Yüksek Uzamsal Çözünürlüklü İmplantla İlişkili Enfeksiyonların X-ışını ile Kimyasal Görüntülenmesi Uyarılmış Lüminesans Doku Yoluyla Kimyasal Görüntüleme
Summary
Burada, X-ışını uyarılmış lüminesans kimyasal görüntüleme (XELCI) ile implante edilmiş tıbbi cihazların etrafındaki kimyasal bilgilerin yüksek çözünürlüklü optik tespiti için bir protokol sunuyoruz. Bu yeni görüntüleme tekniği, implantla ilişkili enfeksiyon biyokimyasının incelenmesini sağlayan laboratuvarımızda geliştirilmiştir.
Abstract
İmplante edilebilir tıbbi cihazlarla ilişkili mikrobiyal enfeksiyonlar kırık fiksasyon başarısızlığında önemli bir endişe kaynağıdır. Bu tür bir enfeksiyonun erken teşhisi, ikinci bir ameliyat için ekstra bir maliyet olmaksızın antibiyotiklerle başarılı bir eradikasyon sağlayacaktır. Burada, XELCI’yi yüksek X-ışını çözünürlüğüne, implant özgüllüğüne ve implante edilmiş tıbbi cihazların yüzeyine yakın invaziv olmayan görüntü kimyasal konsantrasyonlarına karşı kimyasal duyarlılığa sahip bir teknik olarak tanımlıyoruz. Cihazlar kimyasal olarak raporlanan yüzeylerle kaplanmıştır. Bu kimyasal olarak duyarlı yüzey, implante edilebilir bir tıbbi cihaz üzerine kaplanmış iki katmandan oluşur; izleme için kırmızı ışık yayan bir sintilatör (Gd 2 O2S: Eu) tabakası üzerine kaplanan pH’a duyarlı bir tabaka (bromoktimol mavisi veya bromokresolyeşili dahil hidrojel). Odaklanmış bir X-ışını ışını implant üzerindeki bir noktayı ışınlar ve sintilatör tarafından üretilen kırmızı ışık (620 nm ve 700 nm pik noktaları ile), pH’a bağlı olarak spektral oranı değiştiren algılama tabakasından iletilir. X-ışını ışınının implant boyunca taranması ve dokudan noktadan noktaya geçen ışığın spektral oranının ölçülmesiyle bir görüntü oluşturulur. Bu görüntüleme tekniğini, daha önce femur kemiğinin kemik yüzeyinde implantla ilişkili enfeksiyonları modifiye edilebilir bir implante plaka sensörü ile izlemek için kullandık. Şimdi tibial intramedüller çubuk enfeksiyonlarından kaynaklanan pH değişikliklerini inceliyoruz. Pilot öncesi tavşan çalışmalarında iki farklı tipte intramedüller çubuk tasarımı kullanılmıştır ve XELCI tekniğinin sadece kemik yüzeyinde değil, kemik içinde de meydana gelen kimyasal değişiklikleri izlemek için kullanılabileceğini öğrendik. Böylece, bu, implantla ilişkili enfeksiyon biyokimyasını incelemek için invaziv olmayan, yüksek uzamsal çözünürlük, düşük arka plan yerel pH görüntülemeyi mümkün kılar.
Introduction
Amerika Birleşik Devletleri’nde, yılda yaklaşık 2 milyon kırık fiksasyon cihazı yerleştirilmektedir ve bunların% 5-10’u implantla ilişkili enfeksiyonlara yol açmaktadır1. Bu enfeksiyonların, biyofilmlerin heterojenliği ve antibiyotiğe dirençli doğası nedeniyle daha sonraki aşamalarda antibiyotiklerle tedavi edilmesi daha zordur 2,3. Erken teşhis edilirse, enfeksiyonlar, tedavi edilen kırık bölgesinde donanımın değiştirilmesi için ikinci bir ameliyat için ekstra tıbbi maliyetleri önlemek için antibiyotikler ve cerrahi debridman ile tedavi edilebilir. Düz radyografi ve diğer ileri radyografik teknikler ortopedik implant ile ilişkili enfeksiyonların, kaynamaların ve buna bağlı komplikasyonların tanısında uygulanmaktadır. Bu teknikler ortopedik implantta çevre kemik ve dokunun yapısal bilgilerini elde etmek için sıklıkla kullanılsa da, spesifik ortamda biyokimyasal bilgi sağlayamamaktadır. Bu nedenle, implant bölgesinde invaziv olmayan biyokimyasal bilgilerin yüksek çözünürlüklü görüntülenmesi için yeni bir X-ışını uyarılmış lüminesans kimyasal görüntüleme (XELCI) tekniği geliştirdik. Ortopedik implantla ilişkili enfeksiyonların teşhisi genellikle bir veya farklı araçların bir kombinasyonu ile gerçekleştirilir. Klinik gözlemler (ağrı, şişlik, kızarıklık, yara akıntısı vb.) enfeksiyonun ilk belirtilerini göstermektedir. Daha sonra, kemik iyileşmesinin ilerlemesinin başarısızlığını doğrulamak ve patojenik organizmayı tanımlamak için radyolojik ve laboratuvar deneyleri yapılır 4,5. Bilgisayarlı tomografi (BT), manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi nükleer tıbbi teknikler ve Tek Foton Emisyon Bilgisayarlı Tomografi (SPECT) ve Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) gibi radyonükleotid yöntemleri, enfekte implantın ve ilişkili enfeksiyonun daha iyi görüntülenmesi için kullanılmaktadır 6,7. BT ve MRG, sırasıyla kemik nekrozunu ve yumuşak doku anormalliklerini belirlemede avantajlıdır, ancak metal implantlara yakın mesafede parazitlere neden olur8. İn vivo görüntüleme kontrast maddeleri gibi radyoizotop etiketli analitlerle kombinasyon halinde SPECT ve PET gibi farklı X-ışını metodolojileri, implantla ilişkili osteomiyelit2’yi teşhis etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Mevcut uygulamalar, anatomik bilgi üretmek için hem BT taramasından hem de SPECT veya PET’ten gelen etiketleme verilerini birleştirir9. Bu görüntüleme yöntemlerinden bir veya daha fazlası enfeksiyon tanısına yardımcı olmak için kullanılmasına rağmen, ekstra tıbbi ve cerrahi masraflardan kaçınmak için antibiyotiklerle tedavileri başlatmak için enfeksiyonla ilişkili pH varyasyonlarını erken tespit edemezler.
