एक जैविक सेटिंग में उत्पन्न और देख Chemiluminescence के लिए एक उपन्यास तकनीक
Summary
This protocol describes a new intraoperative imaging technique that uses a ruthenium complex as a source of chemiluminescent light emission, thereby producing high signal-to-noise ratios during in vivo imaging. Intraoperative imaging is an expanding field that could revolutionize the way that surgical procedures are performed.
Abstract
Intraoperative imaging techniques have the potential to make surgical interventions safer and more effective; for these reasons, such techniques are quickly moving into the operating room. Here, we present a new approach that utilizes a technique not yet explored for intraoperative imaging: chemiluminescent imaging. This method employs a ruthenium-based chemiluminescent reporter along with a custom-built nebulizing system to produce ex vivo or in vivo images with high signal-to-noise ratios. The ruthenium-based reporter produces light following exposure to an aqueous oxidizing solution and re-reduction within the surrounding tissue. This method has allowed us to detect reporter concentrations as low as 6.9 pmol/cm2. In this work, we present a visual guide to our proof-of-concept in vivo studies involving subdermal and intravenous injections in mice. The results suggest that this technology is a promising candidate for further preclinical research and might ultimately become a useful tool in the operating room.
Introduction
हाल के दशकों में, इमेजिंग तकनीक तरीका है कि चिकित्सकों का निदान और रोग की निगरानी में क्रांति ला दी है। ये इमेजिंग तकनीक, हालांकि, काफी हद तक इस तरह के पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी), एक फोटान उत्सर्जन गणना टोमोग्राफी (SPECT), गणना टोमोग्राफी (सीटी), और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के रूप में पूरे शरीर इमेजिंग सिस्टम, के लिए सीमित कर दिया गया है। विशेष रूप से ध्यान कैंसर के लिए भुगतान किया गया है, और तकनीकी इमेजिंग सफलताओं बहुत ही रास्ता है कि इस रोग का निदान और इलाज किया जाता है सुधार हुआ है। ऑपरेटिंग कमरे: इन अग्रिमों के बावजूद, वहाँ एक जगह है जहाँ इन इमेजिंग तकनीक अभी फिट नहीं है। पूरे शरीर इमेजिंग तकनीक शल्य योजना बनाने में मदद कर सकते हैं, वे आम तौर पर पर्याप्त उच्च मदद करने के लिए चिकित्सकों को वास्तविक समय में निर्धारित ट्यूमर के ऊतक के सभी हटा दिया गया है कि क्या है या अवशिष्ट ट्यूमर के ऊतक शल्य मार्जिन 1 पर छिपा रहता स्थानिक प्रस्तावों की कमी है। कोई infiltrative कि सुनिश्चित कर रही हैट्यूमर मार्जिन सबसे महत्वपूर्ण शल्य चिकित्सा के लक्ष्यों में से एक है पीछे छोड़ दिया जाता है, और सर्जनों कठोर और सतर्क ऊतक लकीर के बीच एक तंग रस्सी चलना चाहिए। अगर बहुत ज्यादा हटा दिया जाता है, रोगी के लिए अवांछित दुष्प्रभावों विकट हो जाती है; अगर बहुत छोटे से हटा दिया है, पुनरावृत्ति दर, 3 2 बढ़ रहे हैं। इसलिए, यह सही ट्यूमर मार्जिन चित्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है, और हमें विश्वास है कि chemiluminescent intraoperative इमेजिंग सर्जनों की मदद के घातक ऊतक है कि अन्यथा की स्थापना की तकनीक के साथ नहीं चल पाता रह सकता है कल्पना करने से ट्यूमर मार्जिन की पहचान की सटीकता में सुधार करने में मदद कर सकते हैं।
