Новый метод для генерации и наблюдения хемилюминесценции в биологическом Окружение
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
В последние десятилетия технологии обработки изображений коренным образом, что врачи диагностику и мониторинг заболевания. Эти технологии обработки изображений, однако, были в значительной степени ограничены целыми системами визуализации тела, таких как позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), однофотонной-эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Особое внимание было уделено раку, и технологические прорывы визуализации значительно улучшили способ, которым это заболевание диагностируется и лечится. Несмотря на эти успехи, есть одно место, где эти технологии визуализации просто не подходят: операционный зал. В то время как методы визуализации всего тела может помочь в планировании хирургического, они , как правило , не имеют пространственного разрешения достаточно высоко , чтобы помочь врачам определить , в режиме реального времени , все ли ткань опухоли была удалена или остаточная опухолевая ткань остается скрытой в хирургических краев 1. Убедившись, что нет инфильтративныйОпухолевые поля остались позади является одним из наиболее важных хирургических целей, и хирурги должны пройти канату между строгой и осторожной резекции ткани. Если слишком много снимается, нежелательные побочные эффекты для пациента усугубляются; если слишком мало снимается, уровень рецидивов увеличивается 2, 3. Поэтому крайне важно, чтобы очертить точные опухолевые поля, и мы считаем, что Хемилюминесцентный интраоперационной визуализации может помочь повысить точность идентификации краев опухоли, помогая хирургам визуализировать злокачественные ткани, которые могли бы остаться незамеченными с установленными методами.
Есть много технологий визуализации в настоящее время изучается на предмет их возможного полезности в качестве интраоперационных систем визуализации. К ним относятся бета- и γ-излучения , излучающий зонды 4, оптическую флуоресценцию 5, спектроскопии комбинационного рассеяния света 6 </sup>, 7, и Черенкова люминесценции 8, 9. На сегодняшний день, однако, ни один из них не укоренились в качестве стандартных клинических инструментов. Оптическая флуоресцентных изображений до сих пор оказались наиболее перспективным из этих методов, и, следовательно, является наиболее изученным. В то время как уже было показано, что является ценным инструментом для многих приложений, это не без его ограничений. В самом деле, его основным недостатком является фоновой флуоресценции генерируется по своей сути autofluorescent биологической ткани. Этот сигнал фона autofluorescent является продуктом возбуждения окружающих тканей, в дополнение к флуорофора, внешним источником света, необходимого для генерации флуоресцентного сигнала. С практической точки зрения, это аутофлуоресценция потенциально может привести к низким отношением сигнал-шум коэффициентов, которые могут ограничить полезность этой технологии в операционной комнате.
ГлавныйПреимущество хемилюминесцентного визуализации над флуоресцентных изображений является то, что никакого света возбуждения не требуется. В результате, нет никакого фона аутофлуоресценция. В визуализации хемилюминесценции, энергия возбуждения генерируется вместо химически. Этот процесс не приводит к непреднамеренному фоновый сигнал, и, следовательно, может привести к более высоким соотношением сигнал-шум. Это в конечном счете может привести к более точной и точного обнаружения хирургического края. Несколько удивительно, полезность такого подхода в качестве интраоперационной метода визуализации остается неисследованным 10. В самом деле, ближайший пример для этого метода является окисление люминола по миелопероксидазы у мышей 11, 12, 13. Поэтому Хемилюминесцентный биомедицинской визуализации является довольно неизученной областью исследований, которые могли бы предложить следующие преимущества: (1) минимальное аутофлуоресценция что приводит к низкой фонового сигнала с приветGher сигнала к шуму; (2) перестраиваемые длины волн хемилюминесцентные выбросов в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного диапазона; и (3) модифицируемыми хемилюминесцентные комплексы , которые, в сочетании с компоновщика технологий и целевых биомолекул , которые уже существуют, предоставляют доступ к целым библиотекам целевых молекулярных зондов 14 изображений.
Это исследование проверка и подтверждение принципа действия иллюстрирует потенциальную полезность хемилюминесцентной визуализации в биомедицинской установке с использованием рутений на основе изображений агента. Хемилюминесцентный свойства этого соединения хорошо изучены, с исследованиями , начиная с середины 1960-х годов 15. После химической активации, агент производит свет на длине волны 600 нм около 16, который хорошо подходит для целей медицинской визуализации. Энергия активации обеспечивается окислительно – восстановительной реакции , которая приводит в возбужденное состояние-который имеет срок службы 650 нс в воде 17 -follпричитающиеся генерации фотонов при релаксации этого возбужденного состояния. Благодаря использованию специально разработанного дистанционного небулайзер, мы смогли обнаружить соединение , как экс виво и ин виво. Результаты первых экспериментов являются весьма перспективными, предполагая дальнейшее исследование этой технологии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы представили технологию, которая способна оптически очерчивания ткани с помощью излучения фотонов, созданных хемилюминесцентного репортером. В отличие от других, более установлено, технологии 4, 5, 6, 7, <…
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).
