Tomografia optoacustica multispettrale per l'imaging funzionale nella ricerca vascolare

Summary

Il presente protocollo descrive l’acquisizione di immagini optoacustiche multispettrali di vascolarizzazione cutanea umana in vivo . Questi includono la quantificazione dell’emoglobina e della melanina, considerati cromofori di interesse per l’analisi funzionale.

Abstract

La compromissione del microcircolo è stata riconosciuta in vari processi patologici, alla base di questo tema crescente all’interno della ricerca vascolare. Negli ultimi anni, lo sviluppo di sistemi di live imaging ha impostato il ritmo (analitico) sia nella ricerca di base che clinica, con l’obiettivo di creare nuovi strumenti in grado di fornire endpoint quantificabili in tempo reale con interesse clinico e applicazione. La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), la tomografia ad emissione di positroni (PET), la tomografia computerizzata (CT) e la risonanza magnetica (MRI) sono disponibili, tra le altre tecniche, ma costo, risoluzione dell’immagine e contrasto ridotto sono riconosciuti come sfide comuni. La tomografia optoacustica (OT) offre una nuova prospettiva sull’imaging funzionale vascolare, combinando capacità di assorbimento ottico e risoluzione spaziale all’avanguardia (dalla risoluzione acustica micrometrica alla risoluzione acustica millimetrica) con la profondità del tessuto. In questo studio, abbiamo testato l’applicabilità della tomografia optoacustica multispettrale (MSOT) per l’imaging funzionale. Il sistema utilizza un oscillatore ottico parametrico sintonizzabile (OPO) pompato da un laser Nd: YAG, che fornisce impulsi di eccitazione rilevati da una sonda 3D a lunghezze d’onda da 680 nm a 980 nm. Le immagini ottenute dall’avambraccio umano sono state ricostruite attraverso uno specifico algoritmo (fornito all’interno del software del produttore) basato sulla risposta di specifici cromofori. L’emoglobina ossigenata massima (Max HbO 2) e l’emoglobina deossigenata (Max Hb), l’emoglobina totale (HbT) e la saturazione media di ossigeno (mSO₂) alla densità vascolare (μVu), le distanze medie interunitarie (ζAd) e il volume ematico capillare (mm³) possono essere misurati utilizzando questo sistema. Il potenziale di applicabilità trovato con questo sistema OT è rilevante. Gli sviluppi software in corso miglioreranno sicuramente l’utilità di questo sistema di imaging.

Introduction

Le malattie cardiovascolari sono le principali cause ricorrenti di morte in tutto il mondo e rappresentano un onere enorme per qualsiasi sistema sanitario ^1,2. La tecnologia ha contribuito in modo determinante all’espansione della nostra comprensione della fisiopatologia cardiaca e vascolare fondamentale, fornendo strumenti diagnostici più precisi e la possibilità di una diagnosi precoce della malattia e di una gestione più efficace. Le tecniche di imaging offrono la possibilità di misurare non solo le prestazioni cardiache e dei vasi maggiori, ma anche, su scala molto più piccola, di calcolare la densità capillare, la perfusione locale e il volume e la disfunzione endoteliale, tra le altre caratteristiche. Queste tecnologie hanno offerto le prime intuizioni quantitative sulla biologia vascolare con applicazione clinica diretta. I cambiamenti nella densità capillare, la riduzione della perfusione locale o l’occlusione corrispondono probabilmente a una condizione ischemica, che aiuta a spiegare il ruolo crescente dell’imaging, diventando uno strumento indispensabile nella ricerca e nella pratica cardiovascolare ^3,4,5.

