Summary
Photoacoustic cystografi (PAC) har et stort potensial for å kartlegge urin blærer, en stråling sensitiv intern organ hos barn, uten å bruke ioniserende stråling eller giftige kontrastmiddel. Her kan vi demonstrere bruk av PAC for kartlegging urin blærer med en injeksjon av optisk-ugjennomsiktig sporstoffer i rotter<em> In vivo</em>.
Abstract
Konvensjonell pediatrisk cystografi, som er basert på diagnostisk røntgen ved hjelp av en radio-opak fargestoff, lider av etter bruk av skadelige ioniserende stråling. Risikoen for blære kreft hos barn på grunn av stråling er mer betydningsfulle enn mange andre kreftformer. Her kan vi demonstrere gjennomførbarheten av ikke-ioniserende og ikke-invasiv photoacoustic (PA) avbildning av urin blærer, referert til som photoacoustic cystografi (PAC), ved hjelp av nær-infrarød (NIR) optiske absorbenter (dvs. metylenblått plasmonic gull nanostrukturer, eller enkle vegger karbon nanorør ) som en optisk-turbid tracer. Vi har nå fotografert en rotte blære fylt med de optiske absorberende midler ved hjelp av en mørk-feltet konfokal PAC system. Etter transurethral injeksjon av kontrastmidler, var rottes blærer photoacoustically visualisert ved å oppnå betydelig PA signal ekstrautstyr. Oppbyggingen ble validert av spektroskopiske PA bildebehandling. Videre, ved å bruke bare en laserpuls energipå mindre enn 1 mJ / cm 2 (1/20 av sikkerhetsgrensen), kunne vår nåværende avbildningssystem kartlegge metylen-blå-fylt-rotte-blære i en dybde av mer enn 1 cm i biologisk vev in vivo. Både in vivo og ex vivo PA avbildingsresultater validere at kontrastmidler var naturlig utskilles via urinering. Således er det ingen bekymring for langsiktig toksisk middel akkumulering, noe som vil lette klinisk oversettelse.
Introduction
X-ray cystografi en er en avbildning prosess for å identifisere blære-relaterte sykdommer som blærekreft, vesikoureteral refluks, blokkering av urinlederne, nevrogen blære, etc. 2-5 Vanligvis er urines annullert og en radio-ugjennomsiktig agenten injiseres gjennom en kateter. Deretter blir fluoroskopiske røntgenbilder anskaffet for å avgrense urin blærer. Imidlertid er det viktig sikkerhets-problem som skadelig ioniserende stråling brukes i denne framgangsmåten. Prosentandelen av kumulative kreft til alder 75 år på grunn av diagnostiske røntgen varierer 0,6 til 1,8%. 6. I tillegg er det karsinogene trussel signifikant hos pediatriske pasienter. En britisk studie viste at blant ni store indre organer, gjennomsnittlig årlig stråledose fra diagnostisk røntgen var høyest i blærer i kvinnelige barn mindre enn fire og nest høyeste i guttebarn mindre enn fire. 7 Dette indikerer at blæren kreftrisiko er størst hos barn. AltHough pediatriske radiologer forsøke å redusere stråling pris så lav som praktisk mulig, ioniserende stråling ikke kan utelukkes helt. Derfor skaper begrensning et behov for en helt stråling-fri, følsom, kostnadseffektive og høy oppløsning avbildningsfunksjonalitet med nonradioactive kontrastmidler i cystografi.
Nylig har photoacoustic tomografi (PAT) blitt et ledende biomedisinsk avbildningsfunksjonalitet fordi PAT kan gi sterke optiske absorpsjon kontraster og en høy ultralyd romlig oppløsning i biologisk vev. 8 Prinsippet om PAT er at ultrasoniske bølger blir indusert på grunn thermoelastic utvidelse av et mål etterfulgt av lys absorpsjon. Ved å detektere tids-løst lydbølger som forplantes via et medium, to-eller tre-dimensjonale photoacoustic (PA)-bilder dannes. Fordi ultralyd (US) er mye mindre spredt i vev sammenlignet med lys (vanligvis to eller tre størrelsesordener), denbildebehandling dybde av PAT kan nå opp til ~ 8 cm i vev, mens den romlige oppløsningen er opprettholdt til 1/200 av bildebehandling dybde 9 De viktigste fordelene med PAT for cystographic søknaden omfatter: (1). PAT er helt fri for ioniserende stråling. (2) ClinicalUSimaging systemer kan enkelt tilpasses til å levere dual-modal PA og amerikanske imaging evner. Dermed kan dual-modal PA / US imaging system være relativt portabel, kostnadseffektiv og rask, noe som er viktige kriterier for rask klinisk oversettelse. Ved hjelp av både endogene og eksogene kontraster, har PAT gitt høy oppløsning morfologiske, funksjonelle og molekylær avbildning av vev for å studere svulst physiopathology, hjernen hemodynamics, indre organer, oftalmologi, angiografi, og etc. 10-16
I denne artikkelen viser vi de eksperimentelle protokoller av ikke-ioniserende photoacoustic cystografi (PAC) ved hjelp av nær-infrarød (NIR) optiske absorbenter (dvs. metylenblått, gåld nanocages, eller enkle vegger karbon nanorør) som giftfri optisk-grumsete sporstoffer. Rotte blærer fylt med kontrastmidler ble photoacoustically og spectroscopically avgrenset in vivo. Ingen midler vedvarende akkumulert i blærene og nyrer til rottene. Dermed kan langsiktig giftighet som kan være forårsaket av agenten akkumulering utelukkes. Dette resultatet innebærer at PAC med kombinasjon av de optiske dempere kan potensielt være en virkelig ufarlig cystographic modalitet for pediatriske pasienter. Systemkonfigurasjonen, system justering og in vivo / ex vivo bildebehandling prosedyrer er omtalt i denne artikkelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som konklusjon, har vi vist at muligheten for å bruke ikke-toksiske, ikke-ioniserende PAC optiske dempere i en rottemodell in vivo. Vi har nå fotografert en rotte blære fylt med optiske absorbenter ved hjelp av vår ikke-ioniserende og ikke-invasiv PAC system. To kritiske sikkerhetsproblemer har blitt løst i vår tilnærming: (1) bruk av ikke-ioniserende stråling for cystographic applikasjoner og (2) ingen akkumulering av kontrastmidler i kroppen.
Vår klinisk interesse inklude…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet delvis av en bevilgning fra pilot studiet ved University at Buffalo klinisk og translasjonsforskning Research Center og Buffalo translasjonsforskning Consortium, et stipend fra Roswell Park Alliance Foundation, oppstart midler fra University at Buffalo, IT Consilience Creative Program av MKE, og NIPA (C1515-1121-0003) og NRF tilskudd på 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).
