생물학적 설정에서 생성 및 관측 화학 발광위한 새로운 기술
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
최근 수십 년 동안, 이미징 기술은 의사들이 질병을 진단하고 모니터하는 방식을 혁명을 일으켰다. 이러한 영상 기술은, 그러나, 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영 (SPECT), 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 및 자기 공명 영상 (MRI) 등의 전신 이미징 시스템에 크게 제한되어왔다. 특별한주의를 암에 지불 된, 기술 이미징 혁신은 크게이 질병 진단 및 치료하는 방식을 개선했습니다. 수술실 이러한 발전에도 불구하고, 이러한 영상 기술 단지에 맞지 않는 한 곳이있다. 전신 이미징 기술 수술 계획에 도움을 줄 수 있지만, 그들은 일반적으로 종양 조직을 모두 제거되었거나 잔류 종양 조직을 절제 한 숨겨져 남아 있는지 의사 실시간으로 판별 할 충분히 높은 공간 해상도가 부족하다. 더 침윤성는 것을 확인종양 마진이 남긴 가장 중요한 수술의 목표 중 하나이며, 외과 의사는 엄격하고 신중 조직 절제술 사이에 꽉 밧줄을 걸어 가야한다. 지나치게 제거하면, 환자에게 부작용이 악화된다; 너무 작은이 제거 된 경우, 재발률은 3이 증가한다. 따라서, 정확한 종양 마진을 묘사하는 것이 중요하며, 우리는 화학 발광 수술 촬상 다르게 설정 기술에 들키지 않고 남아 있었다 악성 조직의 시각화 외과 도와서 종양 마진의 확인의 정확성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 믿는다.
현재 수술 이미징 시스템으로서의 가능한 유틸리티 조사되고 많은 영상 기술이있다. 이러한 β- 및 γ 방사선 방출 프로브 침 (4), 광 형광 5, 6 라만 분광법을 포함 </sup>, 7, Cherenkov 발광 8,9. 그러나 현재까지 이들 중 어느 것도 표준 임상 도구로 설정되지되고있다. 광 형광 이미징 지금까지 이들 기술 중 가장 유망한 것으로 입증 가장 탐구 그러므로있다. 이미 많은 애플리케이션을위한 유용한 도구로 도시되었지만, 한계가없는 것은 아니다. 실제로, 그 주요한 결점은 본질적 autofluorescent 생체 조직에 의해 생성되는 배경 형광이다. 이 배경 autofluorescent 신호는 형광 신호의 발생을 위해 필요한 외부 광원에 의해 상기 형광 물질 외에, 주변 조직의 여기의 산물이다. 실용적인 관점에서 볼 때,이 형광도 잠재적으로 수술실에서이 기술의 유용성을 제한 할 수있는 낮은 신호 대 잡음비를 초래할 수있다.
교장형광 이미징 위에 화학 발광 이미징의 장점은 여기 광이 필요 없다는 것이다. 그 결과, 배경 형광도 없다. 화학 발광 이미지에서, 여기 에너지 대신에 화학적으로 생성된다. 이 프로세스는 높은 신호대 잡음비가 발생할 수 있으므로 의도하지 않은 배경 신호를 생성하지 않고. 이것은 궁극적으로 절제의보다 정밀하고 정확한 검출 될 수 있습니다. 다소 놀랍게도, 수술 중 영상 기술로이 방법의 유용성은 10 미개척 남아있다. 사실,이 기술에 가장 가까운 예는 마우스 (11), (12, 13)에 마이 엘 로퍼 옥시 다제에 의한 루미놀의 산화이다. 하이와 로우 백그라운드 신호 발생 (1) 최소 자기 형광 : 화학 발광 바이오 메디컬 이미징은 다음과 같은 장점을 제공 할 수있는 연구 오히려 비경 영역 그러므로gher 신호대 잡음비; (2) 표시 상태에서 근적외선 범위 화학 발광 배출량 가변 파장; 및 (3), 링커 기술과 함께 이미 존재하는 생체 분자를 표적으로하는 경우 표적 분자 이미징 프로브 (14)의 전체 라이브러리에 대한 액세스를 제공 functionalizable 화학 발광 착체.
이 원리 증명 연구는 루테늄 계 조영제를 이용한 생의학 속에서 화학 발광 이미징의 전위 유틸리티를 나타낸다. 이 화합물의 화학 발광 특성은 물론 1960 년대 중반 15 거슬러 올라가는 조사와 연구한다. 화학 활성화되면, 에이전트는 의료 촬상 목적에 적합 약 600 nm의 빛 (16)을 생성한다. 활성화 에너지는 여기 상태 물 17 -foll 650 NS의 수명이 리드 산화 환원 반응에 의해 제공된다이 여기 상태의 완화에 광자의 생성에 의해 빚진. 특수하게 설계된 원격 분무기를 사용하여, 우리는 두 화합물이 생체 외 및 생체 내에서 검출 할 수 있었다. 초기 실험 결과는이 기술의 추가 조사를 제안 매우 유망하다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기서는 광학적 화학 발광 리포터에 의해 생성 된 광자의 방출을 통해 조직을 서술 할 수있는 기술을 제안 하였다. 다른 대조적으로, 더 많은 화학 발광이 리포터 시스템은 비 방사성 매우 높은 민감도 수준에서 검출을 용이하게하는 이미징 프로브를 이용하는, 기술, 4, 5, 6, 7, <…
Declarações
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 |
Referências
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