Method Article

조직을 통한 X선 여기 발광 화학 이미징을 통한 임플란트 관련 감염의 높은 공간 분해능 화학 이미징

DOI:

10.3791/64252

⸱

September 30th, 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Clemson University, 2Department of Biological Sciences, Clemson University, 3Department of Bioengineering, Clemson University

In This Article

Summary

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여기에서는 X선 여기 발광 화학 이미징(XELCI)을 사용하여 이식된 의료 기기 주변의 화학 정보를 고분해능 광학 검출하기 위한 프로토콜을 제시합니다. 이 새로운 이미징 기술은 임플란트 관련 감염 생화학을 연구할 수 있는 실험실에서 개발되었습니다.

Abstract

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이식형 의료 기기와 관련된 미생물 감염은 골절 고정 실패의 주요 관심사입니다. 이러한 감염의 조기 진단은 두 번째 수술에 대한 추가 비용없이 항생제로 성공적으로 박멸 할 수 있습니다. 여기에서 XELCI는 높은 X선 해상도, 임플란트 특이성 및 이식된 의료 기기 표면 근처의 비침습적 이미지 화학 농도에 대한 화학적 민감성을 가진 기술로 설명합니다. 장치는 화학적으로 보고되는 표면으로 코팅되어 있습니다. 이 화학적으로 반응하는 표면은 이식 가능한 의료 기기에 코팅 된 두 개의 층으로 구성됩니다. 모니터링을 위해 적색 발광 섬광체(Gd2O2S:Eu) 층 위에 코팅되는 pH 민감성 층(브로모티몰 블루 또는 브로모크레졸 그린 혼입 하이드로겔)을 포함한다. 집속된 X선 빔이 임플란트의 한 지점을 조사하고 섬광체에서 생성된 적색광(620nm 및 700nm 피크 포함)이 감지층을 통과하여 pH에 따라 스펙트럼 비율이 변경됩니다. 임플란트를 가로질러 X선 빔을 스캔하고 조직을 통과하는 빛의 스펙트럼 비율을 점별로 측정하여 이미지를 생성합니다. 우리는 수정된 이식형 플레이트 센서로 이전에 대퇴골의 뼈 표면에서 임플란트 관련 감염을 모니터링하기 위해 이 이미징 기술을 사용했습니다. 이제 우리는 경골 골수내 막대 감염으로 인해 발생하는 pH 변화를 연구하고 있습니다. 파일럿 전 토끼 연구에는 두 가지 유형의 골수내 막대 디자인이 사용되었으며, XELCI 기술을 사용하여 뼈 표면뿐만 아니라 뼈 내부에서도 발생하는 화학적 변화를 모니터링할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 따라서 이를 통해 비침습적이고 높은 공간 분해능, 낮은 배경 국소 pH 이미징을 통해 임플란트 관련 감염 생화학을 연구할 수 있습니다.

Introduction

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미국에서는 매년 약 200만 개의 골절 고정 장치가 삽입되며, 그 중 5%-10%가 임플란트 관련 감염을 유발한다1. 이러한 감염은 생물막의 이질성과 항생제 내성 특성으로 인해 후기 단계에서 항생제로 치료하기가 더 어렵습니다 2,3. 조기에 진단되면 항생제와 외과적 괴사조직 제거술로 감염을 치료하여 치료된 골절 부위의 하드웨어를 교체하기 위한 두 번째 수술에 대한 추가 의료 비용을 방지할 수 있습니다. 일반 방사선 촬영 및 기타 고급 방사선 촬영 기술은 정형외과 임플란트 관련 감염, 불유합 및 관련 합병증의 진단에 적용됩니다. 이러한 기술은 정형외과 임플란트에서 주변 뼈와 조직의 구조적 정보를 획득하는 데 자주 사용되지만 특정 환경에서 생화학적 정보를 제공할 수 없습니다. 따라서 우리는 임플란트 부위에서 비침습적으로 생화학 정보를 고해상도 이미징하기 위한 새로운 X선 여기 발광 화학 이미징(XELCI) 기술을 개발했습니다. 정형 외과 임플란트 관련 감염의 진단은 일반적으로 하나 또는 다른 수단의 조합에 의해 수행됩니다. 임상 관찰 (통증, 부기, 발적, 상처 분비물 등)은 감염의 첫 징후를 시사합니다. 나중에, 뼈 치유 진행의 실패를 확인하고 병....

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Protocol

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이 절차는 Clemson University Institutional Animal Care and Use Committee(IACUC)에서 승인한 동물 사용 프로토콜을 따릅니다. 실험은 클렘슨 대학교 생물 안전위원회 (IBC) 및 방사선 안전위원회 (RSC)에 따라 관련 지침 및 규정에 따라 수행됩니다.

참고: XELCI 스캔을 완료하기 위한 흐름도는 아래 그림 5 에 나와 있으며 이미징 절차에 대한 자세한 단계별 설명이 나와 있습니다.

