Fotoakoestische cystography
11 juni 2013
Fotoakoestische cystography (PAC) heeft een groot potentieel om urineblazen, een straling gevoelige intern orgaan bij pediatrische patiënten, in kaart zonder gebruik van ioniserende straling of giftige contrastmiddel. Hier laten we zien het gebruik van PAC voor het in kaart brengen urineblazen met een injectie van optische-opake tracers bij ratten In vivo.
Het algemene doel van deze procedure is om in vivo niet-ioniserende fotoakoestische cystografie te demonstreren door gebruik te maken van nabij-infrarode optische absorptie met niet-toxische optische turbide tracers. Dit wordt bereikt door eerst het proefdier te anesthetiseren. De tweede stap is om het dier voor te bereiden voor beeldvorming door het haar in de buikregio te verwijderen, de rat op een op maat gemaakte dierenhouder te plaatsen, een katheter in te brengen en echogel aan te brengen op het te beelden gebied.
Vervolgens worden beelden van het abdominale gebied verkregen met een fotoakoestisch cystografie-systeem vóór en na injectie van een optisch absorberend contrastmiddel in de blaas. Uiteindelijk maakt dit proces de beeldvorming van een rattenblaas mogelijk met behulp van een niet-ioniserend en niet-invasief fotoakoestisch cystografie-systeem, waardoor er geen blootstelling aan straling is en er geen langdurige ophoping van zware contrastmiddelen plaatsvindt. Akoestische tomografie is een vooraanstaande biomedische beeldvormingsmodaliteit geworden vanwege het sterke optische absorptiecontrast en de hoge ultrasone ruimtelijke resolutie in biologische weefsels. Het belangrijkste voordeel van fototomografie is dat het volledig vrij is van ioniserende straling, het geïnjecteerde middel zich niet ophoopt in de blaas en dat het snel en kosteneffectief is.
Gebruik voor deze procedure een Q-geswitchte neodymium-gedoteerde yttrium-aluminiumgranaatlaser die frequentieverdubbeliseerd is om licht bij 532 nanometer te genereren. De laseroutput wordt geleid via een optische parametrische oscillator of OPO met een instelbaar golflengtebereik van 680 tot 2.500 nanometer. Begin met het instellen van de pulsduur van de OPO op vijf nanoseconden per laserschot en stel de herhalingssnelheid in op 10 hertz.
Stel vervolgens de optische golflengte in op 667 nanometer voor gebruik met het methylene blue contrastmiddel. Deze golflengte moet mogelijk worden aangepast als er een ander contrastmiddel wordt gebruikt. Leid het licht uit de OPO via een rechtshoekig prisma naar een zelfgemaakte sferische conische lens.
De conische lens is gemaakt van een BK7-lens met een diameter van 2,5 centimeter en een conushoek van 152 graden. Leid vervolgens de divergerende donutvormige lichtbundel door een 2,5 centimeter dikke optimale condensor van transparant acryl. De diameters van het boven- en onderoppervlak zijn respectievelijk 6,1 en 4,8 centimeter.
Zorg ervoor dat het straalprofiel een perfecte ringvorm heeft. Als het donutvormige straalprofiel niet correct wordt gegenereerd, zullen de fotoakoestische signalen die afkomstig zijn van het huidoppervlak dominant zijn. Hierdoor zal het moeilijk zijn om diepe weefselbeeldvorming te bereiken.
Bereid vervolgens een kleine watercontainer voor om de akoestische koppeling tussen het dier en de laser te verbeteren. De onderste opening is omwikkeld met een dunne, transparante polyethyleenfolie, die optisch en akoestisch transparant is. Lijn met een stuk zwarte isolatietape het lijnvormige licht coaxiaal uit met de brandpuntszone van het ultrasone geluid.
Indien deze niet goed zijn uitgelijnd, zal het systeem een lage signaal-ruisverhouding vertonen. Monteer vervolgens de sferisch gefocuste ultrasone transducer om de fotoakoestische golven te detecteren. Hiervoor wordt een V 3 0 8 Olympus NDT immersietransducer gebruikt.
Het verzamelt gegevens op vijf megahertz en heeft respectievelijk een transversale en axiale resolutie van 590 en 144 micrometers. Sluit vervolgens de transducer aan op een breedbandig ultrasone puls- of ontvanger, die de fotoakoestische golven zal versterken, en verbind dit met een oscilloscoop. Zodra het systeem is opgezet, kunnen eendimensionale tijdopgeloste beelden, genaamd ALINE-beelden, worden verkregen door de aankomsttijden van de fotoakoestische golven via de oscilloscoop te meten.
