Hoge ruimtelijke resolutie chemische beeldvorming van implantaat-geassocieerde infecties met röntgen geëxciteerde luminescentie chemische beeldvorming door weefsel
Summary
Hier presenteren we een protocol voor optische detectie met hoge resolutie van chemische informatie rond geïmplanteerde medische apparaten met röntgen-geëxciteerde luminescentie chemische beeldvorming (XELCI). Deze nieuwe beeldvormingstechniek is ontwikkeld in ons laboratorium en maakt het mogelijk om implantaat-geassocieerde infectiebiochemie te bestuderen.
Abstract
Microbiële infecties geassocieerd met implanteerbare medische hulpmiddelen zijn een grote zorg bij het falen van de fractuurfixatie. Vroege diagnose van een dergelijke infectie zal een succesvolle uitroeiing met antibiotica mogelijk maken zonder extra kosten voor een tweede operatie. Hierin beschrijven we XELCI als een techniek met een hoge röntgenresolutie, implantaatspecificiteit en chemische gevoeligheid voor niet-invasieve chemische beeldconcentraties in de buurt van het oppervlak van geïmplanteerde medische hulpmiddelen. De apparaten zijn gecoat met chemisch rapporterende oppervlakken. Dit chemisch responsieve oppervlak bestaat uit twee lagen die zijn gecoat op een implanteerbaar medisch hulpmiddel; een pH-gevoelige laag (broomthymolblauw of broomcresolgroen opgenomen hydrogel) die is gecoat over een roodlichtgevende scintillator (Gd 2 O2S: Eu) laagvoor monitoring. Een gerichte röntgenstraal bestraalt een plek op het implantaat en het rode licht dat door de scintillator wordt gegenereerd (met pieken van 620 nm en 700 nm) wordt door de sensorlaag geleid, waardoor de spectrale verhouding afhankelijk van de pH verandert. Een beeld wordt gegenereerd door de röntgenstraal over het implantaat te scannen en de spectrale verhouding van het licht dat door het weefsel gaat punt voor punt te meten. We gebruikten deze beeldvormingstechniek voor het monitoren van implantaat-geassocieerde infecties eerder op het botoppervlak van het dijbeen met een gemodificeerde implanteerbare plaatsensor. Nu bestuderen we pH-veranderingen die optreden bij tibiale intramedullaire staafinfecties. Twee verschillende soorten intramedullaire staafontwerpen worden gebruikt in pre-pilot konijnenstudies, en we leerden dat de XELCI-techniek kan worden gebruikt om eventuele chemische veranderingen te volgen die niet alleen op het botoppervlak maar ook in het bot optreden. Dit maakt dus niet-invasieve, hoge ruimtelijke resolutie, lage achtergrond lokale pH-beeldvorming mogelijk om implantaat-geassocieerde infectiebiochemie te bestuderen.
Introduction
In de Verenigde Staten worden jaarlijks ongeveer 2 miljoen fractuurfixatieapparaten ingebracht en 5% -10% van hen leidt tot implantaatgerelateerde infecties1. Deze infecties zijn moeilijker te behandelen met antibiotica in latere stadia vanwege de heterogeniteit en antibioticaresistente aard van de biofilms 2,3. Als ze vroeg worden gediagnosticeerd, kunnen infecties worden behandeld met antibiotica en chirurgisch debridement om extra medische kosten te voorkomen voor een tweede operatie om hardware op de behandelde fractuurplaats te vervangen. Gewone radiografie en andere geavanceerde radiografische technieken worden toegepast bij de diagnose van orthopedische implantaat-geassocieerde infecties, niet-vakbonden en gerelateerde complicaties. Hoewel deze technieken vaak worden gebruikt om structurele informatie van het omliggende bot en weefsel bij het orthopedisch implantaat te verkrijgen, zijn ze niet in staat om biochemische informatie te verstrekken in de specifieke omgeving. Daarom ontwikkelden we een nieuwe X-ray excited luminescence chemical imaging (XELCI) techniek voor hoge resolutie beeldvorming van biochemische informatie niet-invasief op de implantaatplaats. Diagnose van orthopedische implantaat-geassocieerde infecties wordt vaak uitgevoerd door een of een combinatie van verschillende middelen. Klinische observaties (pijn, zwelling, roodheid, wondafscheiding, enz.) suggereren de eerste tekenen van infectie. Later worden radiologische en laboratoriumexperimenten uitgevoerd om het falen van de progressie van botgenezing te bevestigen en het pathogene organisme te identificeren 4,5. Nucleaire medische technieken zoals computertomografie (CT), magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en radionucleotidemethoden zoals Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) en Positron Emission Tomography (PET) zijn in gebruik voor een betere visualisatie van het geïnfecteerde implantaat en de bijbehorende infectie 6,7. CT en MRI zijn voordelig bij het bepalen van respectievelijk botnecrose en wekedelenafwijkingen, maar veroorzaken interferenties op korte afstand van de metalen implantaten8. Verschillende röntgenmethoden zoals SPECT en PET in combinatie met radio-isotoop-gelabelde analyten als in vivo beeldvormende contrastmiddelen worden op grote schaal gebruikt om implantaat-geassocieerde osteomyelitis2 te diagnosticeren. Huidige toepassingen combineren zowel gegevens van CT-scans als etiketteringsgegevens van SPECT of PET om anatomische informatie te genereren9. Hoewel een of meer van deze beeldvormingsmodaliteiten worden gebruikt om de diagnose van infecties te helpen, kunnen ze de pH-variaties die gepaard gaan met infectie niet vroegtijdig detecteren om de behandelingen met antibiotica te starten om extra medische en chirurgische kosten te voorkomen.
