Фотоакустическая Цистография
11 июня 2013 г.
Фотоакустическая цистография (PAC) имеет большой потенциал для сопоставления мочевого пузыря, чувствительный к излучению внутренних органов у детей, без использования ионизирующей радиации или токсичных контрастных агентов. Здесь мы показываем, использование PAC для отображения мочевого пузыря с введением оптических индикаторов в непрозрачной крыс В естественных условиях.
Общая цель данной процедуры — продемонстрировать неионизирующую фотоакустическую цистографию in vivo с использованием оптического поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне в качестве нетоксичных оптических мутных трейсеров. Для этого сначала проводят анестезию подопытного животного. На втором этапе животное подготавливают к визуализации: удаляют шерсть в области живота, помещают крысу на специально изготовленный держатель для животных, вводят катетер и наносят ультразвуковой гель на область исследования.
Затем с помощью системы фотоакустической цистографии получают изображения брюшной полости до и после введения в мочевой пузырь вещества с оптическим поглощением. В конечном итоге этот процесс позволяет визуализировать мочевой пузырь крысы с использованием неионизирующей и неинвазивной системы фотоакустической цистографии, которая не вызывает радиационного облучения и не приводит к долгосрочному накоплению тяжелых агентов. Акустическая томография стала ведущим методом биомедицинской визуализации благодаря сильному контрасту оптического поглощения и высокому пространственному разрешению ультразвука в биологических тканях. Ключевыми преимуществами фототомографии являются полное отсутствие ионизирующего излучения, отсутствие накопления введенного агента в мочевом пузыре, а также высокая скорость проведения процедуры и ее экономическая эффективность.
Для данной процедуры используйте лазер на неодим-допированном иттрий-алюминиевом гранате с модуляцией добротности, в котором применено удвоение частоты для генерации света на длине волны 532 нм. Выходное излучение лазера проходит через оптический параметрический осциллятор (OPO) с диапазоном перестройки длины волны от 680 до 2 500 нм. Для начала установите длительность импульса OPO на 5 нс для каждого лазерного выстрела и задайте частоту повторения 10 Гц.
Затем установите рабочую длину волны на 667 nanometers для использования с контрастным веществом метиленовый синий. Эту длину волны может потребоваться изменить при использовании другого контрастного вещества. Направляйте свет, выходящий из OPO, через призму прямого угла на самодельную сферическую коническую линзу.
Коническая линза изготовлена из линзы BK7 диаметром 2,5 сантиметра с конусным углом 152 градуса. Далее перенаправьте расходящийся световой пучок в форме тороида через оптимальный конденсатор толщиной 2,5 сантиметра, изготовленный из прозрачного акрила. Диаметры верхней и нижней поверхностей составляют 6,1 и 4,8 сантиметра соответственно.
Убедитесь, что профиль луча имеет форму идеального кольца. Если профиль луча в форме «пончика» сформирован неправильно, будут доминировать фотоакустические сигналы, исходящие от поверхности кожи. В таком случае добиться визуализации глубоких тканей будет затруднительно.
Затем подготовьте небольшой контейнер с водой для улучшения акустического сопряжения между животным и лазером. Нижнее отверстие оберните прозрачной тонкой полиэтиленовой пленкой, обладающей оптической и акустической прозрачностью. С помощью кусочка черной изоленты соосно совместите линейный световой луч с фокальной зоной ультразвука.
Если данные элементы не будут точно выровнены, система будет иметь низкое отношение сигнал/шум. Далее установите сферически сфокусированный ультразвуковой преобразователь для детектирования фотоакустических волн. Для этой цели используется погружной преобразователь V 3 0 8 Olympus NDT.
Сбор данных осуществляется на частоте 5 МГц с поперечным и осевым разрешениями 590 и 144 мкм соответственно. Затем подключите преобразователь к широкополосному ультразвуковому импульсному приемнику, который усилит фотоакустические волны, и подсоедините его к осциллографу. После настройки системы получите одномерные изображения с временным разрешением, называемые A-сканами (ALINE images), измеряя время прихода фотоакустических волн с помощью осциллографа.
