Obrazowanie chemiczne infekcji związanych z implantami o wysokiej rozdzielczości przestrzennej za pomocą obrazowania chemicznego luminescencji wzbudzonej promieniowaniem rentgenowskim przez tkankę
30 września 2022
Tutaj prezentujemy protokół do optycznego wykrywania informacji chemicznych o wysokiej rozdzielczości wokół wszczepionych urządzeń medycznych z obrazowaniem chemicznym wzbudzonym promieniowaniem rentgenowskim (XELCI). Ta nowatorska technika obrazowania została opracowana w naszym laboratorium, co umożliwia badanie biochemii zakażeń związanych z implantami.
Technika ta pozwoli nam na obrazowanie i mapowanie zmian biochemicznych zakażeń związanych z implantami w kościach i tkankach. Możemy uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości zmian stężeń chemicznych w pobliżu powierzchni implantów. Pozwoli nam to monitorować lokalne środowisko chemiczne w pobliżu infekcji związanych z implantami.
Procedurę hodowli bakterii zademonstruje Erin Levon, doktorantka z Wydziału Nauk Biologicznych. Aby rozpocząć, włącz chłodzenie PMT i wykonaj pozostałe kroki inicjalizacji przed włączeniem PMT. Następnie otwórz oprogramowanie sterujące systemem obrazowania i przesuń osie x stolika i oś y do żądanej pozycji wyjściowej.
Umieść próbkę na ruchomym stoliku xyz i ustaw próbkę na wysokości tak, aby urządzenie luminescencyjne znajdowało się od 5 do 5,5 centymetra poniżej optyki polikapilarnej, podnosząc lub opuszczając źródło promieniowania rentgenowskiego i/lub stolik. Ustaw również próbkę w płaszczyźnie x-y za pomocą poprzeczki laserowej i usuń optykę skupiającą, aby uzyskać zwykły radiogram próbki. Zamocuj blokadę przycisku na przednich drzwiach obudowy obrazu.
Następnie włącz zasilanie źródła promieniowania rentgenowskiego. Następnie otwórz oprogramowanie do kontroli rentgenowskiej. Ustaw moc promieniowania rentgenowskiego i otwórz migawkę rentgenowską za pomocą oprogramowania sterującego promieniowaniem rentgenowskim.
Następnie otwórz oprogramowanie kamery rentgenowskiej i naciśnij przycisk Ekspozycja, aby zrobić zwykłe zdjęcie rentgenowskie. Wyłącz ekspozycję i promieniowanie rentgenowskie, a następnie otwórz drzwi obudowy. Ponownie podłącz optykę polikapilarną do źródła promieniowania rentgenowskiego.
Następnie zamknij obudowę, zabezpiecz blokadę i włącz zasilanie PMT. Następnie otwórz oprogramowanie sterujące systemem obrazowania i określ rozmiar kroku, szybkość skanowania i obszar skanowania. Po ustawieniu wszystkich parametrów rozpocznij skanowanie, naciskając przycisk Uruchom.
Uruchom skanowanie tła przy wyłączonym promieniowaniu rentgenowskim, aby określić ciemne zliczenia na podstawie dowolnego światła obecnego w obudowie innego niż próbka. Po upewnieniu się, że próbka znajduje się we właściwej pozycji za pomocą poprzeczki laserowej, zamknij obudowę i zabezpiecz blokadę. Następnie otwórz oprogramowanie sterujące systemem obrazowania i wprowadź wartości rozmiaru kroku, szybkości skanowania i obszaru skanowania.
Po ustawieniu wszystkich parametrów naciśnij przycisk Uruchom, aby rozpocząć skanowanie i uzyskać skan dla próbki z włączonym promieniowaniem rentgenowskim. Najpierw wykonaj skanowanie w niskiej rozdzielczości z większymi rozmiarami kroków i większą prędkością skanowania, aby uzyskać wstępny obraz celu. Po uzyskaniu skanu o niskiej rozdzielczości żądanego obszaru próbki, uzyskaj skan o wyższej rozdzielczości z mniejszym rozmiarem kroku i niższą prędkością skanowania.
