Summary
광 음향 cystography (PAC)는 어떤 전리 방사선이나 독성 조영제를 사용하지 않고 요도 방광, 소아 환자에서 방사선에 민감한 내부 장기를 매핑 할 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에서 우리는 쥐 광학 불투명 추적자의 주입 요도 방광을 매핑 PAC의 사용을 보여줍니다
Abstract
라디오 불투명 한 염료를 사용하여 진단 X-레이를 기반으로 기존의 소아 cystography는 유해 전리 방사선의 사용 겪고있다. 방사선 노출로 인한 어린이 방광 암의 위험이 많은 다른 암보다 더 중요하다. 여기에서 우리는 근적외선 (NIR) 광 흡수제 (예 : 메틸렌 블루, 플라즈몬 금 나노, 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브를 사용하여, 광 음향 cystography (PAC)로 불리는 요도 방광의 nonionizing 및 비침 투 광 음향 (PA) 영상의 가능성을 보여 ) 광 혼탁 추적 등. 우리는 성공적으로 암시 야 공 촛점 PAC 시스템을 사용하여 광 흡수 에이전트가 가득 쥐의 방광을 몇 군데있다. 조영제의 요도 주입 한 후 쥐의 방광 상당한 PA 신호 향상을 달성하여 photoacoustically 시각이었다. 축적 분광 PA 영상에 의해 확인되었다. 또한, 단 레이저 펄스 에너지를 사용하여이하 엠제이 / cm 2 (안전 한계의 1 / 20), 우리의 현재 이미징 시스템의 깊이에 메틸렌 블루 - 채워진 쥐 방광을 매핑 할 수 생체 내에서 생체 조직에 1cm 이상. 생체 내 및 생체 PA 이미징 결과에 모두 대비 에이전트가 자연적으로 소변을 통해 배설 된 것을 확인합니다. 따라서, 임상 변환을 용이하게 장기 독성 에이전트 축적에 대한 염려가 없습니다.
Introduction
X-선 cystography 1은 방광암, 방광 요관 역류, 요관의 폐색, 신경 인성 방광 등으로 방광과 관련된 질병을 식별하는 이미징 프로세스입니다. 2-5은 일반적으로 소변이 무효화되고 라디오 불투명 에이전트를 통해 주입 카테터. 그런 다음, 투시 X-선 이미지는 요도 방광을 묘사하는 인수입니다. 그러나, 중요한 안전 문제는 유해한 방사선이 절차에서 사용되는 것입니다. 또한 0.6에서 1.8 %로 진단 X-선 범위에 칠십오년 때문에 나이. 6 누적 암 위험의 비율은 발암 위협은 소아 환자에서 중요하다. 영국의 연구는 9 주요 내부 장기들, X-선 진단의 평균 연간 방사선 량은 남자 아이 4보다 가장 높은 두 번째로 적은 4보다 여자 아이의 방광에서 가장 높은 것을 보여 주었다. 7이 그 방광암 위험을 나타냅니다 소아 환자에서 가장 중요한 것입니다. 고도무릎 소아 방사선은 합리적으로 달성 가능한, 전리 방사선이 완전히 배제 할 수 없기 때문에 낮은 방사선 노출 비율을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 따라서 제한이 cystography에서 방사성 조영제와 완전히 방사선 무료, 민감한 비용 효과, 고해상도 영상 기법에 대한 필요성을 만듭니다.
