Tomografia fotoacústica para imageamento de sangue e lipídios na aorta infrarrenal

A tomografia fotoacústica, PAT, às vezes chamada de tomografia optoacústica, é uma modalidade emergente de imagem biomédica que utiliza ondas acústicas geradas por luz para obter informações de composição de um tecido.

A tomografia fotoacústica, ou PAT, usa comprimentos de onda específicos de luz para obter imagens de componentes específicos do tecido. Isso é útil para uma ampla variedade de aplicações pré-clínicas e clínicas, como monitorar a progressão da doença baseada em lipídios.

As técnicas de imagem usadas atualmente são inerentemente limitadas em termos de tempos de aquisição, profundidade de penetração, uso de agentes contrastantes nocivos e custos. O PAT, por outro lado, é uma técnica rápida, não invasiva e livre de agentes de contraste, que, quando combinada com modalidades de imagem existentes, como ultrassom, pode fornecer informações estruturais e composicionais simultaneamente.

Este vídeo ilustrará os princípios básicos do PAT vibracional e a metodologia para configurar imagens de sangue e lipídios em camundongos. A seguir, demonstraremos como interpretar imagens VPAT em conjunto com ultrassom, seguido de algumas aplicações da técnica.

Vamos começar discutindo os fundamentos dessa técnica de imagem.

Durante a imagem VPAT, a luz de comprimento de onda único de uma fonte de laser é mostrada na região de interesse. Essa luz é então absorvida por uma ligação química específica do comprimento de onda no tecido biológico. No VPAT, a luz absorvida faz com que a molécula vibre.

Parte dessa energia vibracional é então convertida em aquecimento transitório. Essa produção de calor causa uma expansão termoelástica do tecido local e, como resultado, produz a propagação de ondas ultrassônicas. Isso é chamado de efeito fotoacústico. A detecção da onda ultrassônica por um transdutor de ultrassom produz uma imagem tomográfica específica da composição.

Matematicamente, a onda acústica induzida pela luz P naught é governada pelo parâmetro de Gruneisen dependente da temperatura gama, coeficiente de absorção mu a e fluência óptica local F. Assim, para cada aumento de temperatura em milikelvin, há uma onda de pressão de 800 pascal que pode ser detectada usando um transdutor de ultrassom. Essa absorção seletiva de ligação da luz permite que os usuários atinjam vários componentes biológicos, ajustando o comprimento de onda da luz.

Por exemplo, a luz de 1.100 nanômetros é usada para atingir o sangue e a luz de 1.210 nanômetros é usada para atingir os lipídios. Além disso, como a luz está sendo usada para induzir a propagação de ondas acústicas, essa técnica pode ser usada para obter imagens de estruturas mais profundas do que outras técnicas ópticas sem a necessidade de agentes de contraste ou procedimentos invasivos.

Tendo revisado os fundamentos do VPAT, vamos agora ver um exemplo de como configurar e realizar o VPAT para obter imagens de sangue e lipídios na aorta infrarrenal de camundongos com deficiência de apolipoproteína E.

Primeiro, obtenha o equipamento necessário: um laser oscilador paramétrico óptico pulsado Nd:YAG, um sistema de ultrassom, um gerador de atraso e um conector D conectado a dois cabos BNC. Em seguida, conecte o cabo Fire BNC à porta A do gerador de atraso e o Q-switch à porta B do gerador de atraso. Conecte a extremidade do cabo BNC da porta C para acionar na parte traseira do sistema de ultrassom.

Ajuste o atraso das portas A, B e C para os valores listados aqui. As portas A e B devem emitir especificamente pulsos invertidos e a porta C deve emitir pulsos normais. Em seguida, alinhe o cabo de fibra óptica com o laser e conecte as extremidades da fibra nas laterais do transdutor de ultrassom de 40 megahertz.

Agora, vamos demonstrar como preparar um animal para a tomografia fotoacústica.

Primeiro, anestesiar um camundongo deficiente em apolipoproteína E usando isoflurano a 3% em uma câmara de knockdown. Assim que o animal estiver anestesiado, mova o mouse para o estágio aquecido e prenda um cone de nariz para fornecer um a 2% de isoflurano. Aplique lubrificante ocular nos olhos do animal para evitar a dessecação da córnea. Prenda as patas do rato em eletrodos embutidos no estágio aquecido para monitorar a respiração e a frequência cardíaca do animal. Por fim, insira uma sonda retal para monitorar a temperatura corporal.

Em seguida, remova os pelos de todo o abdômen do animal aplicando creme depilatório. Coloque o transdutor de ultrassom no abdômen do animal e localize a aorta infrarrenal. A veia renal esquerda e a trifurcação aórtica na artéria caudal são dois pontos de referência que ajudarão o usuário a localizar essa área.

Para começar a adquirir imagens, pressione o Modo B para ver uma imagem ao vivo do Modo B. Ajuste o ganho usando o botão de ganho 2D e o foco usando os botões de zona focal e profundidade de foco. Ajuste a largura e a profundidade da imagem usando os botões Deslocamento de profundidade, Largura da imagem e Profundidade da imagem.

Depois disso, ligue o laser. Pressione o modo PA para ver o modo B ao vivo e as imagens PA. Ajuste o ganho de PA usando o botão de ganho 2D e ajuste a janela de PA e o mapa de cores na tela. Execute o laser a uma luz de 1.100 nanômetros para atingir o sangue, seguido por uma luz de 1.210 nanômetros para atingir os lipídios.

Vamos agora revisar os resultados do protocolo VPAT para realizar imagens específicas de lipídios e sangue in vivo.

A ultrassonografia permitiu a obtenção de informações estruturais sobre a aorta infrarrenal. Isso pode ser usado para interpretar melhor as informações de composição do VPAT. Especificamente, a luz de 1.100 nanômetros fotografou o sangue dentro da aorta, enquanto a luz de 1.210 nanômetros imaginou o acúmulo de gordura subcutânea e periaórtica.

Como pode ser visto nessas imagens, a gordura subcutânea segue a geometria da pele. No entanto, a gordura periaórtica segue o contorno da aorta e o sinal sanguíneo se origina de dentro da aorta.

A tomografia fotoacústica pode ser usada para uma ampla variedade de aplicações pré-clínicas e clínicas.

A imagem in vivo de pequenos animais desempenha um papel importante em estudos pré-clínicos, e a tomografia fotoacústica usa luz infravermelha próxima para detectar a absorção eletrônica, permitindo a imagem de alta resolução de características cerebrais profundas para aplicações neurobiológicas. Dados precisos são coletados sobre oxigenação da hemoglobina, anatomia vascular e fluxo sanguíneo. Essas informações internas de imagens cerebrais podem ser usadas para avaliar o tecido cerebral normal e patológico.

Na medicina vascular, é importante visualizar veias e artérias e avaliar sua funcionalidade. A tomografia fotoacústica fornece informações de composição que caracterizam as placas como vulneráveis ou estáveis, ajudando a prever quais são propensas à ruptura e podem induzir infarto do miocárdio ou acidente vascular cerebral isquêmico.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à tomografia fotoacústica. Agora você deve entender os princípios básicos dessa técnica de imagem e ser capaz de obter imagens de um animal e interpretar os resultados. Obrigado por assistir!