Biyolojik ortamda oluşturuluyor ve Gözlem Kemilüminesans için Yeni Bir Teknik
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
Son yıllarda, görüntüleme teknolojileri doktorlar hastalığı teşhis ve monitör yol devrim var. Bu görüntüleme teknolojileri, ancak bu tür pozitron emisyon tomografisi (PET), tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT), bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi tüm vücut görüntüleme sistemleri, büyük ölçüde sınırlı olmuştur. Özellikle dikkat kanseri ödenmiştir ve teknolojik görüntüleme devrimler büyük ölçüde bu hastalığın teşhis ve tedavi edilir şekilde düzeldi. ameliyathane: Bu ilerlemelere rağmen, bu görüntüleme teknolojileri sadece uymaz bir yer var. Tüm vücut görüntüleme teknikleri, cerrahi planlamada yardımcı olabilir, bunlar genellikle tümör dokusunun tüm kaldırıldı veya artık tümör dokusu cerrahi sınırların 1'de gizli kalır olsun hekimler gerçek zamanlı olarak belirlemeye yardımcı olmak için yeterince yüksek uzaysal çözünürlük yoksundur. Hiçbir infiltratif emin yapmaTümör marjları geride en önemli cerrahi hedeflerinden biridir ve cerrahlar titiz ve tedbirli doku rezeksiyonu arasında sıkı-ip yürümek gerekir edilir. Çok fazla çıkarılırsa, hastada istenmeyen yan etkiler arttırılmış olur çok az kaldırılan ise, nüks oranları, 3 2 artmıştır. Nedenle, doğru tümör marjları tasvir için çok önemlidir ve biz kemilüminesan intraoperatif görüntüleme aksi kurulan teknikleri ile tespit edilmemiş kalabileceği malign doku görselleştirmek için cerrahlara yardımcı olarak tümör marjlarının belirlenmesi doğruluğunu geliştirmek için yardımcı olabilir inanıyoruz.
Şu anda intraoperatif görüntüleme sistemleri gibi olası yarar için araştırılan birçok görüntüleme teknolojileri vardır. Bu β- ve γ-radyasyon yayan sondalar 4, optik floresan 5, Raman spektroskopisi 6 dahil </sup>, 7 ve Cherenkov ışıma 8, 9. Ancak bugüne kadar, bunların hiçbiri, standart klinik araçlar olarak kullanılır hale gelmiştir. Optik floresan görüntüleme şimdiye kadar bu tekniklerin en umut verici olduğu kanıtlanmıştır ve en çok araştırdı nedenle etti. Zaten birçok uygulama için değerli bir araç olarak gösterilmiş olsa da, bu sınırlamalar olmadan değildir. Gerçekten de, asıl dezavantajı doğal autofluorescent biyolojik doku tarafından üretilen arka plan floresan olduğunu. Bu arka plan otofloresan sinyali, floresan sinyalinin üretimi için gerekli olan, harici bir ışık kaynağı tarafından, florofor ilave olarak, çevre doku uyarılmasının bir ürünüdür. Pratik açıdan bakıldığında, bu otofloresans potansiyel ameliyathanede bu teknolojinin faydasını sınırlayabilir düşük sinyal-gürültü oranları, yol açabilir.
Müdürfloresan görüntüleme üzerinden Kemiluminesan görüntüleme avantajı uyarma ışık gerekli olmasıdır. Bunun bir sonucu olarak, herhangi bir arka plan otofloresansı yoktur. Kemiluminesan görüntülemede, uyarma enerjisi yerine kimyasal oluşturulur. Bu işlem, daha yüksek bir sinyal-ses oranlarına neden olabilir, bu nedenle herhangi bir istenmeyen arka plan sinyali üretir ve. Bu sonuçta cerrahi sınırların daha hassas ve doğru algılama neden olabilir. Biraz şaşırtıcı bir ameliyat görüntüleme tekniği olarak bu yaklaşımın yarar 10 keşfedilmemiş kalmıştır. Gerçekten de, bu tekniğin en yakın örnek, farelerde 11, 12, 13, miyeloperoksidaz tarafından luminol oksitlenmesidir. merhaba ile düşük arka plan sinyali sonuçlanan (1) en az otofloresans: kemilüminesans biyomedikal görüntüleme aşağıdaki avantajları sunabilir araştırma oldukça keşfedilmemiş alan nedenleGher sinyal-gürültü oranları; (2) görünür gelen yakın-kızılötesi değişen kemilüminesan emisyonların ayarlanabilir dalga boyları; ve (3), bir bağlayıcı teknolojileri ile bir araya getirilmiş ve zaten mevcut biyomoleküllerin hedef olduğunda, hedef moleküler görüntüleme sondaları 14 tüm kütüphanelerin erişim sağlayan fonksiyonalitesine sahip kimyasal olarak ışık veren kompleksleri.
Bu proof-of-prensibi çalışma rutenyum tabanlı görüntüleme maddesi kullanarak biyomedikal ortamda kemilüminesan görüntülemenin potansiyel yarar göstermektedir. Bu bileşiğin kemilüminesan özellikleri iyi 1960'ların ortalarında 15 kadar uzanan araştırmaları ile incelenmiştir. Kimyasal aktivasyonu üzerine, madde, tıbbi görüntüleme amacıyla uygundur 600 nm 16 ° ışık üretir. Aktivasyon enerjisi uyarılmış durumda su 17 -foll 650 ns ömrü vardır yol açan bir redoks reaksiyonu sonucu elde edilenBu heyecanlı devletin gevşeme üzerine foton kuşağının borçlu. Bir özel tasarlanmış uzaktan nebulizatör kullanımı sayesinde, biz bileşik hem ex vivo ve in vivo tespit başardık. İlk deneylerin sonuçları bu teknolojinin daha fazla araştırılması düşündüren, oldukça ümit vericidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, optik kemilüminesan muhabir tarafından oluşturulan fotonların emisyon yoluyla doku ortaya koymaya yeteneğine sahip bir teknoloji sundu. Diğer aksine, daha bu kemilüminesans muhabir sistemi radyoaktif olmayan ve çok yüksek hassasiyet seviyelerinde tespitini kolaylaştırır bir görüntüleme probu istihdam, teknoloji 4, 5, 6, 7, 8,…
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
- 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).
