Tomografia fotoacustica per l'immagine di sangue e lipidi nell'aorta infrarenale

La tomografia fotoacustica, PAT, a volte indicata come tomografia optoacustica, è una modalità di imaging biomedico emergente che utilizza onde acustiche generate dalla luce per ottenere informazioni sulla composizione di un tessuto.

La tomografia fotoacustica, o PAT, utilizza particolari lunghezze d'onda della luce per visualizzare componenti specifici del tessuto. Ciò è utile per un'ampia varietà di applicazioni precliniche e cliniche, come il monitoraggio della progressione della malattia basata sui lipidi.

Le tecniche di imaging attualmente utilizzate sono intrinsecamente limitate in termini di tempi di acquisizione, profondità di penetrazione, uso di agenti di contrasto dannosi e costi. La PAT, d'altra parte, è una tecnica rapida, non invasiva e priva di mezzo di contrasto che, se combinata con le modalità di imaging esistenti come gli ultrasuoni, può fornire informazioni strutturali e compositive contemporaneamente.

Questo video illustrerà i principi di base della PAT vibrazionale e la metodologia per impostare l'imaging del sangue e dei lipidi nei topi. Successivamente, dimostreremo come interpretare le immagini VPAT in combinazione con gli ultrasuoni, seguiti da alcune applicazioni della tecnica.

Iniziamo discutendo i fondamenti di questa tecnica di imaging.

Durante l'imaging VPAT, la luce a lunghezza d'onda singola proveniente da una sorgente laser viene mostrata sulla regione di interesse. Questa luce viene poi assorbita da un legame chimico specifico per la lunghezza d'onda nel tessuto biologico. Nel VPAT, la luce assorbita fa vibrare la molecola.

Parte di questa energia vibrazionale viene poi convertita in riscaldamento transitorio. Questa produzione di calore provoca poi un'espansione termoelastica del tessuto locale e, di conseguenza, produce la propagazione delle onde ultrasoniche. Questo è chiamato effetto fotoacustico. Il rilevamento dell'onda ultrasonica da parte di un trasduttore a ultrasuoni produce un'immagine tomografica specifica per la composizione.

Matematicamente, l'onda acustica indotta dalla luce P nulla è governata dal parametro di Gruneisen dipendente dalla temperatura gamma, dal coefficiente di assorbimento mu a e dalla fluenza ottica locale F. Pertanto, per ogni aumento di temperatura in millikelvin, esiste un'onda di pressione di 800 pascal che può essere rilevata utilizzando un trasduttore a ultrasuoni. Questo assorbimento selettivo della luce consente agli utenti di mirare a vari componenti biologici regolando la lunghezza d'onda della luce.

Ad esempio, la luce a 1.100 nanometri viene utilizzata per colpire il sangue e la luce a 1.210 nanometri viene utilizzata per colpire i lipidi. Inoltre, poiché la luce viene utilizzata per indurre la propagazione delle onde acustiche, questa tecnica può essere utilizzata per visualizzare strutture più profonde rispetto ad altre tecniche ottiche senza la necessità di agenti di contrasto o procedure invasive.

Dopo aver esaminato le basi della VPAT, vediamo ora un esempio di come impostare ed eseguire la VPAT per visualizzare il sangue e i lipidi nell'aorta infrarenale di topi carenti di apolipoproteina E.

Per prima cosa, procurati l'attrezzatura necessaria: un laser oscillatore ottico parametrico pulsato Nd:YAG, un sistema a ultrasuoni, un generatore di ritardo e un connettore D collegato a due cavi BNC. Quindi, collegare il cavo BNC Fire alla porta A del generatore di ritardo e l'interruttore Q alla porta B del generatore di ritardo. Collegare l'estremità del cavo BNC dalla porta C al trigger sul retro del sistema a ultrasuoni.

Regolare il ritardo delle porte A, B e C sui valori elencati qui. Le porte A e B dovrebbero emettere specificamente impulsi invertiti e la porta C dovrebbe emettere impulsi normali. Quindi, allineare il cavo in fibra ottica con il laser e collegare le estremità della fibra ai lati del trasduttore a ultrasuoni da 40 megahertz.

