Cistografia fotoacustico

Sommario

Cistografia fotoacustico (PAC) ha un grande potenziale per mappare vesciche urinarie, una radiazione organo interno sensibile nei pazienti pediatrici, senza l'utilizzo di alcun radiazioni ionizzanti o di agente di contrasto tossico. Qui mostriamo l'utilizzo del PAC per la mappatura vesciche urinarie con una iniezione di traccianti ottici-opachi nei ratti In vivo.

Abstract

Cystography pediatrica convenzionale, che è basato su raggi X diagnostici utilizzando un colorante radiopaco, soffre l'uso di radiazioni ionizzanti nocive. Il rischio di tumori della vescica nei bambini a causa di esposizione alle radiazioni è più significativo rispetto a molti altri tipi di cancro. Qui mostriamo la fattibilità di fotoacustico (PA) di imaging non ionizzanti e non invasiva di vesciche urinarie, di cui come cistografia fotoacustico (PAC), utilizzando (NIR) assorbenti ottici vicino infrarosso (es. blu di metilene nanostrutture plasmoniche oro, o singoli nanotubi di carbonio a parete ) come tracciante ottico-torbida. Abbiamo ripreso con successo una vescica ratto riempito con gli agenti assorbenti ottiche usando un campo scuro sistema PAC confocale. Dopo l'iniezione transuretrale dei mezzi di contrasto, vesciche del ratto erano photoacoustically visualizzati attraverso il raggiungimento significativo miglioramento del segnale PA. L'accumulo è stato convalidato dal spettroscopiche di imaging PA. Inoltre, utilizzando solo un impulso di energia laserinferiore a 1 mJ / cm ² (1/20 del limite di sicurezza), il nostro sistema di imaging attuale potrebbe mappare il metilene-blue-riempita-rat-vescica alla profondità di oltre 1 cm di tessuti biologici in vivo. Sia in vivo e ex vivo PA risultati di imaging verificare che i mezzi di contrasto sono stati naturalmente escreti attraverso la minzione. Così, non vi è alcuna preoccupazione per accumulo agente tossico a lungo termine, che faciliterà traduzione clinica.

Introduzione

X-ray cistografia ¹ è un processo di imaging per identificare le malattie della vescica-correlate, come il cancro alla vescica, reflusso vescico-ureterale, blocco dei ureteri, vescica neurogena, ecc. ^2-5 In genere, le urine vengono annullati e un agente radiopaco viene iniettato attraverso un catetere. Poi, le immagini a raggi X fluoroscopici sono acquisiti per delineare vesciche urinarie. Tuttavia, la questione chiave della sicurezza è che le radiazioni ionizzanti nocive viene utilizzato in questa procedura. La percentuale di rischio di cancro cumulativo a 75 anni di età a causa di raggi X diagnostici va dallo 0,6 al 1,8%. ⁶ Inoltre, la minaccia cancerogena è significativa in pazienti pediatrici. Uno studio britannico ha dimostrato che tra i 9 grandi organi interni, la dose media annuale di radiazioni da raggi X diagnostica è stata più alta nelle vesciche nei bambini di sesso femminile inferiore a 4 e il secondo più alto nei bambini maschi meno di 4. ⁷ Ciò indica che il rischio di cancro alla vescica è più significativo nei pazienti pediatrici. Although radiologi pediatrici cercano di ridurre il tasso di esposizione alle radiazioni a basso ragionevolmente ottenibile, le radiazioni ionizzanti non può essere completamente esclusa. Pertanto, la limitazione crea la necessità di una radiazione privo modalità completamente, sensibile, conveniente e ad alta risoluzione di immagini con mezzi di contrasto non radioattivi in ​​cystography.