Het belangrijkste voordeel van het gebruik van het beeldvormingssysteem dat in deze studie wordt gebruikt voor het monitoren van implantaat-geassocieerde infecties is het vermogen om biochemische informatie over de biofilmmicro-omgeving te onthullen met een spectrale referentie. Hoewel de nadruk ligt op het in kaart brengen van de pH op de geïnfecteerde plaats, kan deze methode worden gewijzigd om andere biomarkers te controleren die specifiek zijn voor implantaat-geassocieerde infecties. XELCI maakt het dus mogelijk om de pathofysiologie van de infectie te begrijpen. De hoge ruimtelijke resolutie beeldvorming maakt het mogelijk om heterogeniteit in kaart te brengen naarmate de infectie groeit. pH aan het oppervlak waar de biofilmvorming plaatsvindt, is erg belangrijk voor het begrijpen van biochemische veranderingen. Ook kunnen andere micro-omgevingsveranderingen optreden als gevolg van antibiotica-gerelateerde stressreacties door bacteriën10,11. Door oppervlaktespecifieke en hoge ruimtelijke resolutie beeldvorming kan het antibiotische effect op de biofilm micro-omgeving worden gemonitord. De techniek kan ook worden gebruikt om de biofilmomgeving te bestuderen voor gerichte medicijnafgifte-experimenten. We kunnen gerichte lage pH-medicijnafgifte of het verhogen van de pH bestuderen om ze vatbaarder te maken voor werken bij een hogere pH.
Drie specifieke kenmerken van deze beeldvormingstechniek zijn röntgenresolutie, specificiteit van het implantaatoppervlak en chemische gevoeligheid (figuur 1A). Deze kenmerken kunnen worden vergeleken met de momenteel beschikbare beeldvormende technieken voor het afbeelden van orthopedische implantaatgerelateerde infecties (figuur 1B). Eenmaal bestraald met röntgenstralen, genereren fosfordeeltjes die op het implantaatoppervlak zijn gecoat rood en bijna-IR (NIR) licht dat door een paar centimeter weefsel kan dringen (zij het met enige verzwakking)12,13. Tabel 1 toont enkele van de kenmerken van het ontwikkelde beeldvormingssysteem in vergelijking met andere manieren die zijn gebruikt om de pH in biofilms of door weefsel te meten.
XELCI is een nieuwe beeldvormingstechniek om chemische informatie met een hoge ruimtelijke resolutie optisch te verkrijgen in de buurt van geïmplanteerde medische hulpmiddelen in combinatie met röntgenexcitatie, zoals weergegeven in figuur 2. Hier wordt gebruik gemaakt van de selectieve excitatie en optische detectie van röntgenprikkelbare fosfordeeltjes. Het implantaat is gecoat met twee lagen, een pH-gevoelige kleurstof opgenomen polymeerlaag over een laag scintillatordeeltjes. Zodra een reeks gefocusseerde röntgenstralen het implantaat bestraalt, genereert de scintillatorlaag zichtbaar licht (620 nm en 700 nm). Dit geproduceerde licht passeert de pH-gevoelige laag en moduleert het luminescentiespectrum afhankelijk van de pH van de omgeving. Lage pH wordt over het algemeen geassocieerd met infectie en biofilmvorming; naarmate de infectie vordert, verandert de pH van fysiologische pH (pH 7,2) naar zuur (minder dan pH 7) en verandert de pH-kleurstof in de sensor van kleur en dus absorptie. De variatie van het luminescentiespectrum is weergegeven in figuur 2E voor bromocresolgroene pH-kleurstof bij pH 7 en pH 4. Het doorgelaten licht door weefsel en bot wordt opgevangen en de spectrale verhouding bepaalt de pH. Om een pH-beeld te genereren, bestraalt de gefocusseerde röntgenbundel punt voor punt in de scintillatorfilm en scant de bundel punt voor punt over het monster. Eerder werd deze techniek toegepast op beeld-pH-variatie op het oppervlak van de orthopedische implantaten14,15 en hebben deze getest om pH-variaties in het intramedullaire kanaal door bot en weefsel te volgen.
