X線励起発光によるインプラント関連感染症の高空間分解能化学イメージング 組織イメージング
2022年9月30日
ここでは、X線励起発光化学イメージング(XELCI)を用いて、移植された医療機器周辺の化学情報を高解像度で光学的に検出するためのプロトコルを紹介します。この新しいイメージング技術は、インプラント関連感染症の生化学の研究を可能にする私たちの研究室で開発されています。
この技術により、骨や組織を介したインプラント関連感染症の生化学的変化を画像化し、マッピングすることができます。インプラント表面近傍の化学物質濃度の変化を高解像度で画像化することができます。これにより、インプラント関連感染症の近くの局所的な化学環境を監視することができます。
細菌培養手順を実演するのは、生物科学科の大学院生であるエリン・レヴォンです。まず、PMT クーラーをオンにし、残りの初期化手順を実行してから PMT をオンにします。次に、イメージングシステム制御ソフトウェアを開き、ステージのx軸とy軸を目的の開始位置に移動します。
サンプルを可動xyzステージに置き、X線源および/またはステージを上下させることにより、ラジオ発光デバイスがポリキャピラリーフォーカス光学系から5〜5.5センチメートル下になるようにサンプルの高さを配置します。また、レーザークロスヘッドを使用して標本をx-y平面に配置し、サンプルのプレーンX線写真を取得するための集束光学系を取り外します。押しボタン式インターロックをイメージングエンクロージャの前面ドアに固定します。
次に、X線源の電源を入れます。次に、X線制御ソフトウェアを開きます。X線出力を設定し、X線制御ソフトウェアでX線シャッターを開きます。
次に、X線カメラのソフトウェアを開き、露出ボタンを押してプレーンX線写真を撮ります。露出とX線をオフにしてから、エンクロージャのドアを開きます。ポリキャピラリー光学系をX線源に再度接続します。
次に、エンクロージャーを閉じ、インターロックを固定して、PMT 電源装置をオンにします。次に、イメージングシステム制御ソフトウェアを開き、ステップサイズ、スキャン速度、およびスキャン領域を指定します。すべてのパラメータを設定したら、[実行]ボタンを押してスキャンを開始します。
X線をオフにしてバックグラウンドスキャンを実行し、サンプル以外のエンクロージャーに存在する光からの暗色カウントを決定します。サンプルがレーザークロスヘッドで正しい位置にあることを確認したら、エンクロージャを閉じてインターロックを固定します。次に、イメージングシステム制御ソフトウェアを開き、ステップサイズ、スキャン速度、およびスキャン領域の値を入力します。
すべてのパラメータを設定したら、[実行]ボタンを押してスキャンを開始し、X線をオンにしてサンプルのスキャンを取得します。まず、より大きなステップサイズとより高いスキャン速度で低解像度スキャンを実行して、ターゲットの予備画像を取得します。サンプルの目的の領域の低分解能スキャンを取得した後、より小さなステップサイズとより低いスキャン速度で高解像度スキャンを取得します。
黄色ブドウ球菌1945の新鮮な培養物を調製するには、トリプシン大豆寒天プレートからの1つのコロニーを使用し、1週間以内にストリークして、3ミリリットルの滅菌トリプシン大豆ブロスを接種します。次に、細菌培養物を摂氏37度で16〜18時間、固定期になるまで穏やかに振とうします。次に、トリプシン大豆ブロスから培養物を室温で10分間4, 000gの遠心分離によってペレット化し、ペレットをPBSで2回洗浄する。
ランベルトベールの法則が検証される光学密度範囲である線形範囲を使用して、600ナノメートルの光学密度を使用して細菌濃度を定量します。次に、滅菌PBSを使用してサンプルをミリリットルあたり200, 000細胞に希釈します。トリプシン大豆寒天をオートクレーブ滅菌し、温度が摂氏45度に達するまで混合して冷却します。
次に、菌をトリプシン大豆寒天培地に接種します。次に、希釈した細菌培養物を植込み型センサーの表面にピペットで移し、対照として別の滅菌インプラント上に100マイクロリットルの未接種トリプシン大豆寒天培地を移します。植込み型センサーの上に100マイクロリットルの未接種トリプシン大豆寒天を追加し、移植前に摂氏37度で48時間インキュベートします。
スキャン完了後、MatLabでそれぞれ620ナノメートル、700ナノメートル、比率の画像が生成され、色の変化はpHの変化を示していました。塩基性pH領域は酸性pH領域よりも放出された光を有意に吸収するため、低pH領域は620ナノメートルでより明るい信号として現れる。700ナノメートルでのシンチレータ発光は、シンチレータ膜の不整合、組織組成の変化、およびスキャンごとに検出光学系の位置で発生する変化のスペクトル基準として機能します。
サンプルはステージ上に正しく配置する必要があります。PMT電源は、室内の照明をオンにしたりエンクロージャを開いたりする前にオフにし、高解像度のイメージングの前に低解像度のスキャンを実行する必要があります。X線源の代わりに、超音波光源を使用して超音波発光化学イメージングを実行し、埋め込まれた医療機器に関連するpH変化をモニタリングすることができます。
はい、システムの最適化後、骨髄炎の研究に使用できる骨表面と比較して、骨の髄内腔のpH変動を検出することができました。
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概要
本記事では、X線励起ルミネッセンス化学イメージング（XELCI）を用いて、埋込型医療デバイス周囲の化学情報を高解像度で光学的に検出するプロトコルを紹介します。この革新的な手法により、インプラント関連感染症に伴う生化学的解析が可能になります。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 生体医工学