PAT 강한 광 흡수 대조 및 생물 학적 조직의 높은 초음파 공간 해상도를 제공 할 수 있기 때문에 최근 광 음향 단층 촬영 (PAT)는 최고의 바이오 메디컬 이미징 양상이되었다. PAT의 8 원칙은 초음파 인해 대상의 열 탄성 확장을 유도하는 빛의 흡수에 의해 따랐다. 감지하여 매체 두 개 또는 3 차원 광 음향 (PA) 이미지를 통해 여행 음파를 시간에 해결이 형성된다. 초음파 (미국) 라이트 (보통 크기의 두 개 또는 세 개의 주문)에 비해 훨씬 적은 흩어져 조직에 있기 때문에공간 해상도는 영상의 깊이 1 / 200로 유지되는 동안 PAT의 이미징 깊이, 조직에서 ~ 8cm까지 도달 할 수 cystographic 응용 프로그램에 대한 PAT의 9 키의 장점은 다음과 같습니다. (1) PAT는 이온화 완전히 무료 방사선. (2) ClinicalUSimaging 시스템은 쉽게 이중 모달 PA, 미국 이미징 기능을 제공하기 위해 적용 할 수 있습니다. 따라서, 이중 모달 PA / 미국 이미징 시스템은 빠른 임상 번역을위한 주요 기준이되는, 상대적으로, 휴대용 비용 효과적이고 빠르게 할 수 있습니다. 내인성 및 외인성 대비 모두 사용, PAT 종양 physiopathology, 뇌 혈류 역학, 내부 장기, 안과, 혈관 조영술, 등을 연구하는 조직의 고해상도, 형태 기능 및 분자 이미징을 제공하고 있습니다. 10-16
이 문서에서는, 우리는 근적외선 (NIR) 광 흡수제 (예 : 메틸렌 블루, 이동 사용 nonionizing 광 음향 cystography의 실험 프로토콜 (PAC)를 보여줍니다독성 광학 혼탁 추적기 등 LD의 nanocages는, 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브). 조영제 가득 쥐의 방광은 photoacoustically 및 분광 생체 내에서 묘사되었다. 어떤 에이전트는 지속적으로 쥐의 방광 및 신장에 축적합니다. 따라서, 에이전트 축적으로 인해 발생할 수 있습니다 장기 독성은 제외 할 수 있습니다. 이 결과는 광 흡수의 조합으로 PAC는 잠재적으로 소아 환자에 대한 진정한 무해한 cystographic 양상 수 있다는 것을 의미한다. 시스템 구성은 시스템의 정렬은 생체 / 생체 이미징 절차에서이 문서에 설명되어 있습니다.
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Protocol
1. 깊은 반사 모드 광 음향 Cystography (PAC) 시스템
- 시스템 구성 17, 18
- Q-스위치 노스 다코타 : YAG 레이저 (SLII-10, 연속체, 532 nm의) 펌프 파장 가변 레이저 (Surelite OPO PLUS, 연속체, 파장 튜닝 범위 : 680 2,500 nm의).
- 각 레이저 총의 펄스 지속 기간은 ~ 5 NSEC이며, 레이저 반복 속도는 10 Hz입니다.
- 파장은 사용되는 조영제의 광 흡수 피크에 따라 달라집니다. 메틸렌 블루는 조영제로 제공하는 경우 최대 흡수이고, 667 ㎚의 광 파장이 사용됩니다. 플라즈몬 금 나노 구조는 물리적, 화학적 특성에 따라 NIR 스펙트럼 지역에서 조정할 수있는 현지화 된 표면 플라즈몬 공명을 가질 수 있습니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 광범위한 흡수 스펙트럼은 파장 선택을위한 다양한 옵션을 제공 할 수 있습니다.
- 가변 레이저에서 나오는 빛은 둥근 원뿔 렌즈 t에 전달된다hrough 직각 프리즘 (PS908, THORLABS).
- 빛이 구면 원뿔 렌즈를 통과 한 후 도넛 모양의 광선 패턴이 생성됩니다. 집에서 만든 원뿔 렌즈 BK7 렌즈로 만든 원뿔 각도는 152 °입니다. 렌즈의 직경은 2.5 cm입니다.
- 발산 도넛 모양의 광선은 투명한 아크릴 장으로 만든 광학 콘덴서를 통해 리디렉션됩니다. 상단과 하단면의 직경은 각각 6.1과 4.8 cm이다. 콘덴서의 두께는 2.5 cm입니다. 리디렉션 고리 모양의 광선은 조직 표면에 어두운 센터와 도넛 모양을 형성한다.
- 음향 커플 링을 높일 작은 물 컨테이너를 사용합니다. 물 컨테이너는 광학 및 음향 투명한 명확한 얇은 폴리에틸렌 필름으로 감싸 바닥 개구부가 있습니다. 작은 동물은 물을 컨테이너 아래에 배치됩니다.
- 생성 된 PA 파도가 구형 집중 초음파 트랜스 듀서 (V308에 의해 감지된다;올림푸스 NDT, 5 MHz의 중심 주파수), 광학 콘덴서의 중간에 장착되어 있습니다. 요소 직경 변환기의 초점 길이는 각각 1.9과 2.5 cm이다. 따라서, 트랜스 듀서의 F-number는 ~ 1.3이다.
- 횡 방향과 축 방향 해상도는 각각 590 및 144 μM이다.
- 검출 PA 파도가 처음 펄서 / 리시버 (, 올림푸스 NDT, 5072PR 35 MHz의 대역폭과 59dB의 RF 이득) 광대역 초음파에 의해 증폭 된 다음 (TDS5054, 텍트로닉스) 오실로스코프 인수했다.