Figuur 3 hieronder toont een schema van het beeldvormingssysteem. Basiscomponenten van het beeldvormingssysteem zijn de röntgenexcitatiebron met polycapillaire optiek, een acryllichtgeleider uit één stuk die verbinding maakt met twee fotomultiplicatorbuizen, de x-, y- en z-gemotoriseerde trap (30 cm x 15 cm x 6 cm veerweg) en de computer die is aangesloten voor gegevensverzameling. De röntgenbron, x,y,z-fase en verzameloptiek (elleboog, lichtgeleider, fotomultiplicatorbuizen (PMT’s)) bevinden zich in de röntgenbestendige behuizing, terwijl de röntgencontroller, stroombron voor PMT’s, functiegenerator aangesloten op het data-acquisitiebord (DAQ) en de computer buiten worden gehouden. Een drukknop, normaal gesproken open schakelaar, geplaatst tussen de behuizing en de voorkant van de deur dient als een vergrendeling. Als de deur niet volledig gesloten is (de vergrendelingsschakelaar is open), wordt de röntgenbron niet ingeschakeld en wordt de röntgenbron automatisch uitgeschakeld als deze tijdens het gebruik wordt geopend. De motoren kunnen een continue scan uitvoeren en kunnen naar elke discrete locatie worden verplaatst. De scansnelheid voor de y-as is meestal 1-5 mm /s, terwijl de stapgrootte op de x-as meestal kan worden gekozen van 150-2000 μm. De parameters kunnen worden gekozen afhankelijk van de vereiste ruimtelijke resolutie. Zelfs belichtingstijden worden bevestigd door een consistente snelheid gedurende een continue scan.
Zodra de gefocusseerde röntgenstraal is bestraald op de röntgenluminescentiedeeltjes, zal het gegenereerde licht door de pH-gevoelige film gaan door het licht te moduleren afhankelijk van de omringende pH. Het doorgelaten licht zal interageren (verstrooien en gedeeltelijk absorberen) met een weefsel, terwijl de lichtverzwakking door verstrooiing en absorptie zal toenemen naarmate de weefseldikte toeneemt. De collectieoptiek omvat een uit één stuk gespleten acryllichtgeleider uitgerust met een reflecterende aluminium elleboog (met een 90 ° bocht en een gepolijst reflecterend binnenoppervlak) aan het begin. Dit is om ervoor te zorgen dat het licht wordt gecollimeerd zodra het licht de lichtgeleider bereikt. Deze toevoegingen verbeterden de efficiëntie van de lichtopvang aanzienlijk. Voor meer details toont figuur 4 de machinetekeningen van de elleboog en de lichtgeleider. De 90° elleboog werd uit aluminium gefreesd met het interne oppervlak gepolijst tot een spiegelafwerking en de lichtgeleider werd bewerkt met acryl. We hebben ook een breed bereik long-pass blauw lichtfilter (dat 350-450 nm licht blokkeert) aan het begin van de elleboog bevestigd om ervoor te zorgen dat alleen rood licht doorlaat. Het uiteinde van de acryllichtgeleider uit één stuk splitst zich in twee stromen die leiden tot twee verschillende PMT’s. De PMT’s zijn ingesloten in een kleine lichtdichte metalen doos die in contact staat met een thermo-elektrische koeler om de PMT’s af te koelen tot ~5 °C. Aan het begin van een van de PMT’s is een langdoorlaatfilter met een smal bereik (dat 570-640 nm-licht blokkeert en 640-740 nm-licht passeert) bevestigd om alleen het 700 nm-licht te meten. Daarom kan het licht van 620 nm en 700 nm afzonderlijk worden berekend. De PMT’s zijn ingesteld in de fotonentelmodus en genereren transistor-transistorlogica (TTL) pulsen voor elk gedetecteerd foton. Een DAQ-systeem telt de pulsen (verzadigingspunt 20 miljoen pulsen per seconde) via USB-communicatie. Twee afzonderlijke intensiteitskaarten worden gegenereerd na het verwerken van de gegevens en een eindbeeld wordt gemaakt door rekening te houden met de verhouding tussen de signaalgolflengte-intensiteit (620 nm) en de referentiegolflengte-intensiteit (700 nm). Deze verhouding verklaart verschillen in totale lichtopvangefficiëntie, die sterk