En ny teknikk for generering og Observing Chemiluminescence i en biologisk Setting
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
I de siste tiårene, har bildeteknologi revolusjonert måten at leger diagnostisere og overvåke sykdommen. Disse bildeteknologier, derimot, har vært i stor grad begrenset til hele kroppen imaging-systemer, slik som positronemisjonstomografi (PET), singel foton-emisjon computertomografi (SPECT), computertomografi (CT) og magnetisk resonans imaging (MRI). Spesiell oppmerksomhet er betalt til kreft, og teknologiske bilde gjennombrudd har kraftig forbedret slik at denne sykdommen er diagnostisert og behandlet. Til tross for disse fremskrittene, er det ett sted hvor disse bildeteknologier bare ikke passer: operasjonsstuen. Mens hele kroppen imaging teknikker kan hjelpe i kirurgisk planlegging, de mangler vanligvis romlig oppløsning høye nok til å hjelpe leger avgjøre i sanntid om alle svulstvevet er fjernet eller resttumor vev forblir skjult ved de kirurgiske marginer 1. Å sørge for at ingen infiltrerendetumoravgrensninger er igjen er en av de viktigste kirurgiske mål, og kirurger må gå et stramt tau mellom streng og forsiktig vev reseksjon. Hvis for mye er fjernet, er uønskede bivirkninger for pasienten forverret; hvis for lite er fjernet, er gjentakelse priser økte med 2, 3. Derfor er det viktig å avgrense nøyaktig tumoravgrensninger, og vi tror at kjemiluminescens intraoperativ avbildning kan bidra til å forbedre nøyaktigheten av identifikasjon av tumormarginer ved å hjelpe kirurger å visual ondartet vev som ellers kunne forbli uoppdaget med etablerte teknikker.
Det er mange bildeteknologi for tiden under etterforskning for sin mulige verktøy som intrabildesystemer. Disse inkluderer p- og γ-stråling-utslipp sonder 4, optisk fluorescens 5, Raman-spektroskopi 6 </sup>, 7, og Cherenkov luminescens 8, 9. Til dags dato, men ingen av disse har etablert seg som standard kliniske verktøy. Optisk fluorescensavbildning har så langt vist seg å være den mest lovende av disse teknikkene, og er derfor den mest utforsket. Selv om det allerede har blitt vist seg å være et verdifullt verktøy for mange anvendelser, er det ikke uten sine begrensninger. Faktisk er dens viktigste ulempen bakgrunnen fluorescens som genereres av iboende autofluorescent biologisk vev. Denne bakgrunnen autofluorescent signal er et produkt av magnetiseringen av det omgivende vev, i tillegg til fluoroforen, ved ekstern lyskilde som er nødvendig for generering av et fluorescerende signal. Fra et praktisk perspektiv, kan dette autofluorescence potensielt føre til lave signal-til-støy-forhold, som kan begrense nytten av denne teknologien i operasjonssalen.
RektorFordelen med chemiluminescence bildebehandling i løpet av fluorescens bildebehandling er at ingen eksitasjon lys er nødvendig. Som et resultat, er det ingen bakgrunn autofluorescens. I kjemiluminescens avbildning, blir eksitasjonsenergien i stedet generert kjemisk. Denne prosessen gir ingen utilsiktet bakgrunnssignal og kan derfor resultere i høyere signal-til-støy-forhold. Dette kan til slutt føre til mer presis og nøyaktig påvisning av kirurgiske marginer. Noe overraskende har nytten av denne tilnærmingen som en intraoperativ avbildningsteknikk forble uutforsket 10. Faktisk er det nærmeste eksempel på denne teknikken er oksidasjon av luminol ved myeloperoxydase i mus 11, 12, 13. Kjemiluminescens biomedisinsk bildebehandling er derfor en ganske uutforsket område av forskning som kan gi følgende fordeler: (1) minimal autofluorescence resulterer i et lavt bakgrunnssignal med hiGher signal-til-støy-forhold; (2) avstembare bølgelengder av kjemiluminescens-utslipp som strekker seg fra det synlige til det nær-infrarøde; og (3) functionalizable kjemiluminescerende komplekser, som i kombinasjon med linker teknologi og målrettet biomolekyler som allerede finnes, gir tilgang til hele biblioteker av målrettede molekylær avbildning sonder 14.