Recentemente, tomografia fotoacustica (PAT) è diventata una modalità di imaging biomedico premier perché PAT può fornire forti contrasti di assorbimento ottico e una risoluzione spaziale elevata ultrasuoni nei tessuti biologici. ⁸ Il principio della PAT è che le onde ultrasoniche sono indotti a causa termoelastica di un bersaglio seguito da assorbimento della luce. Rilevando tempo risolto onde acustiche viaggiano attraverso un mezzo, due o immagini tridimensionali fotoacustica (PA) sono formate. Poiché ultrasuoni (US) è ​​molto meno diffusa nei tessuti rispetto alla luce (tipicamente due o tre ordini di grandezza), laprofondità di imaging del PAT può raggiungere fino a ~ 8 cm di tessuti, mentre la risoluzione spaziale viene mantenuta a 1/200 della profondità di imaging ⁹ I vantaggi principali del PAT per l'applicazione cystographic includono:. (1) PAT è completamente libero da ionizzanti radiazioni. (2) sistemi ClinicalUSimaging possono essere facilmente adattate per fornire dual-modale PA e funzionalità di imaging statunitensi. Così, il sistema dual-modale PA / US imaging possono essere relativamente portatile, conveniente e veloce, che sono i criteri chiave per una rapida traduzione clinica. Utilizzando sia endogeni ed esogeni contrasti, PAT ha fornito ad alta risoluzione morfologica, funzionale e di imaging molecolare dei tessuti per studiare la fisiopatologia del tumore, l'emodinamica cerebrale, gli organi interni, oftalmologia, angiografia, ed ecc. ^10-16

In questo articolo, abbiamo dimostrato i protocolli sperimentali di non ionizzanti cistografia fotoacustico (PAC) che utilizzano (NIR) assorbenti ottici vicino infrarosso (cioè il blu di metilene, andareld nanocages o singoli nanotubi di carbonio a parete) come non tossici traccianti ottici-torbida. Vesciche Rat pieni di agenti di contrasto sono stati photoacoustically e spettroscopiche delineate in vivo. Nessun agente persistentemente accumulati nelle vesciche e reni dei ratti. Così, tossicità a lungo termine che possono essere causati da accumulo agente può essere esclusa. Questo risultato implica che la PAC con combinazione delle assorbitori ottici può potenzialmente essere una modalità cystographic veramente innocuo per i pazienti pediatrici. La configurazione del sistema, l'allineamento del sistema, e in procedure di imaging in vivo / ex vivo sono discussi in questo articolo.

