Cistografia fotoacústica

Resumo

Cystography fotoacústica (PAC) tem um grande potencial para mapear bexigas, um órgão interno sensível radiação em pacientes pediátricos, sem usar nenhum tipo de radiação ionizante ou de agente de contraste tóxico. Aqui vamos demonstrar o uso do PAC para o mapeamento de bexigas com uma injeção de traçadores óptica opacos em ratos In vivo.

Resumo

Cystography pediátrica convencional, que se baseia no diagnóstico de raios X, utilizando um corante radio-opaco, sofre do uso de radiação ionizante prejudicial. O risco de câncer da bexiga em crianças devido à exposição à radiação é mais significativo do que muitos outros tipos de câncer. Aqui demonstramos a viabilidade de imagem fotoacústica não ionizante e não-invasiva (PA) de bexigas, referidos como cystography fotoacústica (PAC), usando absorventes ópticos infravermelho próximo (NIR) (ou seja, o azul de metileno, nanoestruturas de ouro plasmônicos ou nanotubos de carbono de paredes ) como um marcador óptico-turva. Temos fotografada com sucesso uma bexiga de ratos preenchidos com os agentes de absorção óptica, utilizando um sistema de campo escuro confocal PAC. Após a injeção transuretral dos agentes de contraste, bexigas do rato foram photoacoustically visualizado através da realização de aumento do sinal PA significativo. O acúmulo foi validado por imagem PA espectroscópica. Além disso, usando apenas a energia do pulso de laserinferior a 1 mJ / cm ² (1/20 do limite de segurança), o nosso sistema de imagiologia actual pode mapear o metileno-cheia-azul-de rato na bexiga para além da profundidade de 1 cm de tecido biológico in vivo. In vivo e ex vivo de PA imagiologia resultados validam que os agentes de contraste foram naturalmente excretado micção. Assim, não há qualquer preocupação com a acumulação de um agente tóxico a longo prazo, o que irá facilitar a tradução clínica.

Introdução

Raios-X cystography ¹ é um processo de imagem para identificação de doenças da bexiga-relacionados, tais como câncer de bexiga, refluxo vesico-ureteral, obstrução de ureteres, bexiga neurogênica, etc. ^2-5 Normalmente, as urinas são anulados e um agente radio-opaco é injetado através de um cateter. Em seguida, as imagens da fluoroscopia de raios-X são adquiridos para delinear bexigas urinárias. No entanto, o problema chave de segurança é que a radiação ionizante prejudicial é utilizado neste procedimento. A percentagem cumulativa de risco de cancro para 75 anos, devido ao diagnóstico de raios-X varia de 0,6 a 1,8% ^6. Além disso, o risco carcinogénico, é importante em pacientes pediátricos. Um estudo britânico mostrou que entre os nove principais órgãos internos, a dose média de radiação anual de diagnóstico de raios-X foi maior nas bexigas em crianças do sexo feminino com menos de 4 e segundo maior em crianças do sexo masculino com menos de 4. ⁷ Isso indica que o risco de câncer de bexiga é mais significativa em pacientes pediátricos. Although radiologistas pediátricos esforçar-se por reduzir a taxa de exposição à radiação tão baixa quanto razoavelmente possível, a radiação ionizante não pode ser completamente excluída. Portanto, a limitação cria a necessidade de uma radiação-livre, modalidade de imagem completamente sensível, econômica e de alta resolução com agentes de contraste não radioactivos em cystography.

Recentemente, a tomografia fotoacústica (PAT) tornou-se uma importante modalidade de imagem biomédica porque PAT pode proporcionar fortes contrastes de absorção óptica e uma resolução espacial de ultra-som de alta em tecidos biológicos. ⁸ O princípio da PAT é que as ondas ultra-sônicas são induzidas devido à expansão termoelástico de um alvo seguido pela absorção de luz. Através da detecção resolvida no tempo as ondas acústicas que viajam através de um meio, de duas ou três imagens tridimensionais fotoacústica (PA) são formados. Por ecografia (EUA) é muito menos dispersos nos tecidos em comparação com a luz (geralmente duas ou três ordens de grandeza), oa profundidade da imagem de PAT podem atingir até ~ 8 cm de tecidos, enquanto que a resolução espacial é mantida a 1/200 da profundidade da imagem ⁹ As principais vantagens do PAT para a aplicação cystographic incluem: (1). PAT é completamente livre de ionizante radiação. (2) Sistemas ClinicalUSimaging pode ser facilmente adaptado para fornecer dual-modal PA e recursos de imagem dos EUA. Assim, o sistema dual-modal PA / EUA imagem pode ser relativamente portátil, o custo-benefício, e rápido, que são critérios fundamentais para a tradução clínica rápido. Usando endógenos e exógenos contrastes, PAT tem fornecido imagens de alta resolução morfológica, funcional e molecular dos tecidos para estudar a fisiopatologia do tumor, a hemodinâmica do cérebro, órgãos internos, oftalmologia, angiografia, e etc ^10-16.