Aby przygotować świeżą kulturę Staphylococcus aureus 1945, użyj jednej kolonii z tryptycznego talerza agarowego sojowego, smugowanego w ciągu jednego tygodnia, aby zaszczepić trzy mililitry sterylnego tryptycznego bulionu sojowego. Następnie delikatnie potrząsaj kulturą bakteryjną w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 16 do 18 godzin, aż do fazy stacjonarnej. Następnie osadzać kulturę z tryptycznego bulionu sojowego przez odwirowanie w temperaturze 4 000 g przez 10 minut w temperaturze pokojowej i dwukrotnie przemyć osad PBS.
Określ ilościowo stężenie bakterii za pomocą gęstości optycznej przy 600 nanometrach, korzystając z zakresu liniowego, który jest zakresem gęstości optycznej, w którym weryfikuje się prawo Beera-Lamberta. Następnie rozcieńczyć próbkę 200 000 komórek na mililitr za pomocą sterylnego PBS. Wysterylizuj tryptyczny agar sojowy przez autoklawowanie, a następnie ostudź przez mieszanie, aż temperatura osiągnie 45 stopni Celsjusza.
Następnie zaszczep bakterie w tryptycznym agarze sojowym. Następnie odpipetuj rozcieńczoną kulturę bakteryjną na powierzchnię wszczepialnego czujnika i 100 mikrolitrów niezaszczepionego agaru sojowego tryptycznego na innym sterylnym implantie jako kontrolę. Dodaj dodatkowe 100 mikrolitrów niezaszczepionego tryptycznego agaru sojowego na wszczepialny czujnik, zanim zostanie on inkubowany w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 48 godzin przed implantacją.
Po zakończeniu skanowania obrazy odpowiednio o długości 620 nanometrów, 700 nanometrach i stosunku zostały wygenerowane w MatLab, a zmiana koloru wskazywała na zmiany pH. Ponieważ zasadowy obszar pH znacznie pochłania emitowane światło niż kwaśny obszar pH, dolny obszar pH pojawia się jako jaśniejszy sygnał przy 620 nanometrach. Emisja scyntylatora przy 700 nanometrach działa jako odniesienie spektralne dla niespójności w filmie scyntylatora, zmian składu tkanek i wszelkich zmian zachodzących w położeniu optyki detekcyjnej ze skanowania na skan
.Próbka musi być prawidłowo umieszczona na stoliku. Zasilanie PMT powinno być wyłączone przed włączeniem światła w pomieszczeniu lub otwarciem obudowy, a skanowanie w niskiej rozdzielczości powinno być wykonane przed obrazowaniem w wysokiej rozdzielczości. Zamiast źródła promieniowania rentgenowskiego możemy użyć źródła ultradźwięków do wykonania ultradźwiękowego obrazowania chemicznego luminescencji w celu monitorowania zmian pH związanych z wszczepionymi urządzeniami medycznymi.
Tak, po optymalizacji systemu byliśmy w stanie wykryć zmiany pH w jamie śródszpikowej kości w porównaniu z powierzchnią kości, co można było wykorzystać do badania zapalenia kości i szpiku.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół wysokorozdzielczego optycznego wykrywania informacji chemicznych wokół wszczepionych urządzeń medycznych przy użyciu obrazowania chemicznego luminescencji wzbudzanej promieniami rentgenowskimi (XELCI). Ta innowacyjna technika umożliwia badanie biochemii związanej z infekcjami towarzyszącymi implantom.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Biologia infekcji
Wprowadzenie
- Zakażenia związane z implantami stanowią poważne wyzwanie w leczeniu medycznym.
- Zrozumienie lokalnego środowiska chemicznego jest kluczowe dla skutecznego monitorowania i interwencji.
- XELCI oferuje nowatorskie podejście do wizualizacji zmian biochemicznych.
- Technika ta może poszerzyć naszą wiedzę na temat biochemii zakażeń wokół implantów.
Cel badania
- Opracowanie metody obrazowania zmian biochemicznych w pobliżu wszczepionych urządzeń medycznych.
- Monitorowanie lokalnego środowiska chemicznego związanego z infekcjami.
- Uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości przedstawiających zmienność stężeń chemicznych.
Zastosowane metody
- Inicjalizacja systemu obrazowania wraz z chłodnicą PMT i oprogramowaniem.
- Mapowanie osi x i osi y do pożądanych pozycji początkowych.
- Obrazowanie i analiza informacji chemicznej wokół implantów.
- Prezentacja procedur hodowli bakteryjnych.
Główne wyniki
- Skuteczne obrazowanie zmian biochemicznych wokół powierzchni implantów.