Protocollo

1. Riflessione profonda Modalità Cistografia (PAC) del sistema fotoacustico

1. Configurazione del sistema ^{17, 18}
   1. A Q-switched Nd: YAG (SLII-10; Continuum; 532 nm) Pompe un laser di lunghezza d'onda-sintonizzabile (Surelite OPO PLUS; Continuum; lunghezza d'onda gamma di sintonia: 680 a 2500 nm).
   2. La durata dell'impulso di ogni colpo laser è ~ 5 nsec, e la frequenza di ripetizione del laser è 10 Hz..
   3. La lunghezza d'onda dipende dal picco di assorbimento ottico del mezzo di contrasto utilizzato. Se metilene blu serve come agente di contrasto, una lunghezza d'onda ottica di 667 nm viene utilizzata, dove l'assorbimento di picco è. Nanostrutture oro plasmonic possono avere sintonizzabile localizzato risonanza plasmonica di superficie alla regione spettrale NIR, in base alle loro proprietà fisiche e chimiche. Inoltre, l'ampio spettro di assorbimento di singoli nanotubi di carbonio a parete può fornire una vasta opzione per la selezione di lunghezza d'onda.
   4. Luce che esce dal laser sintonizzabile è consegnato a una lente sferica conica tttraverso prismi ad angolo retto (PS908, Thorlabs).
   5. Un modello di fascio di luce a forma di ciambella viene generata dopo la luce passa attraverso l'obiettivo conica sferica. La lente conica fatta in casa è fatto da una lente BK7 e l'angolo del cono è di 152 °. Il diametro della lente è di 2,5 cm.
   6. Il fascio di luce a forma di ciambella divergente viene reindirizzato tramite un condensatore ottico, costituito da un foglio acrilico trasparente. I diametri delle superfici superiore e inferiore sono 6,1 e 4,8 cm, rispettivamente. Lo spessore del condensatore è di 2,5 cm. Il fascio di luce a forma di anello reindirizzato forma una forma di ciambella con un centro scuro sulla superficie del tessuto.
   7. Utilizzare un piccolo contenitore d'acqua per aumentare accoppiamento acustico. Il serbatoio dell'acqua ha una apertura inferiore avvolto con una pellicola trasparente di polietilene sottile, che è otticamente e acusticamente trasparente. Piccoli animali sono posizionati sotto l'acqua.
   8. Le onde generate PA vengono rilevati da un trasduttore di ultrasuoni focalizzati sferica (V308;Olympus NDT; 5 MHz frequenza centrale), che è montato al centro del condensatore ottico. Il diametro dell'elemento e la lunghezza focale del trasduttore sono 1,9 e 2,5 cm, rispettivamente. Così, il numero f del trasduttore è ~ 1.3.
   9. Le risoluzioni trasversali ed assiali sono 590 e 144 micron, rispettivamente.
   10. Le onde PA rilevati vengono prima amplificati da una banda larga pulsatore / ricevitore (5072PR, Olympus NDT; larghezza di banda di 35 MHz e 59 dB di guadagno RF) ad ultrasuoni, e poi acquisito da un oscilloscopio (TDS5054; Tektronix).
   11. Ottenere immagini tempo-risolte monodimensionali (chiamato come una linea), misurando i tempi di arrivo delle onde PA. Attualmente, la velocità delle onde PA si presume essere a 1.480 m / sec sull'intera acquisizione dell'immagine. Due (chiamato come B-scan) e PA immagini tridimensionali possono essere acquisite spostando meccanicamente la fase di scansione raster lineare (XY6060; Danaher Dover).
   12. Il tempo di imaging è ~ 25 min per un'immagine PA singola lunghezza d'onda con un volumetricocampo di vista (FOV) di 2,5 x 2,4 x 1,5 centimetri ³ nei piani xyz. Abbiamo acquisito 125 campioni lungo la direzione x con un passo di 0,2 mm, 60 campioni lungo la direzione y con un passo di 0,4 mm. 500 punti di dati con una frequenza di campionamento di 50 MHz sono stati ottenuti lungo la direzione z. La scansione meccanica è controllato da un sistema software NI LabVIEW fatto in casa.
   13. I dati volumetrico è rappresentato da proiezione ampiezza massima (MAP) utilizzando un sistema software MathWorks MATLAB.
2. Allineamento del sistema
   1. Dopo la lente conica sferica, verificare che il fascio di luce è una forma perfetta anello. Se il fascio di luce a forma di ciambella non viene generato correttamente, i segnali PA originati dalla superficie della pelle sono dominanti. Così, è difficile ottenere l'imaging dei tessuti profondi.
   2. Il fuoco linea luce a forma in acqua dovrebbe essere coassialmente allineato con la zona focale ultrasuoni. Se quelli non sono allineati coassialmente, il sistema soffre di bassa segnale-rumore.
   3. L'energia dell'impulso laser irradiata sulla superficie della pelle viene variata da ~ 1 - 2 mJ / cm ² quando la lunghezza d'onda è sintonizzato da 680 a 1000 nm, rispettivamente. Queste energie impulsi laser sono molto inferiori al limite di sicurezza National Standards Institute, variando da 20 a 80 mJ / cm ² sopra la regione spettrale, rispettivamente.

