Een nieuwe techniek voor het genereren en Observing Chemiluminescence in een biologische instelling
Summary
This protocol describes a new intraoperative imaging technique that uses a ruthenium complex as a source of chemiluminescent light emission, thereby producing high signal-to-noise ratios during in vivo imaging. Intraoperative imaging is an expanding field that could revolutionize the way that surgical procedures are performed.
Abstract
Intraoperative imaging techniques have the potential to make surgical interventions safer and more effective; for these reasons, such techniques are quickly moving into the operating room. Here, we present a new approach that utilizes a technique not yet explored for intraoperative imaging: chemiluminescent imaging. This method employs a ruthenium-based chemiluminescent reporter along with a custom-built nebulizing system to produce ex vivo or in vivo images with high signal-to-noise ratios. The ruthenium-based reporter produces light following exposure to an aqueous oxidizing solution and re-reduction within the surrounding tissue. This method has allowed us to detect reporter concentrations as low as 6.9 pmol/cm2. In this work, we present a visual guide to our proof-of-concept in vivo studies involving subdermal and intravenous injections in mice. The results suggest that this technology is a promising candidate for further preclinical research and might ultimately become a useful tool in the operating room.
Introduction
In de afgelopen decennia hebben beeldtechnologieën van de manier waarop artsen diagnosticeren en monitoren van de ziekte van een revolutie. Deze beeldvormende technieken zijn echter grotendeels beperkt tot gehele lichaam systemen, zoals positron emissie tomografie (PET), enkelvoudige foton-emissie-computertomografie (SPECT), computertomografie (CT) en magnetische resonantie imaging (MRI) is. Bijzondere aandacht is besteed aan kanker, en technologische doorbraken imaging zijn sterk verbeterd de manier waarop deze ziekte wordt gediagnosticeerd en behandeld. Ondanks deze vooruitgang, er is een plek waar deze beeldvormende technieken gewoon niet passen: de operatiekamer. Terwijl het gehele lichaam technieken helpen bij chirurgische planning, ze meestal onvoldoende ruimtelijke resolutie hoog genoeg om artsen te helpen bepalen realtime of alle tumorweefsel is verwijderd of resttumorweefsel verborgen blijft aan de snijvlakken 1. Ervoor zorgen dat er geen infiltratievetumor marges zijn achtergelaten is een van de belangrijkste chirurgische doelen, en chirurgen moeten een strakke-koord tussen strenge en voorzichtige weefsel resectie te lopen. Als er te veel wordt verwijderd, worden ongewenste bijwerkingen voor de patiënt vergroot; als er te weinig wordt verwijderd, worden recidief steeg met 2, 3. Daarom is het cruciaal om nauwkeurige tumorgrenzen bakenen, en wij geloven dat chemiluminescente intra-operatieve beeldvorming kan bijdragen tot de nauwkeurigheid van de identificatie van tumor marges te verbeteren door te helpen chirurgen kwaadaardig weefsel dat anders onopgemerkt bestaande technieken kunnen blijven visualiseren.
Er zijn vele imaging technologieën momenteel onderzocht voor hun mogelijke bruikbaarheid als intra-operatieve imaging systemen. Deze omvatten β- en γ-straling-emitterende probes 4, 5 optische fluorescentie, Raman spectroscopie 6 </sup>, 7 en Cherenkov luminescentie 8, 9. Tot dusver is geen van deze zijn vestigen standaard klinische instrumenten. Optische fluorescentiebeeldvorming dusver bewezen als de meest veelbelovende van deze technieken en is dus het meest onderzocht. Hoewel reeds aangetoond dat het een waardevol instrument voor vele toepassingen, is niet zonder beperkingen. Sterker nog, zijn belangrijkste nadeel is de achtergrond fluorescentie gegenereerd door inherent Autofluorescente biologisch weefsel. Deze achtergrond autofluorescente signaal is een product van de excitatie van het omringende weefsel, naast de fluorofoor door de externe lichtbron nodig voor het genereren van een fluorescerend signaal. Vanuit praktisch oogpunt kan deze autofluorescentie mogelijk leiden tot lage signaal-ruisverhoudingen, die het nut van deze technologie in de operatiekamer kan beperken.