Stuur vervolgens een lineaire rastertafel mechanisch aan met behulp van LabVIEW om tweedimensionale B-scans en driedimensionale fotoakoestische beelden te verkrijgen. Voor het verkrijgen van 3D-beelden duurt de driedimensionale beeldvorming ongeveer 25 minuten per monster voor een veld met een afmeting van 2,5 centimeter bij 2,4 centimeter bij 1,5 centimeter. Stel het LabVIEW-programma in om de tafel aan te sturen.
Verwerven 125 monsters in de X-richting met een stapgrootte van 0,2 millimeter, 60 monsters langs de Y-richting met een stapgrootte van 0,4 millimeter en 500 datapunten met een bemonsteringssnelheid van 50 megahertz langs de Z-richting. Stel vervolgens een MathWorks MATLAB-softwaresysteem in om de ruwe gegevens te verwerven, te converteren en te verwerken tot een reeks transversale bcan-beelden die de volumetrische gegevens representeren. De geregistreerde beelden worden vervolgens weergegeven als 2D maximum amplitude projectiebeelden.
Om ratten voor beeldvorming voor te bereiden, wordt een vrouwelijke Sprague-Dawley rat met een gewicht tussen 200 en 250 gram geanestheseerd door middel van een intraperitonele injectie van een mengsel van ketamine en xylazine. Verwijder vervolgens de haren in een vierkant van vijf centimeter rond het buikgebied met behulp van ontharingscrème. Plaats de rat daarna op een op maat gemaakte dierhouder.
Bereid vervolgens een 22 gauge katheter voor op inbrenging door deze te voorzien van een glijmiddel en voer het distale uiteinde van de katheter horizontaal in de urethra in totdat de hub van de katheter de opening bereikt en er urine via de katheter begint te stromen. Positioneer de rat tot slot op de dierenhouder en onder de watercontainer in het foto-akoestische cystografie-systeem. Om te beginnen met de beeldvorming, wordt de rat volledig geanestheseerd met verdampt isofluraan tijdens de in vivo foto-akoestische beeldvormingsexperimenten.
Breng vervolgens echogel aan tussen het huidoppervlak van het dier en het plastic membraan om de akoestische koppeling te verbeteren. Voer daarna het voorbereide MathWorks Matlab-programma uit om een controle driedimensionaal fotoakoestisch beeld te verkrijgen voorafgaand aan de injectie van contrastmiddelen. Zodra het controlebeeld is verkregen, wordt een spuit van 1 ml gebruikt om een waterige oplossing van methyleenblauw via de katheter in de blaas te brengen na de injectie van methyleenblauw.
Verkrijg een serie in vivo fotoakoestische beelden elke 12 uur tot 48 uur na injectie. Offer daarna de rat daarna op door een overdosis van 150 milligram per kilogram pentobarbital te injecteren. Verwijder vervolgens de blaas en de nier en plaats deze op een glasplaat.
De blaas en nier van een niet-geïnjecteerd dier dienen als controle te worden gebruikt voor ex vivo beeldvorming. Plaats de glasplaat onder de watercontainer in het fotoakoestische cystografie-systeem en breng echogel aan tussen de uitgenomen organen en het plastic membraan om de akoestische koppeling tijdens de beeldvorming te verbeteren. De hier getoonde afbeelding is een tweedimensionale XY-abdominale scan van een rat, gefotografeerd met 667 nanometer laserlicht voorafgaand aan de injectie van methyleenblauw.
Hier zijn de bloedvaten duidelijk zichtbaar omdat bloed licht absorbeert om een fotoakoestisch signaal te genereren, maar de blaas is niet zichtbaar vanwege het ontbreken van een contrastmiddel. Wanneer er 12 uur na injectie van het methyleenblauw-contrastmiddel beelden worden gemaakt, wordt de blaas gemakkelijk zichtbaar met een zeer sterke amplitude over de gehele blaas. Bij herhaalde metingen na 24 en 48 uur is het contrastmiddel het lichaam verlaten en is het niet langer zichtbaar; door de optische golflengte met de optische parametrische oscillator te wijzigen naar 850 nanometers, absorbeert het methyleenblauw-contrastmiddel de energie niet meer en wordt het onzichtbaar.