- PA 파의 도착 시간을 측정하여 한 차원 시분 이미지 (A-라인으로 불리는)을 얻었다. 현재 PA 파도의 속도는 전체 이미지 획득을 통해 1천4백80미터 / 초의 것으로 간주됩니다. 두 (B-스캔으로 불리는)과 3 차원 PA 이미지는 기계적 선형 래스터 스캐닝 단계 (; Danaher의 도버 XY6060)를 이동하여 취득 할 수 있습니다.
- 영상 시간은 한 체적 단일 파장 PA 이미지에 ~ 25 분입니다XYZ 평면 2.5의 x 2.4 1.5 cm 3보기 (FOV)의 필드입니다. 우리는 0.4 mm의 스텝 크기와 Y 방향으로 0.2 mm, 60 샘플의 스텝 크기의 x 방향으로 125 샘플을 인수했다. 50 MHz의 샘플링 속도 500 데이터 포인트의 Z 방향으로 하였다. 기계 검사는 집에서 만든 NI LabVIEW 소프트웨어 시스템에 의해 제어됩니다.
- 체적 데이터는 매스 웍스의 MATLAB 소프트웨어 시스템을 사용하여 최대 진폭 투사 (MAP)로 표시됩니다.
- 시스템 정렬
- 둥근 원뿔 렌즈 후, 빔 패턴이 완벽하게 링 모양 있는지 확인하십시오. 도넛 모양의 빔 패턴이 제대로 생성되지 않은 경우, 피부 표면에서 유래 PA 신호가 지배적이다. 따라서, 깊은 조직 이미징을 달성하기 어렵다.
- 물에 선 모양의 빛의 초점이 동축 초음파 초점 영역과 일치해야합니다. 그는 동축으로 정렬되지 않은 경우 시스템은 낮은 신호 앓고노이즈 비율입니다.
- 2 파장 680 ~ 1,000 nm의에서 조정되어 엠제이 / cm 2, 각각 - 피부 표면에 조사 된 레이저 펄스 에너지는 1 ~부터 다양합니다. 이 레이저 펄스 에너지는 20에서 각각 80 스펙트럼 영역에 대한 엠제이 / ㎠로 변화, 미국 국립 표준 협회의 안전 한계보다 훨씬 낮습니다.
2. 생체 내 및 생체 이미징 절차
- 동물의 준비
- 모든 PA 이미징 실험에서 250g - 200의 무게로 여성 Spraque-Dawley 계 흰쥐를 사용합니다.
- 로 시작하려면, 케타민 (85 ㎎ / 체중 kg)과 xylazine (15 MG / kg)의 혼합물 복강 주사하여 쥐를 마취.
- 복부 영역에서 머리카락을 뽑다.
- 사용자 정의 - 만든 동물 소유자의 꼭대기 쥐를 놓습니다.
- 카테터 삽입을 개선하기 위해 윤활제 코트 22 게이지 카테터를.
- 카테터 Vertica의를 개최베드로 요도 입구에. 카테터의 허브가 마침내 개통에 도달 할 때까지 다음, 요도에, 수평, 카테터의 말단부를 삽입합니다.
- 방광에 소변 카테터를 통해 무효가됩니다.
- 생체 PAC 이미징
- PAC 시스템에있는 물 컨테이너 아래의 동물 소유자의 상단에있는 쥐를 놓습니다.
- 음향 커플 링을 개선하기 위해 동물 피부 표면 및 플라스틱 막 사이에 초음파 젤 (Sonotech)을 적용합니다.
- 완전 생체 PA 이미징 실험 중에 isoflurane을 증발을 (1 L / 산소 분 0.75 % isoflurane을)를 사용하여 쥐를 마취.
- 조영제를 주입하기 전에 제어 PA 이미지를 얻을 수 있습니다.
- 메틸렌 블루 (30 mm의 농도가 0.8 g / μL 체중), 골드 nanocages는 (2 nm의 농도가 1.2 g / μL 체중), 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브 (0.8 μL / g 몸의 수용액을 소개합니다 와 무게카테터를 통해 방광에 0.3 μM의 농도). 22 게이지 카테터를 가진 1-ML-주사기를 사용합니다.
- PA 이미지의 시리즈를 획득.
- 생체 PAC 영상
- 펜 토바 비탈의 과다 복용을 주입하여 생체 PAC 이미징 후 쥐를 희생.
