Wykazujemy tutaj, że nanonaczynka SapC-DOPS znakowane barwnikiem dalekiej czerwieni (CVM) specyficznie gromadzą się w ortotopicznych i spontanicznych guzach mózgu myszy, a także w stawach zapalnych myszy K/BxN. Seryjne obrazy fluorescencyjne/rentgenowskie, pozyskane z ROI umieszczonego nad każdym miejscem choroby podczas pełnych obrotów myszy, zostały poddane analizie krzywej MAROI, co pozwoliło określić optymalny kąt obrazowania z najwyższą intensywnością fluorescencji.
Głównym celem wykorzystania systemu MARS jest określenie optymalnego kąta fluorescencji w celu uzyskania najdokładniejszych pomiarów. Przedstawiono reprezentatywne wyniki trzech eksperymentów z wykorzystaniem myszy z guzami mózgu lub zapaleniem stawów. Przy użyciu SapC-DOPS-CVM oraz systemu MARS (Rysunek 1) wyznaczono najlepszy możliwy kąt obrazowania dla obserwacji guza lub stanu zapalnego wynikającego z zapalenia stawów. Obrazy fluorescencyjne, a następnie obraz rentgenowski, były pozyskiwane co 10° podczas obrotu myszy o 380°. Obrazy fluorescencyjne nałożono na odpowiadające im obrazy rentgenowskie w celu wyświetlenia obrazu i wygenerowania filmu z rotacji.
Wyniki z ortotopowego modelu guza mózgu przedstawiono na Ryc. 2. Obraz fluorescencyjny reprezentatywnej myszy z guzami ortotopowymi (Ortho1) pokazano na Ryc. 2A. Optymalny kąt obrazowania dla tego zwierzęcia wynosi 10°, co jest pozycją, w której intensywność fotonów fluorescencji jest największa (Ryc. 2B). Pomiary wykonano przed wstrzyknięciem SapC-DOPS-CVM (poziom bazowy) oraz 24 h po wstrzyknięciu. Myszy kontrolne (pozbawione guzów) otrzymały analogiczne traktowanie.
Rysunek 3 przedstawia porównywalne dane z genetycznie zmodyfikowanego mysiego modelu guza mózgu. Obrazy fluorescencyjne i pomiary fotonów wykonano przed wstrzyknięciem SapC-DOPS-CVM (poziom bazowy) oraz 24 h (Rysunki 3A i 3B) i 9 dni (Rysunek 3C) po wstrzyknięciu. Wykresy te pokazują, że optymalny kąt obrazowania u zwierzęcia z guzami (Tumor Mut49) wynosi 20° 24 h po wstrzyknięciu, lecz zmienia się na 10° 9 dni po wstrzyknięciu. Sugeruje to, że zmiana sygnału fluorescencyjnego była skorelowana ze zmianami morfologicznymi, co prawdopodobnie odzwierciedla wzrost guza.
Jak pokazano w Tabeli 1, metoda MAROI wyraźnie wykazuje, że sygnał fluorescencyjny maleje dla projekcji przy zwiększaniu kąta obrotu w stosunku do optymalnego kąta obrazowania. W przypadku guzów mózgu uzyskano średni spadek sygnału fluorescencyjnego o 7%, jeśli fizyczna orientacja zwierzęcia była przesunięta o ±10° względem optymalnego kąta obrazowania. Przy ±20° zmierzono średni spadek sygnału fluorescencyjnego o 21%. Zatem stosunkowo niewielkie odchylenia od kąta optymalnego mogą prowadzić do znacznego tłumienia sygnału. Wykorzystanie techniki MAROI do pozycjonowania obrazu pozwoli badaczom na uzyskanie bardziej spójnych i wiarygodnych danych.
Metodę MAROI wykorzystano ostatecznie do oceny ukierunkowania SapC-DOPS-CVM do stawów zapalnych 24 h po wstrzyknięciu SapC-DOPS-CVM. Zwierzę to otrzymało ocenę 3 przy trzech zapalonych stawach. Obrazy fluorescencyjne palca i kostki myszy z zapaleniem stawów przedstawiono na rycinach 4A i 4B. Odpowiadające im pomiary fotonów w odstępach rotacji 10° przedstawiono na wykresach na rycinach 4C i 4D. Optymalne kąty obrazowania wyznaczone dla palca i kostki wyniosły odpowiednio 140° i 120°.
Podsumowując, połączenie systemu MAROI z fluorescencyjnymi nanopęcherzykami SapC-DOPS stanowi nieinwazyjną, dokładną i wysoce czułą strategię obrazowania żywych organizmów, która umożliwia ilościowe badania progresji nowotworów oraz zapalenia stawów u małych zwierząt. Możliwość pozyskania multimodalnego zbioru danych obrazowych w zakresie 360° znacznie usprawnia analizę i interpretację danych w porównaniu z wynikami uzyskiwanymi przy użyciu technik obrazowania jednokątowego.

Tabela 1. Optymalne kąty obrazowania dla każdego modelu mysiego. Przedstawiono różnice pomiędzy kątem maksymalnej fluorescencji fotonów (optymalny kąt FLR) a standardowym kątem anatomicznym (RTG). Wraz ze wzrostem różnicy pomiędzy tymi dwoma kątami, mierzony sygnał zmienia się znacząco. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy obraz.

Rysunek 1. Urządzenie do wielokątowego rotacyjnego obrazowania optycznego (MAROI). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.

Rysunek 2. Sygnał fluorescencji w funkcji kąta obrazowania w ortotopowym modelu guza mózgu u myszy. (A). Obraz szczytowego sygnału fluorescencji przy optymalnym kącie obrazowania wynoszącym 10°. Niebieska ramka wskazuje ROI wykorzystaną do ilościowego oznaczenia emitowanych fotonów. (B). Wykres zależności kąta obrazowania od emisji fotonów. Reprezentatywna mysz z guzem ortotopowym (Ortho1) została przedstawiona na tle uśrednionych wartości fluorescencji z identycznych ROI u trzech myszy bez guza. Pomiary wykonano w punkcie wyjściowym (przed wstrzyknięciem) oraz 24 hr po wstrzyknięciu. Słupki błędu reprezentują odchylenie standardowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.

Rycina 3. Sygnał fluorescencji w zależności od kąta obrazowania w spontanicznym guzie mózgu w genetycznie zmodyfikowanym modelu mysim. (A). Obraz szczytowego sygnału fluorescencji ROI 1 (górne niebieskie pole) przy optymalnym kącie obrazowania 20°. (B) i (C). Wykresy zależności kąta obrazowania od emisji fotonów z ROI 1. Wartości z reprezentatywnej myszy z spontanicznym guzem mózgu (Tumor-Mut 49) przedstawiono w zestawieniu z wartościami uśrednionymi z trzech myszy bez guza. Pomiary wykonano w punkcie wyjściowym (przed wtryskiwaniem) oraz 24 h (B) i 9 dni (C) po wtryskiwaniu. Słupki błędów reprezentują odchylenie standardowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.

Rysunek 4. Sygnał fluorescencyjny w zależności od kąta obrazowania u myszy z zapaleniem stawów palców i stawów skokowych. (A) oraz (B). Obrazy przedstawiające szczytowy sygnał fluorescencyjny dla palców (A) i stawów skokowych (B), w obrębie ROI wskazanych w czerwonej ramce. (C). Wykres zależności kąta od średniej emisji fotonów dla palca. Szczytowa emisja fotonów widoczna jest pod kątem 140°. (D). Wykres zależności kąta od średniej emisji fotonów dla stawu skokowego; maksymalna intensywność występuje pod kątem 120°. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony obraz.