Hierdoor verdwijnt de blaas effectief, wat dient als een weitere negatieve controle voor het systeem. Diepte-opgeloste beelden verkregen uit het Z-vlak langs de hier getoonde stippellijnen, leveren aanvullende dieptegegevens op langs gebieden van interesse zoals hier getoond, of kunnen worden uitgevoerd voor het gehele beeld om het gebied in drie dimensies te beschrijven. In deze video hebben we de haalbaarheid gedemonstreerd van een niet-ioniserend proces voor blaasbeeldvorming in vivo, genaamd fotoakoestische endoscopie.
Met ons fotoakoestisch beeldvormingssysteem hebben we met succes onze linkerblaas in beeld gebracht, gevuld met een injectie van een optische effecttracer in lood. In de toekomst kan deze techniek mogelijk ook worden toegepast voor het monitoren van urologische problemen, zoals vesicoureterale reflux bij pediatrische patiënten, met een lage stralingsdosis. De draagbaarheid en de lage kosten van deze procedure zijn optimaal voor dit type toepassing.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie demonstreert het gebruik van fotoakoestische cystografie (PAC) voor het in kaart brengen van urinzeblazen bij ratten, waarbij gebruik wordt gemaakt van niet-ioniserende straling en niet-toxische optische tracers. De methode heeft tot doel een veilig beeldvormingsalternatief te bieden voor pediatrische patiënten, waardoor ioniserende straling en toxische contrastmiddelen worden vermeden.
Belangrijkste studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Biomedische Beeldvorming
- Fotoakoestische Technologie
- Niet-invasieve Procedures
Achtergrond
- Fotoakoestische cystografie is een innovatieve beeldvormingstechniek.
- Het is bijzonder gunstig voor stralingsgevoelige populaties, zoals kinderen.
- De methode maakt gebruik van optisch opake tracers voor het in kaart brengen van de blaas.
- Het vermijdt het gebruik van ioniserende straling en toxische agentia.
Doel van de studie
- Om in vivo niet-ioniserende fotoakoestische cystografie aan te tonen.
- Om de effectiviteit van optische absorptie als tracers te beoordelen.
- Om een veilige beeldvormingsmethode voor urineblazen bij ratten te bieden.
Gebruikte methoden
- Anesthesie van het experimentele dier.
- Voorbereiding van de beeldvormingsplaats door het verwijderen van de buikharen.
- Positioneren van de rat en inbrengen van een katheter.
- Aanbrengen van echogel en beeldvorming met een PAC-systeem.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle beeldvorming van de rattenblaas met behulp van PAC.
- Geen blootstelling aan straling of langdurige accumulatie van agentia.
- Hoge ruimtelijke resolutie en een sterk optisch absorptiecontrast zijn bereikt.
- Een snel en kostenefficiënt beeldvormingsproces is gedemonstreerd.
Conclusies
- Fotoakoestische cystografie is een veelbelovende beeldvormingsmethode.
- Het biedt een non-invasief en veilig alternatief voor het in kaart brengen van de blaas.
- De techniek kan gunstig zijn voor pediatrische patiënten.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Fotoakoestische cystografie (PAC) biedt een niet-ioniserend, niet-invasief alternatief voor beeldvorming voor de visualisatie van de urineblaas, waarmee wordt voldaan aan een kritieke onvervulde behoefte in de pediatrische urologie, waar stralingsblootstelling door conventionele cystografie een aanzienlijk carcinogeen risico vormt. Door gebruik te maken van biocompatibele optische tracers zoals methyleenblauw, gouden nanostructuren of koolstofnanobuisjes, maakt PAC diepweefselbeeldvorming mogelijk tot voorbij 1 cm met laserenergiën ver onder de veiligheidsdrempels, wat bijdraagt aan mechanistische risicoreductie in preklinische pijplijnen voor targetvalidatie. Deze benadering vergroot het voorspellende vertrouwen in ziektemodellen door herhaalbare, stralingsvrije longitudinale monitoring van de blaasfysiologie en -pathologie mogelijk te maken.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen met betrekking tot blaasfunctie en pathologie te onderzoeken zonder de storende invloed van ioniserende straling.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door longitudinale, niet-destructieve monitoring van tracer-excretie en blaasdynamiek in vivo.
