Cistografia fotoacustico
Summary
Cistografia fotoacustico (PAC) ha un grande potenziale per mappare vesciche urinarie, una radiazione organo interno sensibile nei pazienti pediatrici, senza l'utilizzo di alcun radiazioni ionizzanti o di agente di contrasto tossico. Qui mostriamo l'utilizzo del PAC per la mappatura vesciche urinarie con una iniezione di traccianti ottici-opachi nei ratti<em> In vivo</em>.
Abstract
Cystography pediatrica convenzionale, che è basato su raggi X diagnostici utilizzando un colorante radiopaco, soffre l'uso di radiazioni ionizzanti nocive. Il rischio di tumori della vescica nei bambini a causa di esposizione alle radiazioni è più significativo rispetto a molti altri tipi di cancro. Qui mostriamo la fattibilità di fotoacustico (PA) di imaging non ionizzanti e non invasiva di vesciche urinarie, di cui come cistografia fotoacustico (PAC), utilizzando (NIR) assorbenti ottici vicino infrarosso (es. blu di metilene nanostrutture plasmoniche oro, o singoli nanotubi di carbonio a parete ) come tracciante ottico-torbida. Abbiamo ripreso con successo una vescica ratto riempito con gli agenti assorbenti ottiche usando un campo scuro sistema PAC confocale. Dopo l'iniezione transuretrale dei mezzi di contrasto, vesciche del ratto erano photoacoustically visualizzati attraverso il raggiungimento significativo miglioramento del segnale PA. L'accumulo è stato convalidato dal spettroscopiche di imaging PA. Inoltre, utilizzando solo un impulso di energia laserinferiore a 1 mJ / cm 2 (1/20 del limite di sicurezza), il nostro sistema di imaging attuale potrebbe mappare il metilene-blue-riempita-rat-vescica alla profondità di oltre 1 cm di tessuti biologici in vivo. Sia in vivo e ex vivo PA risultati di imaging verificare che i mezzi di contrasto sono stati naturalmente escreti attraverso la minzione. Così, non vi è alcuna preoccupazione per accumulo agente tossico a lungo termine, che faciliterà traduzione clinica.
Introduction
X-ray cistografia 1 è un processo di imaging per identificare le malattie della vescica-correlate, come il cancro alla vescica, reflusso vescico-ureterale, blocco dei ureteri, vescica neurogena, ecc. 2-5 In genere, le urine vengono annullati e un agente radiopaco viene iniettato attraverso un catetere. Poi, le immagini a raggi X fluoroscopici sono acquisiti per delineare vesciche urinarie. Tuttavia, la questione chiave della sicurezza è che le radiazioni ionizzanti nocive viene utilizzato in questa procedura. La percentuale di rischio di cancro cumulativo a 75 anni di età a causa di raggi X diagnostici va dallo 0,6 al 1,8%. 6 Inoltre, la minaccia cancerogena è significativa in pazienti pediatrici. Uno studio britannico ha dimostrato che tra i 9 grandi organi interni, la dose media annuale di radiazioni da raggi X diagnostica è stata più alta nelle vesciche nei bambini di sesso femminile inferiore a 4 e il secondo più alto nei bambini maschi meno di 4. 7 Ciò indica che il rischio di cancro alla vescica è più significativo nei pazienti pediatrici. Although radiologi pediatrici cercano di ridurre il tasso di esposizione alle radiazioni a basso ragionevolmente ottenibile, le radiazioni ionizzanti non può essere completamente esclusa. Pertanto, la limitazione crea la necessità di una radiazione privo modalità completamente, sensibile, conveniente e ad alta risoluzione di immagini con mezzi di contrasto non radioattivi in cystography.
Recentemente, tomografia fotoacustica (PAT) è diventata una modalità di imaging biomedico premier perché PAT può fornire forti contrasti di assorbimento ottico e una risoluzione spaziale elevata ultrasuoni nei tessuti biologici. 8 Il principio della PAT è che le onde ultrasoniche sono indotti a causa termoelastica di un bersaglio seguito da assorbimento della luce. Rilevando tempo risolto onde acustiche viaggiano attraverso un mezzo, due o immagini tridimensionali fotoacustica (PA) sono formate. Poiché ultrasuoni (US) è molto meno diffusa nei tessuti rispetto alla luce (tipicamente due o tre ordini di grandezza), laprofondità di imaging del PAT può raggiungere fino a ~ 8 cm di tessuti, mentre la risoluzione spaziale viene mantenuta a 1/200 della profondità di imaging 9 I vantaggi principali del PAT per l'applicazione cystographic includono:. (1) PAT è completamente libero da ionizzanti radiazioni. (2) sistemi ClinicalUSimaging possono essere facilmente adattate per fornire dual-modale PA e funzionalità di imaging statunitensi. Così, il sistema dual-modale PA / US imaging possono essere relativamente portatile, conveniente e veloce, che sono i criteri chiave per una rapida traduzione clinica. Utilizzando sia endogeni ed esogeni contrasti, PAT ha fornito ad alta risoluzione morfologica, funzionale e di imaging molecolare dei tessuti per studiare la fisiopatologia del tumore, l'emodinamica cerebrale, gli organi interni, oftalmologia, angiografia, ed ecc. 10-16
In questo articolo, abbiamo dimostrato i protocolli sperimentali di non ionizzanti cistografia fotoacustico (PAC) che utilizzano (NIR) assorbenti ottici vicino infrarosso (cioè il blu di metilene, andareld nanocages o singoli nanotubi di carbonio a parete) come non tossici traccianti ottici-torbida. Vesciche Rat pieni di agenti di contrasto sono stati photoacoustically e spettroscopiche delineate in vivo. Nessun agente persistentemente accumulati nelle vesciche e reni dei ratti. Così, tossicità a lungo termine che possono essere causati da accumulo agente può essere esclusa. Questo risultato implica che la PAC con combinazione delle assorbitori ottici può potenzialmente essere una modalità cystographic veramente innocuo per i pazienti pediatrici. La configurazione del sistema, l'allineamento del sistema, e di procedure di imaging in vivo / ex vivo sono discussi in questo articolo.