Затем с помощью LabVIEW осуществляется механическое управление линейным растровым столиком для получения двухмерных B-сканов и трехмерных фотоакустических изображений. Трехмерная визуализация области размером 2,5 сантиметра на 2,4 сантиметра на 1,5 сантиметра занимает примерно 25 минут на один образец. Настройте программу LabVIEW для управления столиком.
Соберите 125 выборок по направлению X с шагом 0.2 millimeters, 60 выборок по направлению Y с шагом 0.4 millimeters и 500 точек данных с частотой дискретизации 50 megahertz по направлению Z. Затем настройте программную систему MathWorks MATLAB для сбора, преобразования и обработки необработанных данных в последовательность поперечных bcan-изображений, представляющих объемные данные. Записанные изображения затем отображаются в виде 2D-изображений с максимальной амплитудной проекцией.
Для подготовки крыс к визуализации проведите анестезию самке крысы линии Sprague-Dawley весом от 200 до 250 граммов путем внутрибрюшинного введения смеси кетамина и ксилазина. Затем удалите шерсть на участке размером пять квадратных сантиметров в области живота с помощью средства для депиляции. После этого поместите крысу в специально изготовленный держатель для животных.
Затем подготовьте катетер 22-го калибра для введения, смазав его лубрикантом, и горизонтально введите дистальный конец катетера в уретру до тех пор, пока разъем катетера не достигнет отверстия и моча не начнет выводиться через катетер. В завершение поместите крысу на держатель для животных под контейнер с водой в системе фотоакустической цистографии. Для начала визуализации полностью обнaружьте крысу с помощью испаренного изофлурана во время экспериментов по фотоакустической визуализации in vivo.
Затем нанесите ультразвуковой гель между поверхностью кожи животного и пластиковой мембраной для улучшения акустического сопряжения. Далее запустите подготовленную программу MathWorks MATLAB, чтобы получить контрольное трехмерное фотоакустическое изображение до введения контрастных веществ. После получения контрольного изображения с помощью шприца объемом 1 мл введите водный раствор methylene blue в мочевой пузырь через катетер.
Проводите серию фотоакустических изображений in vivo каждые 12 часов в течение 48 часов после инъекции. Затем умертвите крысу, введя избыточную дозу пентобарбитала в размере 150 mg/kg. После этого извлеките мочевой пузырь и почку и поместите их на стеклянную пластину.
В качестве контроля для визуализации ex vivo следует использовать мочевой пузырь и почку животного, которому не вводили препарат. Поместите стеклянную пластину под контейнер с водой в системе фотоакустической цистографии и нанесите ультразвуковой гель между иссеченными органами и пластиковой мембраной для улучшения акустического сопряжения во время визуализации. Представленное здесь изображение является двумерным XY-сканом брюшной полости крысы, полученным с помощью лазерного излучения с длиной волны 667 nanometer до инъекции метиленового синего.
Здесь кровеносные сосуды отчетливо видны, так как кровь поглощает свет, генерируя фотоакустический сигнал, однако мочевой пузырь не виден из-за отсутствия контрастного вещества. При получении изображений через 12 часов после инъекции контрастного вещества метиленового синего мочевой пузырь становится хорошо заметен с очень высокой амплитудой по всему его объему. При повторных измерениях через 24 и 48 часов контрастное вещество выводится из организма и перестает быть видимым; при изменении оптической длины волны до 850 nanometers с помощью оптического параметрического осциллятора метиленовый синий перестает поглощать энергию и становится невидимым.
Это приводит к фактическому исчезновению мочевого пузыря и служит еще одним отрицательным контролем для системы. Изображения с разрешением по глубине, полученные в плоскости Z вдоль показанных здесь пунктирных линий, предоставляют дополнительные данные о глубине в областях интереса, как показано здесь, или могут быть получены для всего изображения для трехмерного описания области. В данном видео мы продемонстрировали возможность неионизирующего процесса визуализации мочевого пузыря in vivo, называемого фотоакустической микроскопией.