de voornaamstevoordeel van chemiluminescentie imaging via fluorescentiebeeldvorming is dat er geen excitatie licht nodig is. Daardoor is er geen achtergrond autofluorescentie. In chemiluminescentie beeldvorming wordt de excitatie-energie plaats chemisch gegenereerd. Deze werkwijze geeft geen ongewenste achtergrondsignaal en kan daarom leiden tot hogere signaal-ruisverhoudingen. Dit kan uiteindelijk leiden tot nauwkeuriger en nauwkeurige detectie van snijvlakken. Enigszins verrassend is het nut van deze aanpak als een intra-operatieve beeldvormende techniek onontgonnen 10 gebleven. Inderdaad, het dichtst voorbeeld van deze techniek is de oxidatie van luminol door myeloperoxidase in muizen 11, 12, 13. Chemiluminescente biomedische beeldvorming is daarmee tamelijk onontgonnen onderzoeksgebied dat de volgende voordelen kunnen bieden: (1) minimale autofluorescentie resulteert in een lage achtergrondsignaal met higher signal-to-noise ratio's; (2) afstembare golflengten van chemiluminescente emissie variëren van het zichtbare naar het nabije-infrarood; en (3) functionalizable chemoluminescente complexen die in combinatie met linker technologieën en gerichte biomoleculen reeds bestaande, toegang tot volledige bibliotheken van gerichte moleculaire beeldvorming sondes 14.
Deze proof-of-principle studie toont het potentieel nut van chemiluminescent beeldvorming in de biomedische omgeving met behulp van een ruthenium-based imaging middel. De chemiluminescente eigenschappen van deze verbinding zijn goed bestudeerd, met onderzoeken die teruggaat tot het midden van de jaren 1960 15. Bij chemische activatie agens produceert het licht bij ongeveer 600 nm 16, die goed geschikt is voor medische beeldvorming doeleinden. De activeringsenergie wordt geleverd door een redoxreactie die leidt tot een aangeslagen toestand-die een levensduur van 650 ns in water 17 heeft -follverschuldigd door het genereren van fotonen op relaxatie van deze aangeslagen toestand. Door het gebruik van een speciaal ontworpen remote vernevelaar, waren we in staat om de verbinding zowel ex vivo en in vivo te detecteren. De resultaten van initiële experimenten zijn veelbelovend, suggereert verder onderzoek van deze technologie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier hebben wij voorgesteld een technologie die in staat is optisch afbakenen weefsel via de emissie van fotonen door een chemiluminescente reporter is. In tegenstelling tot andere, meer gevestigde technologieën 4, 5, 6, 7, 8, 9, chemiluminescente reporter dit systeem gebruik van een beeldvormende sonde die niet-radioactiev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Prof. Jan Grimm and Mr. Travis Shaffer for their helpful discussions and Mr. David Gregory for editing the manuscript. Technical services provided by the MSK Animal Imaging Core Facility, supported in part by NIH Cancer Center Support Grant P30CA008748-48, are gratefully acknowledged. The authors thank the NIH (K25 EB016673 and R21 CA191679, T.R. and 4R00CA178205-02, B.M.Z.), the MSK Center for Molecular Imaging and Nanotechnology (T.R.), the Tow Foundation (B.C.), and the National Science Foundation Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT 0965983 at Hunter College for B.C. and T.M.S.) for their generous support. The research reported in this publication was supported by funding from the King Abdullah University of Science and Technology.