वहाँ कई इमेजिंग तकनीक वर्तमान में intraoperative इमेजिंग सिस्टम के रूप में उनके संभावित उपयोगिता के लिए जांच की जा रही हैं। ये β- और γ विकिरण उत्सर्जन जांच 4, ऑप्टिकल प्रतिदीप्ति 5, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी 6 शामिल </sup>, 7, और Cherenkov luminescence 8, 9। तिथि करने के लिए, हालांकि, इनमें से कोई भी मानक नैदानिक उपकरण के रूप में स्थापित हो गए हैं। ऑप्टिकल प्रतिदीप्ति इमेजिंग अब तक इन तकनीकों के सबसे होनहार साबित हो और इसलिए सबसे का पता लगाया है। हालांकि यह पहले से ही कई अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण होना दिखाया गया है, यह अपनी सीमाओं के बिना नहीं है। दरअसल, उसके प्रमुख दोष यह पृष्ठभूमि स्वाभाविक autofluorescent जैविक ऊतक द्वारा उत्पन्न प्रतिदीप्ति है। इस पृष्ठभूमि autofluorescent संकेत, fluorophore के अलावा, बाहरी प्रकाश स्रोत एक फ्लोरोसेंट संकेत की पीढ़ी के लिए जरूरत से आसपास के ऊतकों की उत्तेजना का एक उत्पाद है। एक व्यावहारिक दृष्टिकोण से, यह autofluorescence संभावित कम संकेत करने वाली शोर अनुपात, जो ऑपरेटिंग कमरे में इस तकनीक की उपयोगिता सीमित कर सकते हैं करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं।
प्रधानाचार्यप्रतिदीप्ति इमेजिंग पर chemiluminescence इमेजिंग का लाभ यह है कि कोई उत्तेजना प्रकाश आवश्यक है। एक परिणाम के रूप में, वहाँ कोई पृष्ठभूमि autofluorescence है। chemiluminescence इमेजिंग में, उत्तेजना ऊर्जा के बजाय रासायनिक उत्पन्न होता है। इस प्रक्रिया में कोई अनायास ही पृष्ठभूमि संकेत पैदा करता है और इसलिए उच्च संकेत करने वाली शोर अनुपात में परिणाम कर सकते हैं। यह अंततः शल्य मार्जिन के अधिक सटीक और सही पता लगाने में परिणाम सकता है। कुछ आश्चर्यजनक, एक intraoperative इमेजिंग तकनीक के रूप में इस दृष्टिकोण की उपयोगिता बेरोज़गार 10 रह गया है। दरअसल, इस तकनीक के लिए निकटतम उदाहरण myeloperoxidase द्वारा luminol के ऑक्सीकरण चूहों 11, 12, 13 में है। (1) कम से कम autofluorescence हाय के साथ एक कम पृष्ठभूमि संकेत है, जिसके परिणामस्वरूप: Chemiluminescent बायोमेडिकल इमेजिंग इसलिए अनुसंधान के बजाय एक बेरोज़गार क्षेत्र है कि निम्न लाभ की पेशकश कर सकता हैgher संकेत करने वाली शोर अनुपात; (2) chemiluminescent दिखाई से लगभग अवरक्त को लेकर उत्सर्जन की ट्यून करने योग्य तरंग दैर्ध्य; और (3) functionalizable chemiluminescent परिसरों कि, जब लिंकर प्रौद्योगिकियों के साथ संयुक्त और लक्षित biomolecules कि पहले से ही मौजूद हैं, आणविक इमेजिंग जांच 14 लक्षित के पूरे पुस्तकालयों के लिए पहुँच प्रदान करते हैं।
यह सबूत के सिद्धांत अध्ययन जैव चिकित्सा एक दयाता आधारित इमेजिंग एजेंट का उपयोग सेटिंग में chemiluminescent इमेजिंग की क्षमता उपयोगिता को दिखाता है। इस परिसर के chemiluminescent गुण अच्छी तरह से अध्ययन कर रहे हैं, 1960 के दशक के मध्य 15 में वापस डेटिंग जांच के साथ। रासायनिक सक्रियण पर, एजेंट लगभग 600 एनएम 16 में प्रकाश है, जो अच्छी तरह से मेडिकल इमेजिंग प्रयोजनों के लिए अनुकूल है पैदा करता है। सक्रियण ऊर्जा एक redox प्रतिक्रिया है कि एक उत्साहित राज्य के जो पानी 17 -foll में 650 एनएस की एक जीवन भर है की ओर जाता है द्वारा प्रदान की गई हैइस उत्साहित राज्य की छूट पर फोटॉनों की पीढ़ी के द्वारा होता था। एक विशेष रूप से डिजाइन दूरस्थ छिटकानेवाला के उपयोग के माध्यम से, हम यौगिक दोनों पूर्व vivo और इन विवो में पता लगाने के लिए सक्षम थे। प्रारंभिक प्रयोगों के परिणामों से बहुत ही होनहार हैं, इस तकनीक की आगे की जांच का सुझाव दे।