Negli ultimi anni, l’imaging funzionale ha costantemente dettato il passo nell’innovazione tecnologica, con la spettroscopia a ultrasuoni (US) nel vicino infrarosso (NIRS), la tomografia ad emissione di positroni (PET), la tomografia computerizzata (CT) e la risonanza magnetica (MRI) come alcuni esempi ben noti. Tuttavia, molteplici preoccupazioni limitano la loro applicazione, dal costo e dalla sicurezza del paziente (nonché dal comfort) al contrasto dell’immagine e alla risoluzione ^6,7. La tomografia optoacustica (OT) è recentemente emersa come una nuova direzione nella ricerca vascolare basata sull’ottica. Questa tecnologia, incentrata sulla rilevazione di onde ultrasoniche generate dall’espansione termoelastica del tessuto impattato con impulsi laser ultracorti, è nota da tempo ^6,8. Questa reazione fisica di sviluppo del calore e di espansione tissutale evoca un segnale acustico rilevato da un trasduttore ad ultrasuoni. L’uso di impulsi di luce dal visibile al vicino infrarosso e l’assenza di un segnale acustico di fondo favoriscono la profondità di risoluzione. Il contrasto rilevato deriva dai cromofori più importanti presenti (emoglobina o melanina). Rispetto ad altre tecnologie, OT ha i vantaggi di (1) non aver bisogno di contrasto (imaging label-free), (2) contrasto e risoluzione migliori con meno artefatti rispetto all’ecografia e (3) prezzo inferiore e acquisizione più rapida e facilità d’uso 6,9,10,11.

La tomografia optoacustica multispettrale (MSOT) è tra gli strumenti OT di più recente generazione. Costruita con un oscillatore parametrico ottico sintonizzabile (OPO) pompato da un laser Nd: YAG che fornisce impulsi di eccitazione, un’immagine 3D viene acquisita da segnali risolti nel tempo rilevati da impulsi di eccitazione ultrasonica ad alta frequenza a lunghezze d’onda da 680 nm a 980 nm con una frequenza di ripetizione fino a 50 Hz¹². La piattaforma di imaging optoacustico fornisce la quantificazione di diversi cromofori in profondità (fino a 15 mm). Variabili come HbO₂, Hb e melanina sono facilmente accessibili. Sono disponibili anche altre variabili di interesse, come l’emoglobina ossigenata massimale (Max HbO₂) e l’emoglobina deossigenata (Max Hb). Gli algoritmi di ricostruzione del software del produttore consentono il calcolo di altre variabili come la densità vascolare (μVu), la distanza media tra unità (ζAd) e il volume capillare (mm³).

Il presente studio esplora gli aspetti operativi essenziali di questo nuovo sistema per comprendere meglio i suoi aspetti pratici e le potenziali applicazioni nella ricerca preclinica cardiovascolare.

Protocol

Il protocollo sperimentale è stato precedentemente approvato dal Comitato Etico della Scuola di Scienze della Salute dell’Università (EC. ECTS/P10.21). Procedure pienamente rispettate dei principi di buona pratica clinica definiti per la ricerca sull’uomo13. Un campione conveniente di sei partecipanti sani di entrambi i sessi (n = 3 per sesso) con un’età media di 32,8 ± 11,9 anni è stato scelto dalla comunità universitaria. I partecipanti selezionati dovevano essere normotensi, non fumatori …

Representative Results

I dati forniti dall’imaging optoacustico possono essere analizzati in immagini di esportazione post-elaborate (Figura 2) e dati tracciati (Figura 3). Lo scopo qui era quello di introdurre il funzionamento dell’imaging funzionale optoacustico e di esplorare la sua applicazione nella ricerca vascolare più comunemente conosciuta. Per questo, abbiamo confrontato le immagini acquisite durante il riposo e dopo un’occlusione di 200 mmHg di un’arteria principale di ali…

Discussion

Questo protocollo enfatizza le fasi di lavoro considerate come requisiti pratici per il funzionamento di questo nuovo strumento di imaging optoacustico, dal posizionamento adeguato (partecipante, sonda) necessario per la stabilizzazione della sonda a tazza 3D all’acquisizione delle immagini, alla selezione del ROI e alla ricostruzione e analisi delle immagini.

L’approccio sperimentale proposto, utilizzando acquisizioni “istantanee” insieme a immagini ottenute in condizioni dinamiche, illustra …

Materials

Cuff	PIC	107001
Drapes	Pajunk	021151-1501
Ethanol 70%	Sigma Aldrich	EX0281
Gogless	Univet	559G.00.00.201
Kimwipes	Amoos	5601856202331.00
MSOT	iThera	MSOTAcuity
Stabilizing arm	ITEM		Self designed and assemble
Ultrasound gel	Parker Laboratories	308
Waxing cream	Veet	kkdg08hagd