Химическая визуализация имплантационно-ассоциированных инфекций с высоким пространственным разрешением с помощью рентгеновской люминесценции через ткани
Summary
Здесь мы представляем протокол оптического обнаружения химической информации с высоким разрешением вокруг имплантированных медицинских устройств с помощью химической визуализации с возбужденной рентгеновской люминесценцией (XELCI). Этот новый метод визуализации разработан в нашей лаборатории, что позволяет изучать биохимию инфекции, связанной с имплантатом.
Abstract
Микробные инфекции, связанные с имплантируемыми медицинскими устройствами, являются серьезной проблемой при неудачной фиксации перелома. Ранняя диагностика такой инфекции позволит успешно провести эрадикацию антибиотиками без дополнительных затрат на повторную операцию. Здесь мы описываем XELCI как метод с высоким рентгеновским разрешением, специфичностью имплантата и химической чувствительностью к неинвазивным изображениям химических концентраций вблизи поверхности имплантированных медицинских устройств. Приборы покрыты химически отчетными поверхностями. Эта химически чувствительная поверхность состоит из двух слоев, нанесенных на имплантируемое медицинское устройство; pH-чувствительный слой (бромтимоловый синий или бромкрезоловый зеленый включенный гидрогель), который наносится поверх сцинтиллятора, излучающего красный свет (Gd 2O2S: Eu) для мониторинга. Сфокусированный рентгеновский луч облучает пятно на имплантате, и красный свет, генерируемый сцинтиллятором (с пиками 620 нм и 700 нм), проходит через чувствительный слой, который изменяет спектральное соотношение в зависимости от pH. Изображение генерируется путем сканирования рентгеновского луча через имплантат и измерения спектрального соотношения света, проходящего через ткань точка за тканями. Мы использовали этот метод визуализации для мониторинга инфекций, связанных с имплантатом, ранее на костной поверхности бедренной кости с помощью модифицированного имплантируемого пластинчатого датчика. Теперь мы изучаем изменения рН, которые происходят при интрамедуллярных стержневых инфекциях большеберцовой кости. Два различных типа конструкций интрамедуллярных стержней используются в предварительных исследованиях кроликов, и мы узнали, что метод XELCI может быть использован для мониторинга любых химических изменений, которые происходят не только на поверхности кости, но и внутри кости. Таким образом, это позволяет проводить неинвазивную визуализацию с высоким пространственным разрешением и низким фоновым локальным рН для изучения биохимии инфекции, связанной с имплантатом.
Introduction
В Соединенных Штатах ежегодно вводится около 2 миллионов устройств для фиксации переломов, и 5-10% из них приводят к инфекциям, связанным с имплантатом1. Эти инфекции труднее лечить антибиотиками на более поздних стадиях из-за гетерогенности и антибиотикорезистентности биопленок 2,3. Если они диагностированы на ранней стадии, инфекции можно лечить антибиотиками и хирургической обработкой, чтобы предотвратить дополнительные медицинские расходы на вторую операцию по замене оборудования в месте обработанного перелома. Простая рентгенография и другие передовые рентгенографические методы применяются в диагностике ортопедических инфекций, связанных с имплантатом, несращений и связанных с ними осложнений. Хотя эти методы часто используются для получения структурной информации об окружающей кости и ткани на ортопедическом имплантате, они не могут предоставить биохимическую информацию в конкретной среде. Таким образом, мы разработали новый метод химической визуализации рентгеновской люминесценции (XELCI) для неинвазивной визуализации биохимической информации с высоким разрешением в месте имплантации. Диагностика ортопедических инфекций, связанных с имплантацией, обычно проводится одним или комбинацией различных средств. Клинические наблюдения (боль, отек, покраснение, раневые выделения и т.д.) позволяют предположить первые признаки инфекции. В дальнейшем проводятся рентгенологические и лабораторные эксперименты для подтверждения недостаточности прогрессирования заживления костей и выявления патогенного организма 4,5. Ядерные медицинские методы, такие как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и радионуклеотидные методы, такие как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), используются для лучшей визуализации инфицированного имплантата и связанной с ним инфекции 6,7. КТ и МРТ выгодны для определения некроза кости и аномалий мягких тканей соответственно, но вызывают помехи на близком расстоянии от металлических имплантатов8. Для диагностики имплантационного остеомиелита2 широко используются различные рентгеновские методики, такие как ОФЭКТ и ПЭТ, в сочетании с меченными радиоизотопами аналитами, а также контрастными веществами in vivo. Современные приложения объединяют как данные компьютерной томографии, так и данные маркировки из ОФЭКТ или ПЭТ для получения анатомической информации9. Хотя один или несколько из этих методов визуализации используются для диагностики инфекции, они не могут обнаружить изменения pH, связанные с инфекцией, на ранней стадии, чтобы начать лечение антибиотиками, чтобы избежать дополнительных медицинских и хирургических расходов.