Dette proof-of-prinsippet studien illustrerer den potensielle nytten av kjemiluminescens bildebehandling i biomedisinsk innstillingen med en ruthenium-baserte bilde agent. De kjemiluminescerende egenskapene til denne forbindelsen er godt studert, med undersøkelser dateres tilbake til midten av 1960-tallet 15. Ved kjemisk aktivering, produserer lys på rundt 600 nm 16, som er godt egnet for medisinske avbildningsformål midlet. Aktiveringsenergien er levert av en redoks-reaksjon som fører til en eksitert tilstand-, som har en levetid på 650 ns i vann 17 -follskyldte ved generering av fotoner på avslapning av denne opphisset tilstand. Gjennom bruk av et spesiallaget fjernforstøver, var vi i stand til å detektere forbindelsen både ex vivo og in vivo. Resultatene fra innledende forsøk er svært lovende, noe som tyder på videre undersøkelser av denne teknologien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her har vi presentert en teknologi som er i stand til optisk opptegning vev via emisjonen av fotoner som er opprettet av en kjemiluminescerende reporter. I motsetning til andre, mer etablerte teknologier 4, 5, 6, 7, 8, 9, dette kjemiluminescerende reporter systemet benytter en avbildning sonde som er ikke-radioaktivt og muli…
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 |
References
- Fong, Y., Giulianotti, P. C., Lewis, J., Koerkamp, B. G., Reiner, T. . Imaging and Visualization in The Modern Operating Room: A Comprehensive Guide for Physicians. , (2015).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nat. Rev. Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Weissleder, R., Pittet, M. J. Imaging in the era of molecular oncology. Nature. 452, 580-589 (2008).
- Heller, S., Zanzonico, P. Nuclear probes and intraoperative gamma cameras. Semin. Nucl. Med. 41 (3), 166-181 (2011).
- van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nat. Med. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Zavaleta, C. L., et al. A Raman-based endoscopic strategy for multiplexed molecular imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 110 (25), E2288-E2297 (2013).
- Harmsen, S., Bedics, M. A., Wall, M. A., Huang, R., Detty, M. R., Kircher, M. F. Rational design of a chalcogenopyrylium-based surface-enhanced resonance Raman scattering nanoprobe with attomolar sensitivity. Nat. Commun. 6, 1-9 (2015).
- Thorek, D. L., et al. Positron Lymphography: Multimodal, High-Resolution, Dynamic Mapping and Resection of Lymph Nodes After Intradermal Injection of 18F-FDG. Nucl. Med. 53 (9), 1438-1445 (2012).
- Thorek, D. L. J., Riedl, C. C., Grimm, J. Clinical Cerenkov Luminescence Imaging of 18F-FDG. Nucl. Med. 55 (1), 95-98 (2014).
- Gross, S., et al. Bioluminescence imaging of myeloperoxidase activity in vivo. Nat. Med. 15 (4), 455-461 (2009).
- Lee, J. -. J., White, A. G., Rice, D. R., Smith, B. D. In vivo imaging using polymeric nanoparticles stained with near-infrared chemiluminescent and fluorescent squaraine catenane endoperoxide. Chem. Commun. 49 (29), 3016-3018 (2013).
- Lee, D., et al. In vivo imaging of hydrogen peroxide with chemiluminescent nanoparticles. Nat. Mater. 6 (10), 765-769 (2007).
- Baumes, J. M., et al. thermally activated, near-infrared chemiluminescent dyes and dye-stained microparticles for optical imaging. Nat. Chem. 2 (12), 1025-1030 (2010).
- Siraj, N., et al. Fluorescence, Phosphorescence, and Chemiluminescence. Anal. Chem. 88 (1), 170-202 (2016).
- Hercules, D. M., Lytle, F. E. Chemiluminescence from Reduction Reactions. Am. Chem. Soc. 88 (20), 4745-4746 (1966).
- Kerr, E. Annihilation electrogenerated chemiluminescence of mixed metal chelates in solution: modulating emission colour by manipulating the energetics. Chem. Sci. 6, 472-479 (2015).
- Montalti, M., Credi, A., Prodi, L., Gandolfi, M. T. . Handbook of Photochemistry 3rd Ed. , 379-404 (2006).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rhodents. J. Vis. Exp. (65), e3564 (2012).
- Büchel, G. E., et al. Near-infrared intraoperative chemiluminescent imaging. ChemMedChem. , (2016).