- , 두 가지 주요 기관, 방광 및 신장을 제거 생체 분포를 조사하고, 유리 접시에.
- PAC 시스템에있는 물 컨테이너 아래에 유리 플레이트를 배치합니다.
- 음향 커플 링을 개선하기 위해 절제 기관 및 플라스틱 막 사이에 초음파 젤 (Sonotech)을 적용합니다.
- PA 이미지를 획득.
- Photoacoustically 이미지 컨트롤로 건강한 쥐에서 제거 기관.
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Representative Results
그림 1은 광 혼탁 메틸렌 블루 (MB)를 사용하여 생체 nonionizing 및 비 침습적 인 PAC에서 보여줍니다. 제어 PA 이미지는 MB (그림 1A)를위한 최대 광 흡수에, 667 nm에서 얻어졌다. FOV에있는 혈관이 명확하게 시각화 비록이 파장에서 광학적으로 투명하기 때문에, 방광이 보이지 않습니다. 그림 1B에서 보는 바와 같이, 방광 명확 0.2 시간 MB의 후 분사에서 획득 한 PA 이미지에 드러났습니다. 방광 MB의 축적을 확인하기 위해, 우리는 주위 구조에서 MB로 채워진 방광을 구분하는 두 개의 광 파장을 (667 850 nm의) 사용됩니다. 850 nm에서 MB의 광 흡수 계수가 거의 0이기 때문에 그림 1C에서와 같이, 방광 내에 PA 진폭은 표시되지 않습니다. 따라서,이 결과는 방광 MB로 가득 차 있음을 나타냅니다. 결과적으로, 그것은 보여주는 분광PA 이미지는 분명 다른 내인성 및 외인성 choromophores를 구분할 수 있습니다. 1D 및 1E 그림은 각각 그림 1A와 1B에있는 점선을 따라 스캔 깊이 해결 PA B-스캔 이미지를 보여줍니다. 방광의 표면은 생체 내 및 생체 영상 모두에서 초음파 트랜스 듀서 초점에 위치했다. 깊이 방향으로 방광의 위치는 명확하게 식별, 피부 표면 아래 ~ 3.5 mm. 또한, 24에서 측정 한 방광과 48 시간의 후 분사에서 PA 신호가 주입 전에서 얻은 신호와 거의 동일합니다. 이 결과는 주입 된 조영제가 완전히 몸에서 제거 된 것을 의미하고, 어떤 에이전트는 축적하지 않습니다. 따라서, 장기 에이전트 독성은 우리의 접근 방식에서 예상되지 않습니다. 또한, 포스트 분사 PA 이미지 (그림 1B)의 깊이는 그림 2에 유사 색상을 사용하여 인코딩됩니다. 티그는 방광의 위치는 깊이 해결 PA B-스캔 이미지 (그림 1E)과 잘 연관 피부 표면 아래 ~ 3.5 mm이다. 소아 방광의 위쪽과 아래쪽 경계의 전형적인 깊이는 복부 표면에서 각각 ~ 1.4 4.3 cm이다. 이하 엠제이 / cm 2 (안전 한계의 1 / 20) 만 레이저 펄스 에너지를 사용하여, 우리의 현재 이미징 시스템은 생물의 이상 1cm의 깊이에 메틸렌 블루 - 채워진 쥐 방광을 매핑 할 수 있습니다 생체 조직. 17 우리가 위에서 언급 한 바와 같이, PAT의 이미징 깊이는 메틸렌 블루의 도움으로 조직에 ~ 8cm까지 도달 할 수 있습니다. 9
생체 내 이미징 실험에서 모든 후, 우리는 두 가지 주요 기관, 방광과 생체 분포를 조사하기 위해 신장 적출. 컨트롤과 방광과 신장은 건강한 쥐에서 적출 하였다. 쥐를 두 그룹에서 제거 된 방광 및 신장에서 측정 PA 신호는 D 거의 동일어떤 에이전트가 장기에 축적하지 않는 emonstrating.
그림 1. 생체 nonionizing 및 비 침습적 인 PAC에서 광학적으로 불투명 메틸렌 블루 (MB)를 사용하여. 만 혈관을 보여주는 667 ㎚의 광 파장 MB의 사전 주입에서 획득 한 쥐의 복부 영역 (A) 제어 PA 이미지 (BV ). MB의 광 흡수 피크 파장이 일치가. (B) PA 이미지 MB에 축적 BV와 방광 (BD)를 모두. (C 공개, 667 ㎚의 광 파장 MB 0.2 시간 후 요도 주입에서 얻을 MB의 주사 후 850 nm에서 얻은) PA 이미지. MB의 광 흡수가이 파장에서 최소 때문에 MB 가득 BD는 PA 이미지에 사라집니다.(D)와 (E) 깊이 - 해결 PA B-스캔 이미지는 (A)와 (B) 각각의 점선을 따라 잘라. REF 17 허가 재판. 미국의 저작권 2011 광 학회지.