1. 시스템 초기화 및 일반 방사선 사진 획득

  1. PMT 쿨러를 켜면 일반적으로 설정값(예: 15°C)에 도달하는 데 ~4분이 걸립니다. PMT를 켜기 전에 나머지 초기화 단계를 수행합니다.
  2. 이미징 시스템 제어 소프트웨어를 엽니다. 제어 소프트웨어 프로그램은 x-y-z 축 전동 스테이지를 통신하고 초기화합니다. 스테이지 x축과 y축을 원하는 시작 위치로 이동합니다.
  3. 샘플을 이동식 x-y-z 스테이지에 놓습니다. 샘플 높이(z축)를 배치하여 방사선 발광 장치가 X선 소스 및/또는 스테이지를 올리거나 내려 다모세관 초점 광학 장치보....

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Results

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예비 연구로서, 우리는 토끼 사체14의 경골에서 골수내 막대 센서를 이미지화했습니다. 센서에는 기준 영역, pH 8 영역(염기성 pH) 및 pH 4 영역(산성 pH)의 세 가지 영역이 있습니다. 기준 영역은 거친 에폭시 필름에 통합된 섬광체(Gd 2 O2S:Eu) 입자입니다. 독특한 산성 및 염기성 pH 영역은 골수내관 내부의 감염 및 비감염 상황을 나타냅니다(그림 6A,B)14.

스캔을 완료한 후 각각 620nm, 700nm 및 비율(그림 7A-C)의 이미지를 MATLAB에서 생성했습니다. 색상의 변화는 pH의 변화를 나타냅니다. 염기성 pH 영역의 브로모티몰.......

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Discussion

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정형외과용 임플란트 관련 감염을 조기에 발견하고 연구하여 골수염 및 2차 수술로 인한 합병증을 예방할 수 있도록, XELCI를 새로운 기능적 영상 기술로 도입했습니다. 조직을 통한 pH 모니터링을 위해 현재 사용 가능한 기술과 비슷합니다.

이미징을 위해 샘플을 배치하는 동안 90° 각도로 교차하는 두 개의 선 모양 레이저 포인터가 있는 다모세관 초점 광학 장치에 연결된 레이저 크로스 헤드를 사용하여 그 아래에 엘보를 정확하게 정렬합니다. 이 레이저는 섬광체에서 생성된 빛 외에 감지기에 도달하는 원치 않는 빛을 제거하기 위해 스캔을 시작하기 전에 꺼야 합니다. 거리 측면에서 사용자는 실험을 시작하기 전에 초점 광학 장치의 끝에서 샘플 상단까지의 거리를 약 5-5.5cm로 측정합니다. 이것은 X선 소스를 수동으로 올리거나 스테이지를 위아래로 움직여 달성할 수 있습니다. 동물을 마취시키고 이소플루란 가스관을 작동시켜 잠들었다고 말하는 것을 제외하고는 살아있는 동물이나 조직을 통한 측정.......

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Disclosures

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저자는 이해 상충이 없다고 주장합니다.

Acknowledgements

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저자는 Clemson University, COMSET 및 Clemson SC BioCRAFT에 감사드립니다. XELCI 설정은 처음에 NSF CAREER CHE 12255535의 자금으로 개발되었으며 이후 NIH NIAMS R01 AR070305-01에서 개발되었습니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
90도 엘보우Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine, CA
Bromo Cresol GreenSigma-Aldrich45ZW10
Bromo Thymol BlueSigma76-59-5
ElectraCOOL Advanced thermoelectric cool platePollock industries, White River, VT, USATCP 50
에탄올Beantown Chemical, 9 Sagamore Park Road
Hudson, NH 03051		64-17-5
가돌리늄 옥시설파이드 유로퓸 도핑(Gd2O2S:Eu) 입자-~8.0 &마이크로; mPhosphor Technologies Inc., Stevenage, EnglandUKL63/N-R1
LabVIEW National Instruments, Austin, TX
Motorized Linear Vertical Stage Model (for Z axis)모션 컨트롤, Smithtown, NY, USAAT10-60
National instruments c-DAQ 9171National Instruments, Austin, TXNI cDAQ™-9171
원피스 아크릴 광 가이드Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine, CA
pH 4 버퍼VWR BDH 화학 물질BDH5024
pH 8 버퍼VWR BDH 화학 물질BDH5060
인산염 버퍼 용액MP Biomedicals, Irvine, CA. USA2810305
사진 승수 튜브 모델 P25PC-16SensTech, Surrey, UK모델 P25PC-16
Staphylococcus aureus subsp. aureus RosenbachAmerican Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VAATCC 25923
Tryptic Soy AgarTeknova, Hollister, CA, USA  T0520
Tryptic soy BrothEMD Millipore, Burlington, MA, USA1005255000
X-ray source-iMOXSInstitute for Scientific Instruments GmbH, Berlin, Germany
X,Y 전동 스테이지-30 cm x 15 cm x 6 cm travelThorlabs Inc., Newton, NJ, USALTS300 및 LTS150

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Renick, P., Tang, L. Device-related infections. Racing for the Surface. Li, B., Moriarty,....

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