インフラレナル大オルタにおける血液と脂質を画像化する光音響断層撮影

光音響断層撮影法(PAT)は、光音響断層撮影法とも呼ばれ、光で生成された音波を利用して組織から組成情報を取得する新しい生物医学イメージングモダリティです。

光音響断層撮影法(PAT)は、特定の波長の光を使用して、組織の特定の成分を画像化します。これは、脂質ベースの疾患進行のモニタリングなど、さまざまな前臨床および臨床アプリケーションに役立ちます。

現在使用されているイメージング技術は、取得時間、浸透の深さ、有害な造影剤の使用、およびコストの点で本質的に制限されています。一方、PATは、迅速で非侵襲的で造影剤を使用しない技術であり、超音波などの既存のイメージングモダリティと組み合わせると、構造情報と組成情報を同時に提供できます。

このビデオでは、振動PATの基本原理と、マウスの血液および脂質イメージングを設定する方法について説明します。次に、超音波と組み合わせてVPAT画像を解釈する方法を示し、続いてこの手法のいくつかの応用例を紹介します。

まず、このイメージング技術の基本について説明します。

VPATイメージング中、レーザー光源からの単一波長光が関心領域に表示されます。この光は、生体組織内の波長特異的な化学結合によって吸収されます。VPATでは、吸収された光によって分子が振動します。

この振動エネルギーの一部は、非定常加熱に変換されます。この熱の生成により、局所組織の熱弾性拡張が引き起こされ、その結果、超音波の伝播が生成されます。これを光音響効果といいます。超音波トランスデューサによる超音波の検出により、組成特異的な断層撮影画像が得られます。

数学的には、光誘起音波Pは、温度依存のGruneisenパラメータγ、吸収係数mu a、および局所光フルエンスFによって支配されます。したがって、ミリケルビンの温度上昇ごとに、超音波トランスデューサを使用して検出できる800パスカルの圧力波があります。この結合選択的な光の吸収により、ユーザーは光の波長を調整することにより、さまざまな生体成分を標的にすることができます。

例えば、1,100ナノメートルの光は血液を標的にし、1,210ナノメートルの光は脂質を標的にしています。さらに、光は音波伝搬を誘発するために使用されているため、この技術は、造影剤や侵襲的な手順を必要とせずに、他の光学技術よりも深い構造を通常イメージングするために使用できます。

VPATの基本を確認したところで、アポリポタンパク質E欠損マウスの腎下大動脈の血液と脂質を画像化するためのVPATの設定方法と実行方法の例を見てみましょう。

まず、必要な機器(Nd:YAGパルス光パラメトリック発振器レーザー、超音波システム、遅延発生器、および2本のBNCケーブルに接続されたDコネクタ)を入手します。次に、Fire BNCケーブルを遅延発生器のポートAに接続し、Qスイッチを遅延発生器のポートBに接続します。BNCケーブルの端をポートCから接続して、超音波システムの背面でトリガーインします。

ポート A、B、および C の遅延をここにリストされている値に調整します。ポート A と B は特に反転パルスを出力し、ポート C は通常のパルスを出力する必要があります。次に、光ファイバーケーブルをレーザーに合わせ、ファイバーの端を40メガヘルツの超音波トランスデューサーの側面に取り付けます。

それでは、光音響断層撮影のために動物を準備する方法を示しましょう。

まず、ノックダウンチャンバー内で3%イソフルランを使用して、アポリポタンパク質E欠損マウスに麻酔をかけます。動物に麻酔をかけたら、マウスを加熱段階に移し、1〜2%のイソフルランを送達するためのノーズコーンを固定します。角膜の乾燥を防ぐために、動物の目にアイローションを塗布します。マウスの足を加熱ステージに組み込まれた電極にテープで固定し、動物の呼吸と心拍数を監視します。最後に、体温を監視するために直腸プローブを挿入します。

次に、脱毛クリームを塗って動物の腹部全体から毛を取り除きます。超音波トランスデューサーを動物の腹部に置き、腎下大動脈の位置を特定します。左腎静脈と尾動脈への大動脈三分部は、ユーザーがこの領域を見つけるのに役立つ 2 つのランドマークです。

画像の取得を開始するには、Bモードを押してライブBモード画像を表示します。2D Gainノブを使用してゲインを調整し、Focal ZoneノブとFocus Depthノブを使用してフォーカスを調整します。「奥行きオフセット」、「画像の幅」、および「画像の奥行き」ボタンを使用して、画像の幅と奥行きを調整します。

この後、レーザーをオンにします。PAモードを押すと、BモードとPAのライブ画像が表示されます。2D Gainノブを使用してPAゲインを調整し、画面上のPAウィンドウとカラーマップを調整します。1,100ナノメートルの光でレーザーを照射して血液を標的にし、続いて1,210ナノメートルの光で脂質を標的にします。

次に、in vivoで脂質および血液特異的イメージングを行うためのVPATプロトコルの結果を確認してみましょう。

超音波画像診断により、腎下大動脈に関する構造情報を取得することができました。これを使用して、VPAT構成情報をより適切に解釈できます。具体的には、1,100ナノメートルの光は大動脈内の血液を、1,210ナノメートルの光は皮下および大動脈周囲の脂肪蓄積を画像化しました。

これらの画像からわかるように、皮下脂肪は皮膚の形状に従います。ただし、大動脈周囲脂肪は大動脈の輪郭に沿っており、血液信号は大動脈内から発生します。

光音響断層撮影法は、さまざまな前臨床および臨床用途に使用できます。

in vivoでの小動物イメージングは前臨床研究において重要な役割を果たしており、光音響トモグラフィーは近赤外光を使用して電子吸収を検出するため、神経生物学的アプリケーションのための脳深部の特徴の高解像度イメージングが可能になります。ヘモグロビンの酸素化、血管の解剖学、および血流に関する正確なデータが収集されます。この内部脳イメージング情報は、正常および病理学的な脳組織の評価に使用できます。

血管医療では、静脈や動脈を可視化し、その機能を評価することが重要です。光音響断層撮影法は、プラークを脆弱または安定していると特徴付ける組成情報を提供するため、どのプラークが破裂しやすく、心筋梗塞や虚血性脳卒中を誘発するかを予測するのに役立ちます。

JoVEの光音響トモグラフィーの紹介をご覧になりました。これで、このイメージング技術の基本原理を理解し、動物を画像化して結果を解釈できるようになるはずです。ご覧いただきありがとうございます!