Summary
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
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.
Introduction
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.
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Protocol
1. Riflessione profonda Modalità Cistografia (PAC) del sistema fotoacustico
- Configurazione del sistema 17, 18
- 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).
- La durata dell'impulso di ogni colpo laser è ~ 5 nsec, e la frequenza di ripetizione del laser è 10 Hz..
- 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.
- Luce che esce dal laser sintonizzabile è consegnato a una lente sferica conica tttraverso prismi ad angolo retto (PS908, Thorlabs).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Le risoluzioni trasversali ed assiali sono 590 e 144 micron, rispettivamente.
- 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).
- 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).
- 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.
- I dati volumetrico è rappresentato da proiezione ampiezza massima (MAP) utilizzando un sistema software MathWorks MATLAB.
- Allineamento del sistema
- 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.
- 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.
- 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
- Preparazione degli animali
- Utilizzare ratti femmina Spraque-Dawley del peso di 200 - 250 g in tutti gli esperimenti di imaging PA.
- Per cominciare, anestetizzare il ratto mediante iniezione intraperitoneale di una miscela di ketamina (85 mg / kg di peso corporeo) e xilazina (15 mg / kg).
- Depilare i peli nella zona addominale.
- Posizionare il topo in cima di un titolare di animali su misura.
- Cappotto un catetere 22-gauge con lubrificante per migliorare l'inserimento del catetere.
- 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.
- L'urina nella vescica invalida attraverso il catetere.
- L'imaging in vivo PAC
- Posizionare il ratto, situato sulla parte superiore del contenitore animale, sotto il contenitore acqua nel sistema PAC.
- Applicare il gel ultrasuoni (Sonotech) tra la superficie della pelle animale e membrana plastica per migliorare accoppiamento acustico.
- Anestetizzare completamente il ratto utilizzando vaporizzato isoflurano (1 L / min di ossigeno e 0,75% isoflurano) durante gli esperimenti di imaging in vivo PA.
- Ottenere una immagine di controllo PA prima di iniezione di mezzi di contrasto.
- 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.
- Acquisire una serie di immagini PA.
- Ex vivo PAC di imaging
- Sacrifica il ratto dopo l'imaging in vivo PAC, iniettando una dose eccessiva di pentobarbital.
- Rimuovere i due principali organi, le vesciche e reni, per indagare biodistribuzione, e su una lastra di vetro.
- Posizionare la lastra di vetro sotto il contenitore acqua nel sistema PAC.
- Applicare il gel per ultrasuoni (Sonotech) tra gli organi asportati e la membrana di plastica per migliorare accoppiamento acustico.
- Acquisire immagini PA.
- Photoacoustically immagine gli organi prelevati da un topo sano come controllo.
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Representative Results
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 a 0,2 ore post-iniezione di MB. Per confermare l'accumulo di MB nella vescica, abbiamo utilizzato due lunghezze d'onda ottiche (667 e 850 nm) per distinguere tra la vescica riempita con MB dalle strutture circostanti. Come mostrato nella Figura 1C, le ampiezze PA all'interno della vescica non sono visibili perché il coefficiente di assorbimento ottico di MB a 850 nm è quasi 0. Così, questo risultato indica che la vescica è piena di MB. Come risultato, si dimostra che il spettroscopicaImmagine PA in grado di distinguere chiaramente differenti choromophores endogeni ed esogeni. Figure 1D e 1E mostrano le immagini di profondità risolti PA B-scan, scansione lungo la linea tratteggiata nelle figure 1A e 1B, rispettivamente. La superficie superiore della vescica era situato il punto focale del trasduttore ad ultrasuoni sia in vivo ed ex vivo imaging. La posizione della vescica lungo la direzione della profondità è chiaramente identificato, ~ 3,5 millimetri sotto la superficie della pelle. Inoltre, i segnali PA all'interno della vescica misurata a 24 e 48 ore post-iniezione sono quasi identiche al segnale ottenuto alla pre-iniezione. Questo risultato implica che l'agente di contrasto iniettato è stato completamente rimosso dal corpo, e nessun agente accumulato. Pertanto, nessuna tossicità lungo termine agente è atteso nel nostro approccio. Inoltre, la profondità dell'immagine post-iniezione PA (Figura 1B) è codificato utilizzando un colore pseudo in Figura 2. Tegli posizione della vescica è ~ 3,5 millimetri sotto la superficie della pelle, che correla bene con la profondità di immagine a risoluzione PA B-scan (Figura 1E). Le profondità tipiche dei limiti superiore e inferiore di una vescica pediatrica sono ~ 1,4 e 4,3 centimetri, rispettivamente, dalla superficie addominale. Utilizzando solo una energia di impulso laser di meno di 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 biologico tessuti in vivo. 17 Come abbiamo sopra accennato, la profondità di imaging del PAT può raggiungere fino a ~ 8 cm di tessuti con l'aiuto di blu di metilene. 9
Dopo tutto in esperimenti di imaging in vivo, abbiamo asportato due organi principali, della vescica e del rene di indagare biodistribuzione. Come controllo, una vescica e rene sono stati asportati da un topo sano. I segnali di PA misurati all'interno delle vesciche rimossi e reni provenienti da due gruppi di ratti sono quasi identiche, demonstrating che nessun agente accumulata negli organi.