Основным преимуществом использования системы визуализации, используемой в этом исследовании для мониторинга инфекций, связанных с имплантатом, является ее способность раскрывать биохимическую информацию о микроокружении биопленки со спектральной привязкой. Несмотря на то, что основное внимание уделяется визуализации и картированию рН в инфицированном участке, этот метод может быть изменен для мониторинга других биомаркеров, специфичных для инфекций, связанных с имплантатом. Таким образом, XELCI позволяет понять патофизиологию инфекции. Визуализация с высоким пространственным разрешением позволяет картировать гетерогенность по мере роста инфекции. pH на поверхности, где происходит образование биопленки, очень важен для понимания биохимических изменений. Кроме того, другие изменения микроокружения могут происходить из-за стрессовых реакций бактерий, связанных с антибиотиками10,11. Благодаря поверхностно-специфической визуализации и визуализации с высоким пространственным разрешением можно контролировать влияние антибиотиков на микроокружение биопленки. Методика также может быть использована для изучения среды биопленки для проведения экспериментов по таргетной доставке лекарств. Мы можем изучить целевое высвобождение лекарств с низким рН или повышение рН, чтобы сделать их более восприимчивыми к работе при более высоком рН.
Тремя специфическими характеристиками этого метода визуализации являются рентгеновское разрешение, специфичность поверхности имплантата и химическая чувствительность (рис. 1A). Эти характеристики можно сравнить с доступными в настоящее время методами визуализации для визуализации инфекций, связанных с ортопедическими имплантатами (рис. 1B). После облучения рентгеновскими лучами частицы люминофора, нанесенные на поверхность имплантата, генерируют красный и ближний инфракрасный (NIR) свет, который может проникать через несколько сантиметров ткани (хотя и с некоторым ослаблением)12,13. В таблице 1 показаны некоторые особенности разработанной системы визуализации по сравнению с другими способами, которые использовались для измерения рН в биопленках или через ткани.
XELCI — это новый метод визуализации для оптического получения химической информации с высоким пространственным разрешением вблизи имплантированных медицинских устройств в сочетании с возбуждением рентгеновского излучения, как показано на рисунке 2. Здесь используется селективное возбуждение и оптическое детектирование рентгеновских возбудимых люминофорных частиц. Имплантат покрыт двумя слоями, полимерным слоем, включенным в pH-чувствительный краситель, поверх слоя сцинтилляторных частиц. После того, как последовательность сфокусированных рентгеновских лучей облучает имплантат, сцинтилляторный слой генерирует видимый свет (620 нм и 700 нм). Полученный свет проходит через pH-чувствительный слой, модулируя спектр люминесценции в зависимости от pH окружающей среды. Низкий рН обычно связан с инфекцией и образованием биопленки; по мере прогрессирования инфекции рН изменяется от физиологического рН (рН 7,2) до кислого (менее рН 7), а краситель рН в датчике меняет цвет и, следовательно, абсорбцию. Изменение спектра люминесценции показано на рисунке 2E для зеленого красителя рН бромкрезола при рН 7 и рН 4. Проходящий свет через ткани и кости собирается, и спектральное соотношение определяет pH. Чтобы получить рН-изображение, сфокусированный рентгеновский пучок облучает точку за раз в сцинтилляторной пленке и сканирует пучок точка за точкой по образцу. Ранее этот метод применяли для визуализации изменения рН на поверхности ортопедических имплантатов14,15 и тестировали его для мониторинга изменений рН в интрамедуллярном канале через кость и ткани.