С помощью нашей системы фотоакустической визуализации нам удалось успешно визуализировать левый мочевой пузырь после введения оптического контрастного вещества. В будущем данный метод может быть применен для мониторинга таких урологических проблем, как пузырно-мочеточниковый рефлюкс у педиатрических пациентов, обеспечивая низкую дозу облучения. Портативность и недорогая стоимость этой процедуры делают ее оптимальной для данного типа применения.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании демонстрируется применение фотоакустической цистографии (ФАЦ) для картирования мочевых пузырей крыс с использованием неионизирующего излучения и нетоксичных оптических контрастных веществ. Данный метод призван обеспечить безопасную альтернативу визуализации для педиатрических пациентов, позволяя избежать воздействия ионизирующего излучения и применения токсических контрастных агентов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская визуализация
- Фотоакустические технологии
- Неинвазивные процедуры
Теоретические основы
- Фотоакустическая цистография представляет собой новый метод визуализации.
- Данный метод особенно полезен для групп пациентов, чувствительных к радиационному облучению, например, для детей.
- В методе используются оптически непрозрачные контрастные вещества для картирования мочевого пузыря.
- Он позволяет избежать использования ионизирующего излучения и токсичных агентов.
Цель исследования
- Продемонстрировать неионизирующую фотоакустическую цистографию in vivo.
- Оценить эффективность оптического поглощения в качестве метода отслеживания трассеров.
- Предложить безопасный метод визуализации мочевого пузыря у крыс.
Используемые методы
- Анестезия экспериментального животного.
- Подготовка области визуализации путем удаления волос на брюшной стенке.
- Позиционирование крысы и введение катетера.
- Нанесение ультразвукового геля и визуализация с помощью системы PAC.
Основные результаты
- Успешная визуализация мочевого пузыря крысы с помощью ФАК.
- Отсутствие радиационного облучения и долгосрочного накопления препаратов.
- Достигнуты высокое пространственное разрешение и сильный контраст оптического поглощения.
- Продемонстрирован быстрый и экономически эффективный процесс визуализации.
Выводы
- Фотоакустическая цистография является перспективным методом визуализации.
- Она представляет собой неинвазивную и безопасную альтернативу для картирования мочевого пузыря.
- Данный метод может быть полезен для пациентов детского возраста.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Фотоакустическая цистография (ФАЦ) представляет собой неионизирующую и неинвазивную альтернативу визуализации мочевого пузыря, что отвечает критически важной потребности педиатрической урологии, где радиационное воздействие при традиционной цистографии создает значительный канцерогенный риск. Благодаря использованию биосовместимых оптических трассеров, таких как метиленовый синий, золотые наноструктуры или углеродные нанотрубки, ФАЦ позволяет проводить визуализацию глубоких тканей на глубине более 1 cm при энергиях лазерного излучения значительно ниже порогов безопасности, что способствует снижению рисков при механистической валидации мишеней на доклиническом этапе. Данный подход повышает прогностическую достоверность моделей заболеваний, обеспечивая воспроизводимый, безрадиационный лонгитюдный мониторинг физиологии и патологии мочевого пузыря.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы, связанные с функцией и патологией мочевого пузыря, без влияния ионизирующего излучения.
- Практическая ценность: способствует снижению биологических рисков за счет продольного неразрушающего мониторинга выведения индикатора и динамики мочевого пузыря in vivo.
- Прогностическая ценность: облегчает снижение механистических рисков путем подтверждения клиренса контрастного вещества через естественное мочеиспускание, что уменьшает опасения относительно долгосрочного токсического накопления в доклинических моделях.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: Подготовка валидированных биологических систем для последующих этапов рабочего процесса путем установления воспроизводимых количественных показателей фотоакустического сигнала, связанных с концентрацией трейсера и степенью заполнения мочевого пузыря.
- Воспроизводимость: Обеспечение стандартизации протоколов визуализации за счет контролируемой длины волны лазера (например, 667 nm для метиленового синего), энергии импульса (<1 mJ/cm²) и настроек преобразователя (центральная частота 5 MHz).