- 感染生物学
背景
- インプラントに関連する感染症は、医学的治療において大きな課題となっています。
- 効果的なモニタリングと介入には、局所的な化学的環境を理解することが不可欠です。
- XELCIは、生化学的変化を可視化するための新たなアプローチを提供します。
- この手法により、インプラント周囲の感染生化学に関する理解を深めることができます。
研究の目的
- インプラントされた医療デバイス近傍の生化学的変化をイメージングする手法を開発すること。
- 感染に伴う局所的な化学環境をモニタリングすること。
- 化学物質の濃度変動の高解像度画像を提供すること。
使用した手法
- PMTクーラーおよびソフトウェアを用いたイメージングシステムの初期化。
- x軸およびy軸を希望の開始位置にマッピング。
- インプラント周囲の化学情報のイメージングおよび分析。
- 細菌培養手順の実演。
主な結果
- インプラント表面周辺における生化学的変化のイメージングに成功した。
- 化学物質濃度の高解像度マッピングを実現した。
- インプラント関連感染症の局所的な化学環境に関する知見を得た。
- 今後の研究におけるXELCIの実現可能性を実証した。
結論
- XELCIは、インプラント関連感染症の研究において有望な手法です。
- この手法により、生化学的変化をリアルタイムでモニタリングすることが可能です。
- 本手法は、医療用インプラント周囲の感染管理に向けた戦略の改善につながる可能性があります。
よくある質問
業界における実用性
インプラント関連感染症は、デバイスを用いた治療における重大な課題となっており、介入およびデバイスの救済には局所的な生化学的変化の早期検出が不可欠です。X線励起ルミネッセンス化学イメージング（XELCI）は、インプラント表面における化学的微小環境の非侵襲的かつ高解像度なマッピングを可能にし、感染モニタリングにおける予測的な信頼性を向上させます。この機能により、前臨床感染モデルからデバイス開発パイプラインに至るトランスレーショナルな連続性が強化されます。
バイオ医薬品R&Dにおける戦略的応用
初期発見およびターゲット検証
- デバイスと組織の界面における、感染に伴う生化学的変化の解析を可能にします。
- 微生物の定着に関連する局所的なpH変動をマッピングすることで、メカニズム的なリスク低減をサポートします。
- 感染バイオマーカーのin situでの機能的検証を促進します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 前臨床モデルにおいて、定量的な空間分解化学的読み取りのためのプラットフォームを提供します。
- インプラント表面および骨内における感染検出のアッセイ標準化を可能にします。
- デバイスコーティングおよび抗菌戦略の再現性のある評価をサポートします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 感染症の生化学的なモニタリングをin vivoで可能にすることで、疾患関連モデルとの整合性を確保します。
- 非侵襲的な化学イメージングにより、基礎研究と前臨床検証を橋渡しします。
- 感染応答プロファイルに基づき、リスクを調整したデバイス候補の推進を導きます。
パイプラインおよびワークフローの統合
XELCIは、仮説に基づいた感染モニタリングを可能にし、デバイスコーティングや抗菌介入のためのリード同定を支援することで、発見から前臨床に至る連続的なプロセスに統合されます。
- 発見生物学： 感染の生化学的シグネチャーをマッピングし、インプラント界面におけるメカニズム経路を明らかにします。
- スクリーニング： デバイス改変の比較評価に向けた、定量的で再現性のあるpHイメージングを提供します。
- 分析： 感染に伴う変化を強固な統計解析にかけるための、スペクトル比出力を提供します。
- トランスレーショナルリサーチ： in vitroからin vivoの感染モデルへの連続性を維持し、バイオマーカーの整合性を支援します。
- 企業での再利用： 多様なインプラントおよび感染研究に活用可能な、再利用可能なイメージングプラットフォームを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：デバイスと組織の界面における感染検出およびターゲット検証の予測信頼性を向上させます。
- 運用の価値：再現性と拡張性を確保するため、非侵襲的な化学イメージングのワークフローを標準化します。
- 戦略的価値：感染リスクプロファイルに基づき、デバイス候補の採用または不採用（go/no-go）の判断をより早期に行うことを可能にします。
- ポートフォリオへの影響：開発パイプラインにおけるデバイスおよび抗菌戦略のリスク調整済み優先順位付けを支援します。
実施上の検討事項
- 光学イメージング、X線計装、およびスペクトル解析の専門知識が必要です。
- PMT検出器、X線源、およびイメージング用エンクロージャを含む専用のハードウェアが必要です。
- サンプル調製およびイメージングパラメータのチーム間での標準化が必要です。
- インプラントの種類や動物モデルに合わせて、プロトコルの最適化が必要になる場合があります。
- 一部の前臨床シナリオにおいて、イメージング深度や組織の不均一性が解像度を制限する可能性があります。
バイオファーマFAQ
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