Ora, dimostriamo come preparare un animale per la tomografia fotoacustica.

In primo luogo, anestetizzare un topo carente di apolipoproteina E utilizzando isoflurano al 3% in una camera di knockdown. Una volta che l'animale è stato anestetizzato, spostare il topo sul palco riscaldato e fissare un cono nasale per erogare dall'uno al 2% di isoflurano. Applicare un lubrificante per gli occhi sugli occhi dell'animale per prevenire l'essiccazione della cornea. Fissare le zampe del topo agli elettrodi integrati nel tavolino riscaldato per monitorare la respirazione e la frequenza cardiaca dell'animale. Infine, inserire una sonda rettale per monitorare la temperatura corporea.

Successivamente, rimuovere i peli da tutto l'addome dell'animale applicando una crema depilatoria. Posizionare il trasduttore a ultrasuoni sull'addome dell'animale e localizzare l'aorta infrarenale. La vena renale sinistra e la triforcazione aortica nell'arteria caudale sono due punti di riferimento che aiuteranno l'utente a localizzare quest'area.

Per avviare l'acquisizione delle immagini, premere Modalità B per visualizzare un'immagine dal vivo in modalità B. Regola il guadagno utilizzando la manopola Guadagno 2D e la messa a fuoco utilizzando le manopole Focal Zone e Focus Depth. Regolate la larghezza e la profondità dell'immagine utilizzando i pulsanti Scostamento profondità, Larghezza immagine e Profondità immagine.

Successivamente, accendi il laser. Premere Modalità PA per visualizzare in tempo reale la modalità B e le immagini PA. Regola il guadagno PA utilizzando la manopola 2D Gain e regola la finestra PA e la mappa dei colori sullo schermo. Far funzionare il laser a una luce di 1.100 nanometri per mirare al sangue, seguito da una luce a 1.210 nanometri per mirare ai lipidi.

Esaminiamo ora i risultati del protocollo VPAT per eseguire l'imaging lipidico e sanguigno in vivo.

L'ecografia ha permesso di ottenere informazioni strutturali sull'aorta infrarenale. Questo può essere utilizzato per interpretare meglio le informazioni sulla composizione del VPAT. In particolare, la luce a 1.100 nanometri ha ripreso il sangue all'interno dell'aorta, mentre la luce a 1.210 nanometri ha ripreso l'accumulo di grasso sottocutaneo e periaortico.

Come si vede da queste immagini, il grasso sottocutaneo segue la geometria della pelle. Tuttavia, il grasso periaortico segue il contorno dell'aorta e il segnale sanguigno proviene dall'interno dell'aorta.

La tomografia fotoacustica può essere utilizzata per un'ampia varietà di applicazioni precliniche e cliniche.

L'imaging in vivo di piccoli animali svolge un ruolo importante negli studi preclinici e la tomografia fotoacustica utilizza la luce del vicino infrarosso per rilevare l'assorbimento elettronico, consentendo l'imaging ad alta risoluzione delle caratteristiche cerebrali profonde per applicazioni neurobiologiche. Vengono raccolti dati precisi sull'ossigenazione dell'emoglobina, sull'anatomia vascolare e sul flusso sanguigno. Queste informazioni di imaging cerebrale interno possono essere utilizzate per valutare il tessuto cerebrale normale e patologico.

In medicina vascolare è importante visualizzare vene e arterie e valutarne la funzionalità. La tomografia fotoacustica fornisce informazioni composizionali che caratterizzano le placche come vulnerabili o stabili, aiutando così a prevedere quali sono soggette a rottura e potrebbero indurre infarto del miocardio o ictus ischemico.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla tomografia fotoacustica. A questo punto è necessario comprendere i principi di base di questa tecnica di imaging ed essere in grado di visualizzare un animale e interpretare i risultati. Grazie per l'attenzione!