Protocol
Representative Results
Discussion
In conclusione, abbiamo dimostrato la possibilità di non ionizzanti PAC utilizzando atossici assorbitori ottici in un modello di ratto in vivo. Abbiamo ripreso con successo una vescica di ratto pieno di assorbenti ottici che utilizza il nostro sistema di PAC non ionizzanti e non invasiva. Due questioni cruciali di sicurezza sono stati risolti nel nostro approccio: (1) l'uso di radiazioni ionizzanti per applicazioni cystographic e (2) nessun accumulo di agenti di contrasto nel corpo.
<p class="jove_cont…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da una sovvenzione da parte del programma di studi pilota della Università di Buffalo Centro di Ricerca Clinica e Traslazionale e il Consorzio traslazionale Buffalo, una sovvenzione da Roswell Park Alliance Foundation, fondi di avvio presso l'Università di Buffalo, IT Consilience Programma Creativo di MKE e NIPA (C1515-1121-0003) e la NRF concessione di MEST (2012-0009249).
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 |
Riferimenti
- Riccabona, M. Cystography in infants and children: a critical appraisal of the many forms with special regard to voiding cystourethrography. Eur. Radiol. 12 (12), 2910-2918 (2002).
- Khattar, N., Dorairajan, L. N., Kumar, S., Pal, B. C., Elangovan, S., Nayak, P. Giant obstructive megaureter causing contralateral ureteral obstruction and hydronephrosis: a first-time report. Urology. 74 (6), 1306-1308 (2009).
- Lim, R. Vesicoureteral reflux and urinary tract infection: evolving practices and current controversies in pediatric imaging. AJR Am. J. Roentgenol. 192 (5), 1197-1208 (2009).
- Scardapane, A., Pagliarulo, V., Ianora, A. A., Pagliarulo, A., Angelelli, G. Contrast-enhanced multislice pneumo-CT-cystography in the evaluation of urinary bladder neoplasms. Eur. J. Radiol. 66 (2), 246-252 (2008).
- Verpoorten, C., Buyse, G. M. The neurogenic bladder: medical treatment. Pediatr. Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).
- Ron, E. Let’s not relive the past: a review of cancer risk after diagnostic or therapeutic irradiation. Pediatr. Radiol. 32 (10), 739-744 (2002).
- Berrington De Gonzalez, A., Darby, S. Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries. Lancet. 363 (9406), 345-351 (2004).
- Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths. Chem. Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).
- Ke, H., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Liu, C., Wang, L. V. Performance characterization of an integrated ultrasound, photoacoustic, and thermoacoustic imaging system. J. Biomed. Opt. 17 (5), 056010 (2012).
- Akers, W. J., Kim, C., Berezin, , et al. Noninvasive Photoacoustic and Fluorescence Sentinel Lymph Node Identification using Dye-Loaded Perfluorocarbon Nanoparticles. Acs Nano. 5 (1), 173-182 (2011).
- Jiao, S. L., Jiang, M. S., Hu, J., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- Kim, C., Cho, E. C., Chen, J., et al. In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages. Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).
- Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars. J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).
- Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain. Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).
- Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging. Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).
- Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).
- Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. Nonionizing photoacoustic cystography in vivo. Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).
- Homan, K., Kim, S., Chen, Y. S., Wang, B., Mallidi, S., Emelianov, S. Prospects of molecular photoacoustic imaging at 1064 nm wavelength. Opt. Lett. 35 (15), 2663-2665 (2010).
- Chang, S. L., Shortliffe, L. D. Pediatric urinary tract infections. Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379 (2006).
- Stratton, K. L., Pope, J. C., Adams, M. C., Brock, J. W., Thomas, J. C. . Implications of Ionizing Radiation in the Pediatric Urology. 183 (6), 2137-2142 (2010).
- Ermilov, S. A., Khamapirad, T., Conjusteau, A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024007 (2009).
- Erpelding, T. N., Kim, C., Pramanik, M., et al. Sentinel lymph nodes in the rat: noninvasive photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Kim, C., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Wang, L. V. Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging. Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel lymph nodes and lymphatic vessels: noninvasive dual-modality in vivo mapping by using indocyanine green in rats–volumetric spectroscopic photoacoustic imaging and planar fluorescence imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. A. Thermoacoustic computed tomography using a conventional linear transducer array. Medical Physics. 30 (5), 856-860 (2003).
- Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. Photoacoustic angiography of the breast. Med. Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).
- Manohar, S., Kharine, A., Van Hespen, J. C., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G. The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance. Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).