İmplantla ilişkili enfeksiyonları izlemek için bu çalışmada kullanılan görüntüleme sistemini kullanmanın temel avantajı, biyofilm mikroçevresi hakkındaki biyokimyasal bilgileri spektral bir referansla ortaya çıkarma yeteneğidir. Ana odak noktası enfekte bölgedeki pH’ı görüntülemek ve haritalamak olsa da, bu yöntem implantla ilişkili enfeksiyonlara özgü diğer biyobelirteçleri izlemek için değiştirilebilir. Böylece, XELCI enfeksiyonun patofizyolojisinin anlaşılmasını sağlar. Yüksek uzamsal çözünürlüklü görüntüleme, enfeksiyon büyüdükçe heterojenliğin haritalandırılmasını sağlar. Biyofilm oluşumunun meydana geldiği yüzeydeki pH, biyokimyasal değişiklikleri anlamak için çok önemlidir. Ayrıca, bakterilerin antibiyotiğe bağlı stres tepkileri nedeniyle diğer mikro çevre değişiklikleri de ortaya çıkabilir10,11. Yüzeye özgü ve yüksek uzamsal çözünürlüklü görüntüleme sayesinde, biyofilm mikroortamı üzerindeki antibiyotik etkisi izlenebilir. Bu teknik, hedeflenen ilaç dağıtım deneyleri için biyofilm ortamını incelemek için de kullanılabilir. Hedeflenen düşük pH’lı ilaç salınımını veya pH’ı yükseltmeyi, daha yüksek pH’ta çalışmaya daha duyarlı hale getirmek için inceleyebiliriz.
Bu görüntüleme tekniğinin üç spesifik özelliği X-ışını çözünürlüğü, İmplant yüzey özgüllüğü ve kimyasal duyarlılıktır (Şekil 1A). Bu özellikler, ortopedik implantla ilişkili enfeksiyonların görüntülenmesinde mevcut görüntüleme teknikleri ile karşılaştırılabilir (Şekil 1B). X-ışınları ile ışınlandıktan sonra, implant yüzeyinde kaplanan fosfor parçacıkları, birkaç santimetre dokudan (biraz zayıflama olsa da) nüfuz edebilen kırmızı ve IR’ye yakın (NIR) ışık üretir12,13. Tablo 1, geliştirilen görüntüleme sisteminin bazı özelliklerini, biyofilmlerde veya doku yoluyla pH ölçmek için kullanılan diğer yollara kıyasla göstermektedir.
XELCI, Şekil 2’de gösterildiği gibi, X-ışını uyarımı ile kombinasyon halinde implante edilmiş tıbbi cihazların yakınında optik olarak yüksek uzamsal çözünürlüklü kimyasal bilgi elde etmek için yeni bir görüntüleme tekniğidir. Burada X-ışını uyarılabilir fosfor parçacıklarının seçici uyarılması ve optik tespiti kullanılır. İmplant, bir sintilatör parçacık tabakası üzerine pH’a duyarlı bir boya içeren polimer tabaka olmak üzere iki katmanla kaplanmıştır. Bir dizi odaklanmış X-ışını ışını implantı ışınladığında, sintilatör tabakası görünür ışık üretir (620 nm ve 700 nm). Üretilen bu ışık, çevredeki ortamın pH’ına bağlı olarak lüminesans spektrumunu modüle eden pH’a duyarlı tabakadan geçer. Düşük pH genellikle enfeksiyon ve biyofilm oluşumu ile ilişkilidir; Enfeksiyon ilerledikçe, pH fizyolojik pH’tan (pH 7.2) asidik (pH 7’den az) olarak değişir ve sensördeki pH boyası renk ve dolayısıyla emilim değiştirir. Lüminesans spektrumunun varyasyonu, pH 7 ve pH 4’te Bromokresol yeşil pH boyası için Şekil 2E’de gösterilmiştir. Doku ve kemik yoluyla iletilen ışık toplanır ve spektral oran pH’ı belirler. Bir pH görüntüsü oluşturmak için, odaklanmış X-ışını ışını, sintilatör filmindeki bir seferde bir noktayı ışınlar ve ışını numune boyunca nokta nokta tarar. Daha önce, bu teknik ortopedik implantların yüzeyindeki pH varyasyonunu görüntülemek için uygulandı14,15 ve intramedüller kanaldaki pH varyasyonlarını kemik ve doku yoluyla izlemek için test edildi.