Materials
| Wood part A (12.5×2.5×1.8 cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Wood part B (12.7×10.7×1.8cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Wood part C (11×2.5×1.8cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Screws (4×25 mm) | Screwfix | 79939 | |
| Harmon Face Values 3oz mini sprayer | Bed, Bath and Beyond | ||
| stainless steel rod (10 cm of 1/16” steel) | Metals Depot Int. Inc. | 2192 | |
| Pencil Classic HB | Papermate | 58592 | |
| Paper clip | Office Depot | 221720 | |
| speaker cable | RCA Inc. | AH1650SN | |
| Energizer 9V alkaline battery | Energizer Holdings Inc. | EN22 | |
| Hitech HS-82MG Micro Servo Motor, 3.4kg/cm output torque @ 6V | Hitech RCD USA Inc. | 32082S | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 28 cm plastic cable ties | General Electric Inc. | 50725 | |
| Duct tape | 3M Inc. | 3939 | |
| littleBits w1 wire | littleBits Inc. | w1 wire | |
| littleBits p1 power | littleBits Inc. | p1 power | |
| littleBits i2 toggle switch | littleBits Inc. | i2 toggle switch | |
| littleBits 011 servo | littleBits Inc. | 011 servo | |
| 20 cm plastic covered wire twist ties | Four Star Plastics | 71TIE8000 | |
| Tris(2,2′-bipyridyl)dichlororuthenium(II) hexahydrate | Sigma-Aldrich Inc. | 224758 | |
| Ammonium cerium(IV) nitrate | Sigma-Aldrich Inc. | 22249 | |
| Isofluorane | Baxter Healthcare | 1001936060 | |
| PBS | Sigma-Aldrich | PBS1 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 2854 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich Inc. | T0886 | |
| Water | Water was purified using a Milipore Mili-Q (R ≥ 18 MΩ) | ||
| Female nude (outbred) mice | Jackson Laboratories | 1929 | age 5 – 6 weeks |
| Strain C57BL/6J | |||
| NU/J male mice at | Jackson Laboratories | 2019 | age 6 – 8 weeks |
| IVIS 200 bioluminescence reader | Caliper Live Science | ||
| Live Image 4.2 software | Perkin-Elmer | 128165 | |
| Microscope slides | ThermoScientific | 4951PLUS4 |
References
- Fong, Y., Giulianotti, P. C., Lewis, J., Koerkamp, B. G., Reiner, T. . Imaging and Visualization in The Modern Operating Room: A Comprehensive Guide for Physicians. , (2015).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nat. Rev. Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Weissleder, R., Pittet, M. J. Imaging in the era of molecular oncology. Nature. 452, 580-589 (2008).
- Heller, S., Zanzonico, P. Nuclear probes and intraoperative gamma cameras. Semin. Nucl. Med. 41 (3), 166-181 (2011).
- van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nat. Med. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Zavaleta, C. L., et al. A Raman-based endoscopic strategy for multiplexed molecular imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 110 (25), E2288-E2297 (2013).
- Harmsen, S., Bedics, M. A., Wall, M. A., Huang, R., Detty, M. R., Kircher, M. F. Rational design of a chalcogenopyrylium-based surface-enhanced resonance Raman scattering nanoprobe with attomolar sensitivity. Nat. Commun. 6, 1-9 (2015).
- Thorek, D. L., et al. Positron Lymphography: Multimodal, High-Resolution, Dynamic Mapping and Resection of Lymph Nodes After Intradermal Injection of 18F-FDG. Nucl. Med. 53 (9), 1438-1445 (2012).
- Thorek, D. L. J., Riedl, C. C., Grimm, J. Clinical Cerenkov Luminescence Imaging of 18F-FDG. Nucl. Med. 55 (1), 95-98 (2014).
- Gross, S., et al. Bioluminescence imaging of myeloperoxidase activity in vivo. Nat. Med. 15 (4), 455-461 (2009).
- Lee, J. -. J., White, A. G., Rice, D. R., Smith, B. D. In vivo imaging using polymeric nanoparticles stained with near-infrared chemiluminescent and fluorescent squaraine catenane endoperoxide. Chem. Commun. 49 (29), 3016-3018 (2013).
- Lee, D., et al. In vivo imaging of hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles. Nat. Mater. 6 (10), 765-769 (2007).
- Baumes, J. M., et al. thermally activated, near-infrared chemiluminescent dyes and dye-stained microparticles for optical imaging. Nat. Chem. 2 (12), 1025-1030 (2010).
- Siraj, N., et al. Fluorescence, Phosphorescence, and Chemiluminescence. Anal. Chem. 88 (1), 170-202 (2016).
- Hercules, D. M., Lytle, F. E. Chemiluminescence from Reduction Reactions. Am. Chem. Soc. 88 (20), 4745-4746 (1966).
- Kerr, E. Annihilation electrogenerated chemiluminescence of mixed metal chelates in solution: modulating emission colour by manipulating the energetics. Chem. Sci. 6, 472-479 (2015).
- Montalti, M., Credi, A., Prodi, L., Gandolfi, M. T. . Handbook of Photochemistry 3rd Ed. , 379-404 (2006).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rhodents. J. Vis. Exp. (65), e3564 (2012).