그림 2. 그림 1B의 깊이로 인코딩 된 PA 이미지. 색상은 깊이있는 정보를 나타냅니다. BV, 혈관, BD, 방광, 그리고 MB, 메틸렌 블루.
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Discussion
결론적으로, 우리는 생체 내 쥐 모델에서 독성 광 흡수를 사용하여 PAC를 nonionizing의 가능성을 보여 주었다. 우리는 성공적으로 우리의 nonionizing 및 비침 PAC 시스템을 사용하는 광 흡수제로 가득 쥐의 방광을 몇 군데있다. 두 개의 중요한 안전 문제는 우리의 접근 방식에서 해결되었습니다 : (1) cystographic 응용 프로그램 및 본문에 조영제 (2) 번호 축적 nonionizing 방사선의 사용.
우리의 임상 관심은 소아 환자에서 방광 요관 역류 (VUR)를 모니터링 포함되어 있습니다. 미국에서 어린이의 약 3 %가 요로 감염 19에 의해 영향을, 그리고 그 환자의 약 1.5 %는 방광 요관 역류에서 고통하고 있습니다. 현재 임상 연습에서, 모든 환자는 직접 이온화 X-선 투시 영상을 받다. 미국 Urological 협회 소아 방광 요관 역류의 임상 지침 패널이 강하게 소아 퍼트에 이온화 방사선의 사용을 최소화 추천의 ients. 20 우리의 장기 목표는 PAC를 사용하여 독성 광 조영제의 조합으로 VUR을 모니터링하는 것입니다. 환자에서 방광 요관 역류가있는 경우 따라서, 우리는 주입 에이전트가 신장에 방광에서 다시 유입 될 것으로 예상된다. X-선 cystography에 비해, PAC는 제한된 침투 깊이가 있습니다. 따라서, 임상 PAC에 대한 우리의 주요 목표는 소아 환자입니다. 우리의 현재 PAC 시스템의 이미징 속도가 상대적으로 기계적인 스캐닝 둔화되지만, 실시간 임상 초음파 시스템을 쉽게 PAC에 맞게 할 수 있습니다. 21-27 결과적으로,이 방법은 잠재적으로 VUR 모니터링에 액세스 할 수있는 휴대용 및 저렴한 방법을 제공합니다 이는 추가적인 혜택입니다. 따라서, 우리는 강력하게 우리의 응용 프로그램의 임상 번역의 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 이 임상 환경에서 테스트하기 전에 미래의 연구를 들어, 광 흡수를 사용하여 PA VUR 모니터링은 돼지 모델에서 조사 될 것입니다.
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Disclosures
모든 동물 실험은 버팔로 기관 애니멀 케어에 뉴욕의 주립 대학 및 사용위원회에 부합했다.
저자는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
이 작품은 버팔로 임상 및 translational 연구 센터에서 대학과 버팔로 번역 컨소시엄, 버팔로 대학 IT 통섭 창조적 인 프로그램 로즈웰 파크 얼라이언스 재단, 시작 기금에서 보조금 시범 연구 프로그램에서 교부금에 의해 부분적으로 지원되었다 지식 경제부와 NIPA (C1515-1121-0003)와 교육 과학 기술부의 NRF 부여 (2012-0009249)의.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | SLII-10 | pump laser |
| OPO laser | Continuum | Surelite OPO PLUS | tunable laser |
| Prisms | Thorlabs | PS908 | light deliver |
| Ultrasound transducer | Olympus NDT | V308 | 5 MHz |
| Ultraoundpulser/receiver | Olympus NDT | 5072PR | amplifier |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS5054 | data acquisition |
| Scanning stage | Danaher Dover | XY6060 | raster scanning |
| Methylene blue | Sigma-Aldrich | M9140-25G | contrast agent |
| Rats | Harlan | Spague-Dawley | animal subject |
| Isoflourane vaporizer | Euthanex | EZ-155 | anesthesia |
| Ultrasound gel | Sonotech | Clear Image singles | acoustic coupling |
References
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