Neste artigo, demonstramos os protocolos experimentais de cystography fotoacústica não ionizante (PAC) usando absorventes ópticos infravermelho próximo (NIR) (ou seja, o azul de metileno, vánanocages LD, ou nanotubos de carbono de parede), como não tóxicos traçadores óptica turvas. Bexigas de rato preenchidos com os agentes de contraste foram photoacoustically e espectroscopicamente delineado in vivo. Ausência de agentes persistentemente acumulado nos rins e bexiga de ratos. Assim, a toxicidade a longo prazo, o que pode ser causado pela acumulação de agente pode ser excluída. Este resultado implica que o PAC com a combinação dos absorventes ópticos podem ser potencialmente uma modalidade cystographic verdadeiramente inofensiva para os pacientes pediátricos. A configuração do sistema, o alinhamento do sistema, e em procedimentos de imagem in vivo in vivo / ex são discutidos neste artigo.

Protocolo

1. Cistografia Sistema Photoacoustic modo de reflexão profunda (PAC)

1. Configuração do sistema ^{17, 18}
   1. A Q-switched Nd: YAG (SLII-10; Continuum, 532 nm) bombas a laser de comprimento de onda ajustável (Surelite OPO PLUS; Continuum; comprimento de onda faixa de sintonia: 680 a 2.500 nm).
   2. A duração do impulso de cada tiro de laser é ~ 5 ns, e a taxa de repetição do laser é de 10 Hz.
   3. O comprimento de onda de pico depende da absorção óptica do agente de contraste utilizado. Se o azul de metileno serve como o agente de contraste, um comprimento de onda óptica de 667 nm é utilizado, onde a absorção é máxima. Nanoestruturas de ouro plasmônicos pode ter ressonância de plasmon de superfície localizada na região espectral sintonizável NIR, com base nas suas propriedades físicas e químicas. Além disso, o amplo espectro de absorção de nanotubos de carbono de parede pode fornecer uma ampla opção de seleção de comprimento de onda.
   4. Luz que sai do laser sintonizável é entregue a uma lente esférica cônica through prismas de ângulo reto (PS908, Thorlabs).
   5. Um feixe de luz em forma de rosquinha é gerado após a luz passa através da lente cônica esférica. O feito em casa lente cónica é feita a partir de uma lente BK7 e o ângulo do cone é de 152 °. O diâmetro da lente é de 2,5 cm.
   6. A divergência do feixe de luz em forma de rosquinha é redirecionado através de um condensador ótico, feito de uma folha de acrílico transparente. Os diâmetros das superfícies superior e inferior são 6,1 e 4,8 cm, respectivamente. A espessura do condensador é de 2,5 cm. O feixe de luz em forma de anel redireccionada forma uma forma de anel com um centro escuro na superfície do tecido.
   7. Utilize um recipiente de água pequena para aumentar o acoplamento acústico. O reservatório de água tem uma abertura inferior envolvido com um filme de polietileno fino claro que é opticamente e acusticamente transparente. Pequenos animais são colocados no recipiente de água.
   8. As ondas PA gerados são detectados por um transdutor de ultra-som focado esfericamente (V308;Olympus END; 5 MHz de frequência central), o qual está montado no meio do condensador óptico. O diâmetro do elemento e a distância focal do transdutor são de 1,9 e 2,5 cm, respectivamente. Assim, o número f de o transdutor é de ~ 1,3.
   9. As resoluções transversais e axiais são 590 e 144 uM, respectivamente.
   10. As ondas PA detectados são amplificados pela primeira vez por um pulsador / receptor (5072PR; Olympus NDT, 35 MHz de largura de banda e 59 dB ganho de rf) ultra-banda larga, e depois adquirida por um osciloscópio (TDS5054; Tektronix).
   11. Obter imagens time-resolvidos unidimensionais (chamado de A-line) através da medição dos tempos de chegada das ondas PA. Actualmente, a velocidade das ondas de PA é assumido como sendo a 1,480 m / seg durante a aquisição de imagem inteira. Dois (chamado de B-scans) e PA imagens tridimensionais podem ser adquiridos movendo mecanicamente a fase de digitalização de varredura linear (XY6060; Danaher Dover).
   12. O tempo de imagem é de aproximadamente 25 min uma imagem PA único comprimento de onda volumétrica com uma paracampo de visão (FOV) de 2,5 x 2,4 x 1,5 centímetros ³ nos planos xyz. Foram adquiridas amostras de 125 ao longo da direcção da x com um tamanho de passo de 0,2 mm 60 amostras ao longo da direcção Y com um tamanho de passo de 0,4 mm. 500 pontos de dados com uma taxa de amostragem de 50 MHz foram obtidos ao longo da direcção z. A varredura mecânica é controlado por um sistema de software de fabricação caseira NI LabVIEW.
   13. Os dados volumétrico é representado pela projecção máxima amplitude (PAM) através de um sistema de software MathWorks MATLAB.
2. Sistema de alinhamento
   1. Após a lente esférica cônica, certifique-se de que o padrão de feixe é uma forma de anel perfeito. Se o padrão de feixe em forma de anel não é adequadamente gerada, os sinais PA originadas a partir da superfície da pele são dominantes. Assim, é difícil de alcançar imagiologia de tecidos profundos.
   2. O foco de luz em forma de linha na água deve ser alinhado coaxialmente com a zona focal de ultra-som. Se os que não são coaxialmente alinhados, o sistema sofre de baixa relação sinal-ruído.
   3. A energia do pulso do laser irradiado sobre a superfície da pele varia de ~ 1-2 mJ / cm ^2, quando o comprimento de onda é ajustado a partir de 680 a 1000 nm, respectivamente. Estas energias de impulsos de laser são muito mais baixos do que o limite da American National Standards Instituto segurança, variando de 20 a 80 mJ / cm ² sobre a região espectral, respectivamente.