afhankelijk zijn van de positie van de verzameloptiek, de intensiteit van de röntgenstraling en de weefseldikte. Bovendien is een ruimtelijk gescheiden referentiegebied zonder pH-indicatorkleurstof verantwoordelijk voor spectrale vervorming door golflengteafhankelijke weefselpenetratie. Een grafische programmeertaal wordt gebruikt voor het besturen van het beeldvormingssysteem en een basisstroomdiagram van de bewerking wordt hieronder weergegeven. De beeldvormingsopstelling, met uitzondering van de computer, röntgencontroller en DAQ-eenheid, is ingesloten in een veilige röntgenbehuizing om blootstelling aan straling te minimaliseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Om orthopedische implantaat-geassocieerde infecties vroegtijdig te kunnen detecteren en bestuderen om complicaties van osteomyelitis en secundaire chirurgische procedures te voorkomen, hebben we XELCI geïntroduceerd als een nieuwe, functionele beeldvormingstechniek. Het is vergelijkbaar met de momenteel beschikbare technieken voor pH-monitoring via weefsel.
Tijdens het positioneren van het monster voor beeldvorming, gebruiken we een laserkruiskop verbonden met polycapillaire focusoptiek met t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Clemson University, COMSET en Clemson SC BioCRAFT bedanken. De XELCI-opstelling werd aanvankelijk ontwikkeld met fondsen van NSF CAREER CHE 12255535 en later door NIH NIAMS R01 AR070305-01.
Materials
| 90 degree elbow | Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA | ||
| Bromo Cresol Green | Sigma-Aldrich | 45ZW10 | |
| Bromo Thymol Blue | Sigma | 76-59-5 | |
| ElectraCOOL Advanced thermoelectric cool plate | Pollock industries, White River, VT, USA | TCP 50 | |
| Ethanol | Beantown Chemical, 9 Sagamore Park Road Hudson, NH 03051 |
64-17-5 | |
| Gadolinium Oxysulfide Europium doped (Gd2O2S:Eu) particles-~8.0 µm | Phosphor Technologies Inc., Stevenage, England | UKL63/N-R1 | |
| LabVIEW | National Instruments, Austin, TX | ||
| Motorized Linear Vertical Stage Model (for Z axis) | Motion Control, Smithtown, NY, USA | AT10-60 | |
| National instruments c-DAQ 9171 | National Instruments, Austin, TX | NI cDAQ™-9171 | |
| One piece acrylic light guide | Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA | ||
| pH 4 buffer | VWR BDH Chemicals | BDH5024 | |
| pH 8 buffer | VWR BDH Chemicals | BDH5060 | |
| Phosphate Buffer Solution | MP Biomedicals, Irvine, CA. USA | 2810305 | |
| Photo multiplier tubes Model P25PC-16 | SensTech, Surrey, UK | Model P25PC-16 | |
| Staphylococcus aureus subsp. aureus Rosenbach | American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA | ATCC 25923 | |
| Tryptic Soy Agar | Teknova, Hollister, CA, USA | T0520 | |
| Tryptic Soy Broth | EMD Millipore, Burlington, MA, USA | 1005255000 | |
| X-ray source-iMOXS | Institute for Scientific Instruments GmbH, Berlin, Germany | ||
| X,Y motorized stage-30 cm x 15 cm x 6 cm travel | Thorlabs Inc., Newton, NJ, USA | LTS300 and LTS150 |
References
- Arciola, C. R., Alvi, F. I., An, Y. H., Campoccia, D., Montanaro, L. Implant infection and infection resistant materials: A mini review. International Journal of Artificial Organs. 28 (11), 1119-1125 (2005).
- Renick, P., Tang, L., Li, B., Moriarty, T. F., Webster, T., Xing, M. Device-related infections. Racing for the Surface. , 171-188 (2020).
- Stewart, P. S., Franklin, M. J. Physiological heterogeneity in biofilms. Nature Reviews Microbiology. 6 (3), 199-210 (2008).
- Metsemakers, W. J., et al. Fracture-related infection: A consensus on definition from an international expert group. Injury. 49 (3), 505-510 (2018).
- Arciola, C. R., Campoccia, D., Montanaro, L. Implant infections: Adhesion, biofilm formation and immune evasion. Nature Reviews Microbiology. 16 (7), 397-409 (2018).