- Количественные результаты: Получение измеримых данных о фотоакустической амплитуде и спектральных характеристиках, что позволяет проводить сравнение между различными условиями, временными точками и типами трейсеров.
Трансляционные и доклинические исследования
- Значимость для медицины: Моделирует пузырно-мочеточниковый рефлюкс и другие детские урологические заболевания, обеспечивая неинвазивную визуализацию мочевого пузыря в течение 48 часов после введения трассера.
- Трансляционная преемственность: Обеспечивает переход от этапа открытия к доклинической валидации путем демонстрации кинетики экскреции трассера, что поддерживает принятие взвешенных решений о дальнейшем продвижении препарата на основе профилей биосовместимости и клиренса.
- Соответствие биомаркерам: Предоставляет платформу для оценки биораспределения и задержки трассера в качестве потенциальных трансляционных биомаркеров функции почек или мочевого пузыря.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
PAC вписывается в континуум исследований — от ранней валидации мишени до доклинического тестирования эффективности, особенно для урологических мишеней, где физиология мочевого пузыря является ключевым показателем, что позволяет проводить неинвазивную лонгитюдную оценку без кумулятивного радиационного воздействия.
- Открывающая биология: Поддерживает проверку гипотез, позволяя визуализировать структурные и функциональные изменения мочевого пузыря в ответ на фармакологические или генетические вмешательства.
- Скрининг: Обеспечивает воспроизводимую визуализацию, готовую для анализа, с высоким пространственным разрешением (590 µm в поперечном сечении, 144 µm в осевом) и сильным контрастом оптического поглощения для надежной оценки соединений или трейсеров.
- Аналитика: Генерирует данные с временным, глубинным и объемным разрешением (посредством B-сканирования и 3D-реконструкции), что позволяет проводить количественное сравнение наполнения мочевого пузыря, задержки трейсера и динамики клиренса.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает преемственность с доклиническим этапом, подтверждая, что оптические трейсеры выводятся естественным путем при мочеиспускании, что способствует профилированию безопасности для исследований, необходимых для подачи заявки на новый лекарственный препарат (IND).
- Корпоративное повторное использование: Представляет собой многократно используемую платформу визуализации, применимую в различных исследованиях и модельных системах благодаря отсутствию ионизирующего излучения, низким эксплуатационным расходам и совместимости с различными поглощающими в ближнем ИК-диапазоне трейсерами.
Операционный и корпоративный эффект
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов за счет снижения механистической неопределенности в исследованиях с мишенями в мочевом пузыре благодаря применению безрадиационной воспроизводимой визуализации.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию и масштабируемость за счет четко определенных параметров лазера, характеристик преобразователя и протоколов визуализации.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) за счет возможности раннего выявления задержки трейсера вне целевых зон или токсичности в мочевом пузыре без воздействия ионизирующего излучения.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритезацию с учетом рисков, предоставляя данные о клиренсе и биораспределении, которые служат основанием для принятия решений о продвижении препаратов в рамках программ разработки урологических лекарственных средств.
Рекомендации по реализации
- Требуется опыт в области фотоакустической визуализации, техники лазерной безопасности и проведения хирургических процедур на мелких животных, включая катетеризацию и анестезию.
- Необходим перестраиваемый лазерный источник (OPO), сферически фокусированный ультразвуковой датчик (5 MHz), система сбора данных (осциллограф, LabVIEW) и конвейер обработки данных на базе MATLAB.
- Требуется межкомандная стандартизация параметров визуализации (длина волны, энергия импульса, размер шага) и протоколов приготовления трейсеров между группами поиска и доклинических исследований.
- При смене трейсеров (например, с метиленового синего на золотые наноструктуры) требуются адаптационные меры, что влечет за собой повторную оптимизацию длины волны и проверку акустического сопряжения.
- Метод ограничен глубиной проникновения (продемонстрировано >1 cm) и зависит от свойств оптического поглощения трейсера на выбранных длинах волн.