2. In vivo e ex vivo Imaging Procedure

1. Preparazione degli animali
   1. Utilizzare ratti femmina Spraque-Dawley del peso di 200 - 250 g in tutti gli esperimenti di imaging PA.
   2. Per cominciare, anestetizzare il ratto mediante iniezione intraperitoneale di una miscela di ketamina (85 mg / kg di peso corporeo) e xilazina (15 mg / kg).
   3. Depilare i peli nella zona addominale.
   4. Posizionare il topo in cima di un titolare di animali su misura.
   5. Cappotto un catetere 22-gauge con lubrificante per migliorare l'inserimento del catetere.
   6. Tenere il catetere vertically sopra l'apertura uretrale. Quindi, inserire l'estremità distale del catetere, orizzontalmente, nell'uretra finché il mozzo del catetere raggiunge finalmente l'apertura.
   7. L'urina nella vescica invalida attraverso il catetere.
2. L'imaging in vivo PAC
   1. Posizionare il ratto, situato sulla parte superiore del contenitore animale, sotto il contenitore acqua nel sistema PAC.
   2. Applicare il gel ultrasuoni (Sonotech) tra la superficie della pelle animale e membrana plastica per migliorare accoppiamento acustico.
   3. Anestetizzare completamente il ratto utilizzando vaporizzato isoflurano (1 L / min di ossigeno e 0,75% isoflurano) durante gli esperimenti di imaging in vivo PA.
   4. Ottenere una immagine di controllo PA prima di iniezione di mezzi di contrasto.
   5. Introdurre una soluzione acquosa di blu di metilene (0,8 ml / g di peso corporeo, con una concentrazione di 30 mM), nanocages oro (1,2 ml / g di peso corporeo, con una concentrazione di 2 nM), o singoli nanotubi di carbonio a parete (0,8 ml / g corpo peso conuna concentrazione di 0,3 mM) alla vescica attraverso il catetere. Utilizzare un 1-ml-siringa con un catetere 22 gauge.
   6. Acquisire una serie di immagini PA.
3. Ex vivo PAC di imaging
   1. Sacrifica il ratto dopo l'imaging in vivo PAC, iniettando una dose eccessiva di pentobarbital.
   2. Rimuovere i due principali organi, le vesciche e reni, per indagare biodistribuzione, e su una lastra di vetro.
   3. Posizionare la lastra di vetro sotto il contenitore acqua nel sistema PAC.
   4. Applicare il gel per ultrasuoni (Sonotech) tra gli organi asportati e la membrana di plastica per migliorare accoppiamento acustico.
   5. Acquisire immagini PA.
   6. Photoacoustically immagine gli organi prelevati da un topo sano come controllo.

Risultati

La figura 1 mostra il vivo non ionizzanti e non invasiva PAC Nel usando otticamente torbida blu di metilene (MB). L'immagine di controllo PA è stata ottenuta a 667 nm, in assorbimento ottico picco per MB (Figura 1A). Sebbene i vasi sanguigni nel FOV sono visualizzati chiaramente, la vescica è invisibile perché è otticamente trasparente a questa lunghezza d'onda. Come mostrato nella Figura 1B, la vescica si rivela chiaramente nell'immagine PA acquisita ...

Discussione

In conclusione, abbiamo dimostrato la possibilità di non ionizzanti PAC utilizzando atossici assorbitori ottici in un modello di ratto in vivo. Abbiamo ripreso con successo una vescica di ratto pieno di assorbenti ottici che utilizza il nostro sistema di PAC non ionizzanti e non invasiva. Due questioni cruciali di sicurezza sono stati risolti nel nostro approccio: (1) l'uso di radiazioni ionizzanti per applicazioni cystographic e (2) nessun accumulo di agenti di contrasto nel corpo.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Laser Nd:YAG Q-switched	Laser a pompa Continuum	SLII-10
Laser OPO	Continuum Surelite	OPO PLUS	laser sintonizzabile
Prismi Thorlabs		PS908	luce erogata
Trasduttore a ultrasuoni	Olympus NDT	V308	5 MHz
Ultraoundpulser/ricevitore	Amplificatore Olympus NDT	5072PR
Oscilloscopio	Tektronix	TDS5054	acquisizione dati
Tavolino di scansione	Danaher Dover	XY6060	scansione raster
Blu di metilene	Agente di contrasto Sigma-Aldrich	M9140-25G
Ratti Harlan		Spague-Dawley	soggetto animale
Vaporizzatore	di isofluoro Euthanex	EZ-155	anestesia
Gel per ultrasuoni	Sonotech	Clear Image giunto	acustico