
- דימוג מוצלח של שינויים בכימיים סביב משטחי שתלים.
- השגת מיפוי ברזולוציה גבוהה של ריכוזים כימיים.
- תובנות לגבי הסביבה הכימית המקומית של זיהומים הקשורים לשתלים.
- הוכחת ההיתכנות של XELCI עבור מחקרים עתידיים.
מסקנות
- XELCI היא טכניקה מבטיחה לחקר זיהומים הקשורים לשטבלים.
- היא מאפשרת ניטור בזמן אמת של שינויים ביוכימיים.
- שיטה זו עשויה להוביל לאסטרטגיות משופרות לניהול זיהומים סביב שתלים רפואיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
זיהומים הקשורים להשתמה מהווים אתגר קריטי בטיפולים המבוססים על מכשירים, שבהם זיהוי מוקדם של שינויים בכימיים מקומיים חיוני לצורך התערבות והצלת המכשיר. דימיון כימי באמצעות לומינסנציה בעירור קרני X (XELCI) מאפשר מיפוי לא פולשני ברזולוציה גבוהה של מיקרו-סביבות כימיות על פני השטחים של השתמאים, ובכך תומך בביטחון חיזוי בניטור זיהומים. יכולת זו מחזקת את הרציפות התרגומית ממודלים פרה-קליניים של זיהום למסלולי פיתוח של מכשירים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של שינויים ביוכימיים המונחים על ידי זיהום בממשק שבין ההתקן לרקמה.
- תומך בהפחתת סיכונים מכנית על ידי מיפוי שינויי pH מקומיים הקשורים להתיישבות מיקרוביאלית.
- מקל על תיקוף תפקודי של סמני זיהום in situ.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספקת פלטפורמה לקריאות כימיות כמותיות בעלות רזולוציה מרחבית במודלים פרה-קליניים.
- מאפשרת סטנדרטיזציה של בדיקות לזיהוי זיהומים על פני שטחי שתלים ובתוך העצם.
- תומכת בהערכה הדירה (reproducible) של ציפויים למכשירים ואסטרטגיות אנטי-מיקרוביאליות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתואם עם מודלים רלוונטיים למחלה על ידי אפשור ניטור in vivo של ביוכימיה של זיהום.
- מגשר בין שלב הגילוי לאימות פרה-קליני באמצעות דימות כימי לא פולשני.
- מספק מידע לקידום מותאם סיכונים של מועמדים למכשור רפואי, על בסיס פרופילי תגובה לזיהום.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת נתונים
XELCI משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות לניטור זיהומים מונחה-השערה ותמיכה בזיהוי מובילים עבור ציפויים למכשירים או התערבויות אנטימיקרוביאליות.
- ביולוגיה של גילוי: ממפה חתימות ביוכימיות של זיהום, ובכך מבהירה מסלולים מכניסטיים בממשק השתל.
- סריקה: מספקת דימוי pH כמותי וניתן לשחזור להערכה השוואית של שינויים במכשירים.
- אנליטיקה: מספקת פלטי יחס ספקטרלי לניתוח סטטיסטי חסון של שינויים הקשורים לזיהום.
- מחקר תרגומי: שומרת על רציפות ממודלי זיהום in vitro למודלים in vivo, ובכך תומכת בהלימה של סמנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמת דימוי ניתנת לשימוש חוזר למגוון מחקרי שתלים וזיהומים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בזיהוי זיהומים ובתיקוף מטרות בממשק שבין המכשיר לרקמה.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של תהליכי עבודה של דימות כימי לא פולשני לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מוקדמת יותר לגבי המשך או הפסקה של מועמדים למכשירים, בהתבסס על פרופילי סיכון לזיהום.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של אסטרטגיות מכשירים ואסטרטגיות אנטימיקרוביאליות בקווי הפיתוח.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימוי אופטי, במכשור רנטגן ובניתוח ספקטרלי.
- דורש חומרה ייעודית הכוללת גלאי PMT, מקורות קרינת רנטגן ותאי דימוי.
- מצריך סטנדרטיזציה חוצת-צוותים של הכנת הדגימות ושל פרמטרי הדמיה.
- התאמה לסוגים שונים של שתלים ולמודלים שונים של בעלי חיים עשויה להצריך אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- עומק ההדמיה וההטרוגניות של הרקמה עשויים להגביל את הרזולוציה בתרחישים פרה-קליניים מסוימים.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:54
Initialize the System and Acquire a Plain Radiograph
2:25
Performing a Background Scan with the X-Ray Off
3:07
Performing a Sample Scan with the X-Ray on and Forming the Image
4:00
Culturing Bacteria for Imaging in Sterile Conditions
5:53
Results: Imaging the Intramedullary Rod Sensor in a Reamed Tibia of a Rabbit
6:44
Conclusion