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहाँ, हम एक तकनीक है कि ऑप्टिकली एक chemiluminescent रिपोर्टर द्वारा बनाई फोटॉनों के उत्सर्जन के माध्यम से ऊतक का वर्णन करने में सक्षम है प्रस्तुत किया है। अन्य के विपरीत, अधिक की स्थापना, प्रौद्योगिकी 4,</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Prof. Jan Grimm and Mr. Travis Shaffer for their helpful discussions and Mr. David Gregory for editing the manuscript. Technical services provided by the MSK Animal Imaging Core Facility, supported in part by NIH Cancer Center Support Grant P30CA008748-48, are gratefully acknowledged. The authors thank the NIH (K25 EB016673 and R21 CA191679, T.R. and 4R00CA178205-02, B.M.Z.), the MSK Center for Molecular Imaging and Nanotechnology (T.R.), the Tow Foundation (B.C.), and the National Science Foundation Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT 0965983 at Hunter College for B.C. and T.M.S.) for their generous support. The research reported in this publication was supported by funding from the King Abdullah University of Science and Technology.
Materials
| Wood part A (12.5×2.5×1.8 cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Wood part B (12.7×10.7×1.8cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Wood part C (11×2.5×1.8cm) | Woodcraft | 131404 | Cut from a 3/4” x 24” x 30” birch plywood sheet |
| Screws (4×25 mm) | Screwfix | 79939 | |
| Harmon Face Values 3oz mini sprayer | Bed, Bath and Beyond | ||
| stainless steel rod (10 cm of 1/16” steel) | Metals Depot Int. Inc. | 2192 | |
| Pencil Classic HB | Papermate | 58592 | |
| Paper clip | Office Depot | 221720 | |
| speaker cable | RCA Inc. | AH1650SN | |
| Energizer 9V alkaline battery | Energizer Holdings Inc. | EN22 | |
| Hitech HS-82MG Micro Servo Motor, 3.4kg/cm output torque @ 6V | Hitech RCD USA Inc. | 32082S | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 28 cm plastic cable ties | General Electric Inc. | 50725 | |
| Duct tape | 3M Inc. | 3939 | |
| littleBits w1 wire | littleBits Inc. | w1 wire | |
| littleBits p1 power | littleBits Inc. | p1 power | |
| littleBits i2 toggle switch | littleBits Inc. | i2 toggle switch | |
| littleBits 011 servo | littleBits Inc. | 011 servo | |
| 20 cm plastic covered wire twist ties | Four Star Plastics | 71TIE8000 | |
| Tris(2,2′-bipyridyl)dichlororuthenium(II) hexahydrate | Sigma-Aldrich Inc. | 224758 | |
| Ammonium cerium(IV) nitrate | Sigma-Aldrich Inc. | 22249 | |
| Isofluorane | Baxter Healthcare | 1001936060 | |
| PBS | Sigma-Aldrich | PBS1 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 2854 | |
| Triethylamine | Sigma-Aldrich Inc. | T0886 | |
| Water | Water was purified using a Milipore Mili-Q (R ≥ 18 MΩ) | ||
| Female nude (outbred) mice | Jackson Laboratories | 1929 | age 5 – 6 weeks |
| Strain C57BL/6J | |||
| NU/J male mice at | Jackson Laboratories | 2019 | age 6 – 8 weeks |
| IVIS 200 bioluminescence reader | Caliper Live Science | ||
| Live Image 4.2 software | Perkin-Elmer | 128165 | |
| Microscope slides | ThermoScientific | 4951PLUS4 |
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