- Osiągnięto mapowanie stężeń chemicznych o wysokiej rozdzielczości.
- Wgląd w lokalne środowisko chemiczne infekcji związanych z implantami.
- Wykazano wykonalność metody XELCI w przyszłych badaniach.
Wnioski
- XELCI jest obiecującą techniką badania zakażeń związanych z implantami.
- Umożliwia ona monitorowanie zmian biochemicznych w czasie rzeczywistym.
- Metoda ta może przyczynić się do opracowania lepszych strategii leczenia zakażeń wokół implantów medycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Zakażenia związane z implantami stanowią krytyczne wyzwanie w terapiach opartych na urządzeniach medycznych, w których wczesne wykrycie lokalnych zmian biochemicznych jest niezbędne dla podjęcia interwencji i uratowania implantu. Obrazowanie chemiczne metodą luminescencji wzbudzanej promieniami rentgenowskimi (XELCI) umożliwia nieinwazyjne, wysokorozdzielcze mapowanie mikrośrodowisk chemicznych na powierzchniach implantów, co zwiększa pewność prognostyczną w monitorowaniu zakażeń. Możliwość ta wzmacnia ciągłość translacyjną między przedklinicznymi modelami zakażeń a procesami opracowywania urządzeń.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie biochemicznych zmian wywołanych infekcją na styku urządzenia i tkanki.
- Wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez mapowanie lokalnych zmian pH związanych z kolonizacją drobnoustrojów.
- Ułatwia funkcjonalną walidację biomarkerów infekcji in situ.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia platformę do ilościowych, rozdzielczo przestrzennych odczytów chemicznych w modelach przedklinicznych.
- Umożliwia standaryzację analiz w celu wykrywania infekcji na powierzchniach implantów oraz wewnątrz kości.
- Wspiera powtarzalną ocenę powłok urządzeń oraz strategii przeciwdrobnoustrojowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne z modelami istotnymi dla przebiegu choroby, umożliwiając monitorowanie biochemii infekcji in vivo.
- Łączy etap odkrywania z walidacją przedkliniczną dzięki nieinwazyjnemu obrazowaniu chemicznemu.
- Umożliwia dostosowanie postępów w rozwoju kandydatów na urządzenia do poziomu ryzyka w oparciu o profile odpowiedzi infekcyjnej.
Integracja potoku i przepływu pracy
XELCI integruje się z kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając monitorowanie infekcji w oparciu o postawione hipotezy oraz wspierając identyfikację wiodących rozwiązań w zakresie powłok do urządzeń lub interwencji przeciwdrobnoustrojowych.
- Biologia odkrywcza: Mapuje sygnatury biochemiczne infekcji, wyjaśniając szlaki mechanistyczne na styku implantu.
- Przesiewanie: Zapewnia ilościowe, powtarzalne obrazowanie pH do oceny porównawczej modyfikacji urządzeń.
- Analityka: Dostarcza wyniki stosunków spektralnych do rzetelnej analizy statystycznej zmian związanych z infekcją.
- Badania translacyjne: Zachowuje ciągłość między modelami infekcji in vitro a in vivo, wspierając dopasowanie biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy wielokrotnego użytku platformę obrazowania dla różnorodnych badań nad implantami i infekcjami.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w wykrywaniu infekcji i walidacji celu na styku urządzenia i tkanki.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje nieinwazyjne przepływy pracy w obrazowaniu chemicznym w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia wcześniejsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) dla kandydatów na urządzenia na podstawie profili ryzyka infekcji.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację strategii dotyczących urządzeń i środków przeciwdrobnoustrojowych w potokach rozwoju, z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Kwestie wdrożeniowe
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu obrazowania optycznego, aparatury rentgenowskiej oraz analizy widmowej.
- Wymaga specjalistycznego sprzętu, w tym detektorów PMT, źródeł promieniowania rentgenowskiego oraz komór do obrazowania.
- Wymaga standaryzacji przygotowania próbek i parametrów obrazowania pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do różnych typów implantów i modeli zwierzęcych może wymagać optymalizacji protokołu.
- Głębokość obrazowania i heterogeniczność tkanek mogą ograniczać rozdzielczość w niektórych scenariuszach przedklinicznych.
Najczęstsze pytania i odpowiedzi (FAQ) dotyczące biofarmacji
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
