Cistografía fotoacústica
Summary
Cistografía fotoacústica (PAC) tiene un gran potencial para mapear vejigas urinarias, una sensible órgano interno de radiación en los pacientes pediátricos, sin necesidad de utilizar ningún tipo de radiación ionizante o agente de contraste tóxico. Aquí se demuestra el uso de PAC para el mapeo de vejigas urinarias con una inyección de trazadores óptica-opacos en ratas<em> In vivo</em>.
Abstract
Cistografía pediátrica convencional, que se basa en diagnósticos de rayos X utilizando un tinte radiopaco, sufre de la utilización de radiación ionizante perjudiciales. El riesgo de cáncer de vejiga en los niños debido a la exposición a la radiación es más importante que muchos otros tipos de cáncer. Aquí se demuestra la viabilidad de la formación de imagen fotoacústica (PA) no ionizante y no invasiva de vejigas urinarias, referidos como cistografía fotoacústica (PAC), utilizando el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, azul de metileno, nanoestructuras de oro plasmónica, o nanotubos de carbono de pared individuales ) como un trazador óptico-turbia. Hemos fotografiado con éxito una vejiga de rata llena de los agentes de absorción óptica utilizando un sistema de campo oscuro confocal PAC. Después de la inyección transuretral de los agentes de contraste, vejigas de las ratas fueron photoacoustically visualizado por lograr mejorar la señal PA significativo. La acumulación fue validado por imágenes de PA espectroscópico. Además, mediante el uso de sólo una energía láser de pulsode menos de 1 mJ / cm 2 (1/20 del límite de seguridad), nuestro sistema de imagen actual podría mapear el metileno-relleno de azul-rata-vejiga a la profundidad de 1 cm más allá en los tejidos biológicos in vivo. Tanto in vivo y ex vivo de imágenes de los resultados PA validar que los agentes de contraste se excretan naturalmente a través de la orina. Por lo tanto, no hay preocupación con respecto a la acumulación de agente tóxico a largo plazo, lo que facilitará la traducción clínica.
Introduction
De rayos X cistografía 1 es un proceso de formación de imágenes para identificar enfermedades relacionados con la vejiga, tales como cáncer de vejiga, reflujo vesicoureteral, obstrucción de uréteres, vejiga neurogénica, etc. 2-5 Típicamente, las orinas, se anulan y un agente radiopaco se inyecta a través de un catéter. A continuación, las imágenes de rayos X de fluoroscopia se adquieren para delinear vejigas urinarias. Sin embargo, la cuestión clave de seguridad es que la radiación ionizante perjudicial se utiliza en este procedimiento. El porcentaje de riesgo de cáncer acumulada a la edad de 75 años debido al diagnóstico de rayos X entre un 0,6 a un 1,8%. 6 Además, la amenaza cancerígena es significativo en pacientes pediátricos. Un estudio del Reino Unido mostró que entre 9 principales órganos internos, la dosis de radiación media anual de rayos X de diagnóstico fue más alta en las vejigas en las niñas menos de 4 segundos y más alta en niños varones de menos de 4. 7 Esto indica que el riesgo de cáncer de vejiga es más significativo en los pacientes pediátricos. Although radiólogos pediátricos tratan de reducir la tasa de exposición a la radiación tan bajo como sea razonablemente posible, la radiación ionizante no puede excluirse por completo. Por lo tanto, la limitación crea la necesidad de una radiación libre de modalidad de imagen completamente, sensible, costo-efectiva, y de alta resolución con agentes de contraste no radiactivos en cistografía.
Recientemente, la tomografía fotoacústica (PAT) se ha convertido en una modalidad de imagen biomédica principal porque PAT puede proporcionar contrastes de absorción óptica fuertes y una alta resolución espacial ultrasónica en los tejidos biológicos. 8 El principio de PAT es que las ondas ultrasónicas se inducen debido a la expansión termoelástica de un objetivo seguido por la absorción de la luz. Mediante la detección resuelta en el tiempo las ondas acústicas que viajan a través de un medio, de dos o imágenes tridimensionales fotoacústica (PA) se forman. Dado que el ultrasonido (EE.UU.) es mucho menos dispersa en los tejidos en comparación con la luz (por lo general dos o tres órdenes de magnitud), laprofundidad de formación de imágenes de PAT puede alcanzar hasta ~ 8 cm de tejidos, mientras que la resolución espacial se mantiene a 1/200, de la profundidad de formación de imágenes 9 Las ventajas clave de PAT para la aplicación cistográfica incluyen:. (1) PAT está completamente libre de ionizante la radiación. (2) sistemas de ClinicalUSimaging se pueden adaptar fácilmente para suministrar de doble modal PA y capacidades de imagen de Estados Unidos. Por lo tanto, el sistema de doble modal PA / EE.UU. formación de imágenes puede ser relativamente fáciles de transportar, rentable, y rápido, que son criterios clave para la traducción clínica rápida. Utilizando tanto endógenas como exógenas contrastes, PAT ha proporcionado imágenes de alta resolución morfológica, funcional y molecular de los tejidos para estudiar la fisiopatología tumoral, la hemodinámica del cerebro, los órganos internos, la oftalmología, la angiografía, y etc. 10-16
En este artículo, nos demuestran los protocolos experimentales de cistografía fotoacústica no ionizante (PAC) con el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, el azul de metileno, vayanano-cajas ld, o nanotubos de carbono de pared única) como trazadores óptica-turbias no tóxicos. Vejigas llenas de ratas con los agentes de contraste se photoacoustically y espectroscópica delineados en vivo. No hay agentes persistentes acumulados en las vejigas y los riñones de las ratas. Por lo tanto, la toxicidad a largo plazo que puede ser causada por la acumulación de agente puede ser excluido. Este resultado implica que el PAC con la combinación de los elementos de absorción óptica puede potencialmente ser una modalidad cistográfica verdaderamente inofensivos para los pacientes pediátricos. La configuración del sistema, la alineación del sistema y los procedimientos de imágenes in vivo vivo / ex vivo se describe en este artículo.
Protocol
Representative Results
Discussion
En conclusión, hemos demostrado la posibilidad de no ionizantes PAC usando absorbentes ópticos no tóxicos en un modelo de rata in vivo. Hemos captado con éxito una vejiga de rata llenado con absorbentes ópticos utilizando nuestro sistema PAC no ionizante y no invasiva. Dos problemas de seguridad críticos se han resuelto en nuestro enfoque: (1) el uso de radiación ionizante para aplicaciones cistográficas y (2) no acumulación de agentes de contraste en el cuerpo.
Nuestro int…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado en parte por una subvención del programa de estudios piloto de la Universidad de Buffalo Centro de Investigación Clínica y Traslacional y el Consorcio traslacional Buffalo, una beca de la Fundación Roswell Park Alliance, los fondos de puesta en marcha de la Universidad de Buffalo, el Programa Creativo Consilience IT de MKE y NIPA (C1515-1121-0003) y la concesión de la NRF MEST (desde 2.012 hasta 0.009.249).
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).