- Büchel, G. E., et al. Near-infrared intraoperative chemiluminescent imaging. ChemMedChem. , (2016).
- Ntziachristos, V., Ripoll, J., Wang, L. V., Weissleder, R. Looking and Listening to Light: the Evolution of Whole-Body Photonic Imaging. Nat. Biotechnol. 23, 313-320 (2005).
- Koch, J. H., Gyarfas, E. C., Dwyer, F. P. Biological Activity of Complex Ions Mechanism of Inhibition of Acetylcholinesterase. Austral. J. Biol. Sci. 9 (3), 371-381 (1956).
- Juris, A., Balzani, V., Barigelletti, F., Campagna, S., Belser, P., Zelewsky, A. V. Ru(II) polypyridine complexes: photophysics, photochemistry, electrochemistry, and chemiluminescence. Coord. Chem. Rev. 84, 85-277 (1988).
- Knoll, J. D., Turro, C. Control and utilization of ruthenium and rhodium metal complex excited states for photoactivated cancer therapy. Coord. Chem. Rev. 282, 110-126 (2015).
- Haley, T. J. Pharmacology and toxicology of the rare earth elements. J. Pharm. Sci. 54 (5), 663-670 (1965).
- Siekierski, S., Mioduski, T., Salomon, M. . IUPAC Commission on Solubility Data. Solubility Data Series. Vol 13. Scandium, Yttrium, Lanthanum, and Lanthanide Nitrates. , (1983).
- Reiner, T., Jantke, D., Marziale, A. N., Raba, A., Eppinger, J. Metal-Conjugated Affinity Labels: A New Concept to Create Enantioselective Artificial Metalloenzymes. ChemistryOpen. 2, 50-54 (2013).
- Zanarini, S., et al. Synthesis and Electrochemiluminescence of a Ru(bpy)3-Labeled Coupling Adduct Produced on a Self-Assembled Monolayer. J. Phys. Chem. C. 112 (8), 2949-2957 (2008).
- Liu, R., Lv, Y., Hou, X., Yang, L., Mester, Z. Protein Quantitation Using Ru-NHS Ester Tagging and Isotope Dilution High-Pressure Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Determination. Anal. Chem. 84 (6), 2769-2775 (2012).
- Jantke, D., et al. Synthetic strategies for efficient conjugation of organometallic complexes with pendant protein reactive markers. J. Organomet. Chem. 744, 82-91 (2013).
- Aoki, Y., et al. An experimental xenograft mouse model of diffuse pontine glioma designed for therapeutic testing. J Neurooncol. 108 (1), 29-35 (2012).
- Forster, R. J., Bertoncello, P., Keyes, T. E. Electrogenerated Chemiluminescence. Annual Rev. Anal. Chem. 2, 359-385 (2009).
- Connell, T. U., James, J. L., White, A. R., Donnelly, P. S. Protein Labelling with Versatile Phosphorescent Metal Complexes for Live Cell Luminescence Imaging. Chem. Eur. J. 21 (40), 14146-14155 (2015).
- Zhou, X., et al. Synthesis, labeling and bioanalytical applications of a tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(II)-based electrochemiluminescence probe. Nat. Protoc. 9 (5), 1146-1159 (2014).
- Bœuf, G., et al. Encapsulated Ruthenium(II) Complexes in Biocompatible Poly(d,l-lactide-co-glycolide) Nanoparticles for Application in Photodynamic Therapy. ChemPlusChem. 79 (1), 171-180 (2014).
- Loizidou, M., Seifalian, A. M. Nanotechnology and its applications in surgery. Brit. J. Surgery. 97 (4), 463-465 (2010).
- Barry, N. P. E., Sadler, P. J. Challenges for Metals in Medicine: How Nanotechnology May Help To Shape the Future. ACS Nano. 7, 5654-5659 (2013).
- Hasan, K., Bansal, A. K., Samuel, I. D. W., Roldán-Carmona, C., Bolink, H. J., Zysman-Colman, E. Tuning the Emission of Cationic Iridium (III) Complexes Towards the Red Through Methoxy Substitution of the Cyclometalating Ligand. Nat.Sci. Rep. 5, 1-15 (2015).
- Truong, J., et al. Chemiluminescence detection with water-soluble iridium(III) complexes containing a sulfonate-functionalised ancillary ligand. Analyst. 139 (22), 6028-6035 (2014).