На рисунке 3 ниже показана схема системы визуализации. Основными компонентами системы визуализации являются источник возбуждения рентгеновского излучения с поликапиллярной оптикой, цельный акриловый световод, подключаемый к двум фотоумножителям, моторизованный столик X, Y и Z (ход 30 см x 15 см x 6 см) и компьютер, подключенный для сбора данных. Источник рентгеновского излучения, столик x, y, z и собирающая оптика (колено, световод, фотоэлектронные умножители (ФЭУ)) находятся в рентгенонепроницаемом корпусе, в то время как рентгеновский контроллер, источник питания для ФЭУ, генератор функций, подключенный к плате сбора данных (DAQ) и компьютер, находятся снаружи. Кнопочный, нормально разомкнутый выключатель, расположенный между корпусом и передней частью двери, служит блокировкой. Если дверца закрыта не полностью (переключатель блокировки открыт), источник рентгеновского излучения не включится, и он автоматически выключит источник рентгеновского излучения, если он будет открыт во время работы. Двигатели могут выполнять непрерывное сканирование, а также их можно перемещать в любое дискретное место. Скорость сканирования по оси Y обычно составляет 1-5 мм/с, в то время как размер шага по оси X обычно можно выбрать от 150 до 2000 мкм. Параметры могут быть выбраны в зависимости от требуемого пространственного разрешения. Равномерное время экспозиции подтверждается постоянной скоростью на протяжении всего непрерывного сканирования.
После того, как сфокусированный рентгеновский пучок облучается на частицы рентгеновской люминесценции, генерируемый свет будет проходить через pH-чувствительную пленку, модулируя свет в зависимости от окружающего pH. Проходящий свет будет взаимодействовать (рассеиваться и частично поглощать) с тканью, в то время как ослабление света за счет рассеяния и поглощения будет увеличиваться по мере увеличения толщины ткани. Оптика коллекции включает в себя цельный раздвоенный акриловый световод с отражающим алюминиевым локтем (с изгибом на 90° и полированной отражающей внутренней поверхностью) в начале. Это необходимо для того, чтобы свет коллимировался, как только свет достигает световода. Эти дополнения значительно повысили эффективность сбора света. Для получения дополнительной информации на рисунке 4 показаны машинные чертежи локтя и световода. Колено под углом 90° было изготовлено из алюминия, внутренняя поверхность отполирована до зеркального блеска, а световод обработан акрилом. Мы также прикрепили фильтр синего света широкого диапазона длинных частот (блокирующий свет 350-450 нм) в начале локтя, чтобы гарантировать, что через него будет проходить только красный свет. Конец цельного акрилового световода раздваивается на два потока, ведущих к двум разным ФЭУ. ФЭУ заключены в небольшую светонепроницаемую металлическую коробку, которая контактирует с термоэлектрическим охладителем для охлаждения ФЭУ до ~5 °C. В начале одного из ФЭУ прикреплен фильтр длинных частот узкого диапазона (блокирующий свет 570-640 нм и пропускающий свет 640-740 нм) для измерения только света 700 нм. Таким образом, свет 620 нм и 700 нм можно рассчитать отдельно. ФЭУ настроены в режиме подсчета фотонов и генерируют транзисторно-транзисторные логические (TTL) импульсы для каждого обнаруженного фотона. Система сбора данных подсчитывает импульсы (точка насыщения 20 миллионов импульсов в секунду) с помощью USB-связи. После обработки данных генерируются две отдельные карты интенсивности, и окончательное изображение создается с учетом отношения интенсивности длины волны сигнала (620 нм) к интенсивности эталонной длины волны (700 нм). Это соотношение объясняет различия в общей эффективности сбора света, которые сильно зависят от положения оптики сбора, интенсивности рентгеновского излучения и толщины ткани. Кроме того, пространственно разделенная эталонная область без какого-либо красителя-индикатора pH объясняет спектральные искажения от проникновения в ткань, зависящую от длины волны. Для управления системой обработки изображений используется графический язык программирования, а базовая блок-схема операции показана ниже. Установка визуализации, за исключением компьютера, рентгеновского контроллера и блока сбора данных, заключена в безопасный рентгеновский корпус, чтобы свести к минимуму лучевую нагрузку.
Protocol
Representative Results
Discussion
Чтобы иметь возможность выявлять и изучать ортопедические инфекции, связанные с имплантатом, на ранней стадии, чтобы избежать осложнений от остеомиелита и вторичных хирургических процедур, мы представили XELCI в качестве нового метода функциональной визуализации. Это сопоставимо с дос?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают благодарность Университету Клемсона, COMSET и Clemson SC BioCRAFT. Установка XELCI была первоначально разработана на средства NSF CAREER CHE 12255535, а затем 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).