- Polvoy, I., Flavell, R. R., Rosenberg, O. S., Ohliger, M. A., Wilson, D. M. Nuclear Imaging of Bacterial Infection: The State of the Art and Future Directions. Journal of Nuclear Medicine. 61 (12), 1708-1716 (2020).
- vander Bruggen, W., Bleeker-Rovers, C. P., Boerman, O. C., Gotthardt, M., Oyen, W. J. G. PET and SPECT in Osteomyelitis and Prosthetic Bone and Joint Infections: A Systematic Review. Seminars in Nuclear Medicine. 40 (1), 3-15 (2010).
- Trampuz, A., Zimmerli, W. Diagnosis and Treatment of infections associated with fracture-fixation devices. Injury. 37 (2), 59-66 (2006).
- Ady, J., Fong, Y. Imaging for infection: From visualization of inflammation to visualization of microbes. Surgical Infections. 15 (6), 700-707 (2014).
- Truong-Bolduc, Q. C., et al. Implication of the NorB Efflux pump in the adaptation of Staphylococcus Aureus to growth at acid pH and in resistance to Moxifloxacin. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 55 (7), 3214-3219 (2011).
- Hengge-Aronis, R. Signal transduction and regulatory mechanisms involved in control of the σS (RpoS) subunit of RNA polymerase. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 66 (3), 373-395 (2002).
- Gao, R., Yan, D. Molecular phosphors for x-ray detection. Science Bulletin. 67 (10), 1015-1017 (2022).
- Gao, R., Fang, X., Yan, D. Recent developments in stimuli-responsive luminescent films. Journal of Materials Chemistry C. 7 (12), 3399-3412 (2019).
- Uzair, U., et al. Conformal coating of orthopedic plates with x-ray scintillators and ph indicators for x-ray excited luminescence chemical imaging through tissue. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (47), 52343-52353 (2020).
- Uzair, U., Benza, D., Behrend, C. J., Anker, J. N. Noninvasively imaging pH at the surface of implanted orthopedic devices with x-ray excited luminescence chemical imaging. ACS Sensors. 4 (9), 2367-2374 (2019).
- Begot, C., Desnier, I., Daudin, J. D., Labadie, J. C., Lebert, A. Recommendations for calculating growth parameters by optical density measurements. Journal of Microbiological Methods. 25 (3), 225-232 (1996).
- Giering, K., Minet, O., Lamprecht, I., Müller, G. Review of thermal properties of biological tissues. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. , 45-65 (1995).
- Hunter, R. C., Beveridge, T. J. Application of a pH-sensitive fluoroprobe (C-SNARF-4) for pH microenvironment analysis in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Applied and Environmental Microbiology. 71 (5), 2501-2510 (2005).
- Pogue, B. W., Leblond, F., Krishnaswamy, V., Paulsen, K. D. Radiologic and Near-Infrared/Optical Spectroscopic Imaging: Where Is the Synergy. American Journal of Roentgenology. 195 (2), 321-332 (2010).
- Ryan, S. G., et al. Imaging of X-ray-excited emissions from quantum dots and biological tissue in whole mouse. Scientific Reports. 9 (1), 19223 (2019).
- Yang, Y., Wang, K. -. Z., Yan, D. Ultralong persistent room temperature phosphorescence of metal coordination polymers exhibiting reversible pH-responsive emission. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (24), 15489-15496 (2016).
- Chen, H., Rogalski, M. M., Anker, J. N. Advances in functional X-ray imaging techniques and contrast agents. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (39), 13469 (2012).
- Allan, V. J. M., Macaskie, L. E., Callow, M. E. Development of a pH gradient within a biofilm is dependent upon the limiting nutrient. Biotechnology letters. 21 (5), 407-413 (1999).
- Wang, Z., Deng, H., Chen, L., Xiao, Y., Zhao, F. In situ measurements of dissolved oxygen, pH and redox potential of biocathode microenvironments using microelectrodes. Bioresource Technology. 132, 387-390 (2013).
- Xiao, Y., et al. In situ probing the effect of potentials on the microenvironment of heterotrophic denitrification biofilm with microelectrodes. Chemosphere. 93 (7), 1295-1130 (2013).
- Nakata, E., et al. A novel strategy to design latent ratiometric fluorescent pH probes Based on self-assembled SNARF derivatives. RSC Adv. 2014 (4), 348-357 (2014).
- Villano, D., et al. A fast multislice sequence for 3D MRI-CEST pH. Magnetic Resonance in Medicine. 85 (3), 1335-1349 (2021).