- Voorspellende waarde: Faciliteert mechanistische risicoreductie door de klaring van contrastmiddelen via natuurlijke urineringsprocessen te valideren, waardoor zorgen over langdurige toxische accumulatie in preklinische modellen worden verminderd.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Klaarheid van de assay: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream workflows door reproduceerbare, kwantitatieve fotoakoestische signaalmetingen vast te stellen die gekoppeld zijn aan de tracerconcentratie en de vullingsstatus van de blaas.
- Reproduceerbaarheid: Maakt standaardisatie van beeldvormingsprotocollen mogelijk via een gecontroleerde golflengte van de laser (bijv. 667 nm voor methyleenblauw), pulsenergie (<1 mJ/cm²) en transducerinstellingen (centrefrequentie van 5 MHz).
- Kwantitatieve output: Genereert meetbare fotoakoestische amplitude- en spectrale gegevens die vergelijkingen mogelijk maken tussen condities, tijdspunten en tracertypes.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziekten: Modelleert vesicoureterale reflux en andere pediatrische urologische aandoeningen door niet-invasieve beeldvorming van de blaas mogelijk te maken over perioden van 48 uur na toediening van de tracer.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug van ontdekking naar preklinische validatie door de excretiekinetiek van de tracer aan te tonen, wat risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling ondersteunt op basis van biocompatibiliteit en klaringprofielen.
- Afstemming op biomarkers: Biedt een platform voor het evalueren van de biodistributie en retentie van de tracer als potentiële translationele biomarkers voor de nier- of blaasfunctie.
Integratie van Pipeline & Workflow
PAC past binnen het continuüm van ontdekking, van vroege targetvalidatie tot preklinische werkzaamheidstesten, in het bijzonder voor urologische targets waarbij de blaasfysiologie een belangrijke readout is, wat een niet-invasieve, longitudinale beoordeling mogelijk maakt zonder cumulatieve stralingsbelasting.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetesten door visualisatie van structurele en functionele veranderingen in de blaas in reactie op farmacologische of genetische interventies mogelijk te maken.
- Screening: Levert reproduceerbare beelden die klaar zijn voor assay-analyse, met een hoge ruimtelijke resolutie (590 µm transversaal, 144 µm axiaal) en een sterk optisch absorptiecontrast voor betrouwbare evaluatie van verbindingen of tracers.
- Analytica: Genereert tijdsopgeloste, diepte-opgeloste en volumetrische gegevens (via B-scans en 3D-reconstructie), wat kwantitatieve vergelijking van blaasvulling, tracer-retentie en klaring-dynamiek mogelijk maakt.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan bij preklinische continuïteit door te valideren dat optische tracers op natuurlijke wijze via urinatie worden uitgescheiden, wat bijdraagt aan veiligheidsprofielen voor IND-onderzoeken.
- Enterprise hergebruik: Vertegenwoordigt een herbruikbaar beeldvormingsplatform dat toepasbaar is in meerdere studies en modelsystemen vanwege het niet-ioniserende karakter, de lage operationele kosten en de compatibiliteit met diverse NIR-absorberende tracers.
Operationele en bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de voorspellende betrouwbaarheid door mechanistische ambiguïteit in studies gericht op de blaas te verminderen middels stralingsvrije, reproduceerbare beeldvorming.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en schaalbaarheid via gedefinieerde laserparameters, transducerspecificaties en beeldvormingsprotocollen.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege detectie van off-target retentie van tracers of blaastoxiciteit mogelijk te maken zonder blootstelling aan ioniserende straling.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering door klaring- en biodistributiegegevens te leveren die beslissingen over verdere ontwikkeling in urologische drug-development-pipelines informeren.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in fotoakoestische beeldvorming, laserveiligheid en chirurgische procedures bij kleine dieren, inclusief catheterisatie en anesthesie.
- Vereist een afstembare laserbron (OPO), een sferisch gefocuste ultrasoontransducer (5 MHz), een gegevensverwervingssysteem (oscilloscoop, LabVIEW) en een MATLAB-gebaseerde verwerkingspijplijn.
- Vraagt om cross-team standaardisatie van beeldparamaters (golflengte, pulsenergie, stapgrootte) en protocollen voor de bereiding van tracers tussen discovery- en preklinische teams.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het wisselen van tracers (bijv. van methyleenblauw naar goudnanostructuren), wat heroptimalisatie van de golflengte en validatie van de akoestische koppeling noodzakelijk maakt.
- Beperkt door de penetratiediepte (>1 cm aangetoond) en de afhankelijkheid van de optische absorptie-eigenschappen van de tracer bij de geselecteerde golflengten.