Figura 1. In vivo non ionizzanti e non invasiva PAC utilizzando otticamente opaco blu di metilene (MB). (A) Controllo immagine PA della zona addominale di un topo acquisita al pre-iniezione di MB con una lunghezza d'onda ottica di 667 nm, che mostra solo i vasi sanguigni (BV ). Questa lunghezza d'onda corrisponde con il picco di assorbimento ottico di MB. (B) immagine PA ottenuti a 0,2 ore post-transuretrale-iniezione di MB con una lunghezza d'onda ottica di 667 nm, rivelando sia BV e la vescica (BD) accumulato con MB. (C ) PA immagine ottenuta a 850 nm dopo l'iniezione di MB. Il BD riempito con MB scompare nell'immagine PA perché l'assorbimento ottico di MB è minima a questa lunghezza d'onda.(D) e (E) Profondità-risolto immagini B-scan PA tagliare lungo le linee tratteggiate in (A) e (B), rispettivamente. Ristampato con il permesso di ref 17. Copyright 2011 Optical Society of America.
Figura 2. Profondità con codifica immagine PA di Figura 1B. Il colore rappresenta le informazioni di profondità. BV, vasi sanguigni, BD, vescica, e MB, blu di metilene.
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Discussion
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.
Il nostro interesse clinico comprende il monitoraggio reflusso vescico-ureterale (RVU) nei pazienti pediatrici. Circa il 3% dei bambini negli Stati Uniti sono affetti da infezioni del tratto urinario 19, e circa il 1,5% dei pazienti affetti da RVU. Nella pratica clinica attuale, tutti questi pazienti subiscono direttamente ionizzanti di imaging fluoroscopico radiografia. L'associazione urologica pediatrica RVU pannello linee guida clinico americano consiglia vivamente minimizzando l'uso di radiazioni ionizzanti per il pat pediatricaients 20. nostro obiettivo a lungo termine è quello di monitorare RVU con combinazione di agenti tossici contrasto ottico utilizzando PAC. Così, se vi è VUR in pazienti, ci aspettiamo che l'agente iniettato rifluirà dalla vescica al rene. Rispetto ai raggi x cistografia, PAC ha una profondità di penetrazione limitata. Così, il nostro obiettivo principale per la clinica PAC è per i pazienti pediatrici. Anche se la velocità di imaging del nostro sistema PAC corrente è relativamente lento per scansione meccanica, un sistema ad ultrasuoni clinico in tempo reale può essere facilmente adattato per PAC. 21-27 conseguenza, questo approccio potenzialmente offre mezzi portatili e poco costoso per accedere monitoraggio VUR, il che è un ulteriore vantaggio. Così, siamo fermamente convinti che la fattibilità di traduzione clinica della nostra applicazione è molto alta. Per gli studi futuri, prima di essere testato in ambito clinico, il monitoraggio PA RVU utilizzando assorbitori ottici verrà indagato in un modello suino.
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Disclosures
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati in conformità con la State University di New York a Buffalo Institutional Animal Care e del Comitato Usa.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da una sovvenzione da parte del programma di studi pilota della Università di Buffalo Centro di Ricerca Clinica e Traslazionale e il Consorzio traslazionale Buffalo, una sovvenzione da Roswell Park Alliance Foundation, fondi di avvio presso l'Università di Buffalo, IT Consilience Programma Creativo di MKE e NIPA (C1515-1121-0003) e la NRF concessione di MEST (2012-0009249).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | SLII-10 | pump laser |
| OPO laser | Continuum | Surelite OPO PLUS | tunable laser |
| Prisms | Thorlabs | PS908 | light deliver |
| Ultrasound transducer | Olympus NDT | V308 | 5 MHz |
| Ultraoundpulser/receiver | Olympus NDT | 5072PR | amplifier |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS5054 | data acquisition |
| Scanning stage | Danaher Dover | XY6060 | raster scanning |
| Methylene blue | Sigma-Aldrich | M9140-25G | contrast agent |
| Rats | Harlan | Spague-Dawley | animal subject |
| Isoflourane vaporizer | Euthanex | EZ-155 | anesthesia |
| Ultrasound gel | Sonotech | Clear Image singles | acoustic coupling |
References
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