2. In vivo e ex vivo de imagens Procedimentos

1. Preparação de animais
   1. Use ratos Spraque-Dawley fêmeas com um peso de 200-250 g em todos os experimentos com imagens PA.
   2. Para começar, anestesiar os ratos por injecção intraperitoneal de uma mistura de cetamina (85 mg / kg de peso corporal) e xilazina (15 mg / kg).
   3. Depilar os pêlos da região abdominal.
   4. Coloque o rato em cima de um suporte de animais custom-made.
   5. Revestimento com um lubrificante para melhorar a inserção do cateter um cateter de calibre 22.
   6. Segure o cateter vertically sobre a abertura da uretra. Em seguida, inserir a extremidade distal do cateter, horizontalmente, no interior da uretra até que o eixo do cateter finalmente atinge a abertura.
   7. A urina na bexiga, irá anular, através do cateter.
2. In vivo, o PAC imagiologia
   1. Colocar o rato, localizada na parte superior do suporte dos animais, a seguir o recipiente de água do sistema de CAP.
   2. Aplicar gel de ultra-som (Sonotech) entre a superfície da pele dos animais e para melhorar a membrana plástica de acoplamento acústico.
   3. Inteiramente anestesiar o rato utilizando vaporizado isoflurano (1 L / min de oxigénio e 0,75% de isoflurano) durante a imagiologia in vivo, ensaios PA.
   4. Obter uma imagem PA controlo antes da injecção dos agentes de contraste.
   5. Introduzir uma solução aquosa de azul de metileno (0,8 mL / g de peso corporal, com uma concentração de 30 mM), nanocompartimentos ouro (1,2 mL / g de peso corporal, com uma concentração de 2 nM), ou de nanotubos de carbono de parede única (0,8 mL / g de órgão peso comuma concentração de 0,3 mM) à bexiga, através do cateter. Usar uma seringa de 1 ml com um cateter de calibre 22.
   6. Adquirir uma série de imagens PA.
3. Ex vivo PAC imagem
   1. Sacrificar o rato depois in vivo PAC imagem, injetando uma overdose de pentobarbital.
   2. Remover os dois principais órgãos, rins e bexiga, para investigar a biodistribuição, e sobre uma chapa de vidro.
   3. Colocar a placa de vidro inferior do recipiente de água no sistema de CAP.
   4. Aplicar gel de ultra-som (Sonotech) entre os órgãos excisados ​​e membrana plástica para melhorar o acoplamento acústico.
   5. Adquirir imagens PA.
   6. Photoacoustically imagem dos órgãos removidos a partir de um rato como um controlo saudável.

Resultados

A Figura 1 mostra a in vivo não ionizante e não invasivo utilizando PAC opticamente turva azul de metileno (MB). A imagem PA controlo foi obtido a 667 nm, no pico de absorção óptica para MB (Figura 1A). Embora os vasos sanguíneos no FOV são claramente visualizados, a bexiga é invisível, porque é opticamente transparente, neste comprimento de onda. Como mostrado na Figura 1B, a bexiga é claramente revelado na imagem PA adquirido a 0,2 horas após a injecção de MB...

Discussão

Em conclusão, mostrámos a possibilidade de utilizar os amortecedores nonionizing PAC ópticas não tóxicos em um modelo de rato in vivo. Temos fotografada com sucesso uma bexiga de ratos preenchidos com absorventes ópticos usando nosso sistema de PAC não-ionizante e não invasiva. Duas questões críticas de segurança foram resolvidos em nossa abordagem: (1) o uso de radiação não ionizante para aplicações cystographic e (2) não acumulação de agentes de contraste no corpo.

Nosso interesse...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Q-switched Nd:YAG laser	Continuum	SLII-10	bomba laser
OPO laser	Continuum	Surelite OPO PLUS	laser sintonizável
Prismas	Thorlabs	PS908	luz entregar
Transdutor de ultrassom	Olympus NDT	V308	5 MHz
Ultraoundpulser/receptor	Olympus NDT	5072PR	amplificador
Osciloscópio	Tektronix	TDS5054	aquisição de dados
Estágio de varredura	Danaher Dover	XY6060	varredura raster
Azul de metileno	Agente de contraste Sigma-Aldrich	M9140-25G
Ratos	Harlan	Spague-Dawley	sujeito animal
Vaporizador de isoflourano	Euthanex	EZ-155	anestesia
Gel ultrassônico	Sonotech	Clear Image acoplamento	acústico