Cistografia fotoacústica

Summary

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<em> In vivo</em>.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Cistografia Sistema Photoacoustic modo de reflexão profunda (PAC) Configuração do sistema 17, 18 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). A duração do impulso de cada tiro de laser é ~ 5 ns, e a taxa de repetição do laser é de 10 Hz. O comprimento de onda de pico depende da absorção óptica do agente de contraste …

Representative Results

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 in…

Discussion

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.

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Materials

Name of Reagent/Material	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