- Ntziachristos, V., Ripoll, J., Wang, L. V., Weissleder, R. Looking and Listening to Light: the Evolution of Whole-Body Photonic Imaging. Nat. Biotechnol. 23, 313-320 (2005).
- Koch, J. H., Gyarfas, E. C., Dwyer, F. P. Biological Activity of Complex Ions Mechanism of Inhibition of Acetylcholinesterase. Austral. J. Biol. Sci. 9 (3), 371-381 (1956).
- Juris, A., Balzani, V., Barigelletti, F., Campagna, S., Belser, P., Zelewsky, A. V. Ru(II) polypyridine complexes: photophysics, photochemistry, electrochemistry, and chemiluminescence. Coord. Chem. Rev. 84, 85-277 (1988).
- Knoll, J. D., Turro, C. Control and utilization of ruthenium and rhodium metal complex excited states for photoactivated cancer therapy. Coord. Chem. Rev. 282, 110-126 (2015).
- Haley, T. J. Pharmacology and toxicology of the rare earth elements. J. Pharm. Sci. 54 (5), 663-670 (1965).
- Siekierski, S., Mioduski, T., Salomon, M. . IUPAC Commission on Solubility Data. Solubility Data Series. Vol 13. Scandium, Yttrium, Lanthanum, and Lanthanide Nitrates. , (1983).
- Reiner, T., Jantke, D., Marziale, A. N., Raba, A., Eppinger, J. Metal-Conjugated Affinity Labels: A New Concept to Create Enantioselective Artificial Metalloenzymes. ChemistryOpen. 2, 50-54 (2013).
- Zanarini, S., et al. Synthesis and Electrochemiluminescence of a Ru(bpy)3-Labeled Coupling Adduct Produced on a Self-Assembled Monolayer. J. Phys. Chem. C. 112 (8), 2949-2957 (2008).
- Liu, R., Lv, Y., Hou, X., Yang, L., Mester, Z. Protein Quantitation Using Ru-NHS Ester Tagging and Isotope Dilution High-Pressure Liquid Chromatography-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Determination. Anal. Chem. 84 (6), 2769-2775 (2012).
- Jantke, D., et al. Synthetic strategies for efficient conjugation of organometallic complexes with pendant protein reactive markers. J. Organomet. Chem. 744, 82-91 (2013).
- Aoki, Y., et al. An experimental xenograft mouse model of diffuse pontine glioma designed for therapeutic testing. J Neurooncol. 108 (1), 29-35 (2012).
- Forster, R. J., Bertoncello, P., Keyes, T. E. Electrogenerated Chemiluminescence. Annual Rev. Anal. Chem. 2, 359-385 (2009).
- Connell, T. U., James, J. L., White, A. R., Donnelly, P. S. Protein Labelling with Versatile Phosphorescent Metal Complexes for Live Cell Luminescence Imaging. Chem. Eur. J. 21 (40), 14146-14155 (2015).
- Zhou, X., et al. Synthesis, labeling and bioanalytical applications of a tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(II)-based electrochemiluminescence probe. Nat. Protoc. 9 (5), 1146-1159 (2014).
- Bœuf, G., et al. Encapsulated Ruthenium(II) Complexes in Biocompatible Poly(d,l-lactide-co-glycolide) Nanoparticles for Application in Photodynamic Therapy. ChemPlusChem. 79 (1), 171-180 (2014).
- Loizidou, M., Seifalian, A. M. Nanotechnology and its applications in surgery. Brit. J. Surgery. 97 (4), 463-465 (2010).
- Barry, N. P. E., Sadler, P. J. Challenges for Metals in Medicine: How Nanotechnology May Help To Shape the Future. ACS Nano. 7, 5654-5659 (2013).
- Hasan, K., Bansal, A. K., Samuel, I. D. W., Roldán-Carmona, C., Bolink, H. J., Zysman-Colman, E. Tuning the Emission of Cationic Iridium (III) Complexes Towards the Red Through Methoxy Substitution of the Cyclometalating Ligand. Nat.Sci. Rep. 5, 1-15 (2015).
- Truong, J., et al. Chemiluminescence detection with water-soluble iridium(III) complexes containing a sulfonate-functionalised ancillary ligand. Analyst. 139 (22), 6028-6035 (2014).