Aşağıdaki Şekil 3 , görüntüleme sisteminin bir şemasını göstermektedir. Görüntüleme sisteminin temel bileşenleri, poli kılcal optiklere sahip X-ışını uyarma kaynağı, iki fotoçarpan tüpüne bağlanan tek parçalı akrilik ışık kılavuzu, x, y ve z motorlu aşama (30 cm x 15 cm x 6 cm hareket) ve veri toplama için bağlanan bilgisayardır. X-ışını kaynağı, x,y,z aşaması ve toplama optikleri (dirsek, ışık kılavuzu, fotoçarpan tüpleri (PMT’ler)) X-ışını geçirmez muhafaza içindeyken, X-ışını kontrolörü, PMT’ler için güç kaynağı, veri toplama (DAQ) kartına bağlı fonksiyon üreteci ve bilgisayar dışarıda tutulur. Muhafaza ile kapının önü arasına yerleştirilen normalde açık anahtar olan bir basmalı düğme, bir kilitleme görevi görür. Kapı tamamen kapalı değilse (kilitleme anahtarı açıksa), X-ışını kaynağı açılmaz ve çalışma sırasında açılırsa X-ışını kaynağını otomatik olarak kapatır. Motorlar sürekli bir tarama yapabilir ve herhangi bir ayrı konuma taşınabilir. Y ekseni için tarama hızı genellikle 1-5 mm / s iken, x eksenindeki adım boyutu tipik olarak 150-2000 μm arasında seçilebilir. Parametreler, gerekli uzamsal çözünürlüğe bağlı olarak seçilebilir. Pozlama süreleri bile sürekli tarama boyunca tutarlı bir hız ile doğrulanır.
Odaklanmış X-ışını ışını, X-ışını lüminesans parçacıkları üzerinde ışınlandıktan sonra, üretilen ışık, çevreleyen pH’a bağlı olarak ışığı modüle ederek pH’a duyarlı filmden geçecektir. İletilen ışık bir doku ile etkileşime girer (kısmen saçılır ve emilir), doku kalınlığı arttıkça saçılma ve emilim yoluyla ışık zayıflaması artar. Koleksiyon optikleri, başlangıçta yansıtıcı bir alüminyum dirsek (90° büküm ve cilalı yansıtıcı iç yüzeye sahip) ile donatılmış tek parçalı çatallı akrilik ışık kılavuzu içerir. Bu, ışık ışık kılavuzuna ulaşır ulaşmaz ışığın toplanmasını sağlamak içindir. Bu eklemeler ışık toplama verimliliğini önemli ölçüde artırdı. Daha fazla ayrıntı için, Şekil 4 dirsek ve ışık kılavuzunun makine çizimlerini göstermektedir. 90° dirsek alüminyumdan işlendi ve iç yüzey ayna kaplamasına cilalandı ve ışık kılavuzu Akrilik ile işlendi. Ayrıca, yalnızca kırmızı ışığın geçmesini sağlamak için dirseğin başına geniş aralıklı uzun geçişli mavi ışık filtresi (350-450 nm ışığı engelleyen) taktık. Tek parçalı akrilik ışık kılavuzunun ucu, iki farklı PMT’ye yol açan iki akışa bölünür. PMT’ler, PMT’leri ~ 5 ° C’ye soğutmak için bir termoelektrik soğutucu ile temas halinde olan küçük, ışık geçirmez bir metal kutu içine alınmıştır. PMT’lerden birinin başında, yalnızca 700 nm ışığı ölçmek için dar aralıklı bir uzun geçirgen filtre (570-640 nm ışığı engelleyen ve 640-740 nm ışığı geçiren) takılıdır. Bu nedenle, 620 nm ve 700 nm ışık ayrı ayrı hesaplanabilir. PMT’ler foton sayma modunda ayarlanır ve tespit edilen her foton için transistör-transistör mantığı (TTL) darbeleri üretirler. Bir DAQ sistemi, USB iletişimini kullanarak darbeleri (doygunluk noktası saniyede 20 milyon darbe) sayar. Veriler işlendikten sonra iki ayrı yoğunluk haritası oluşturulur ve sinyal dalga boyu yoğunluğunun (620 nm) referans dalga boyu yoğunluğuna (700 nm) oranı dikkate alınarak nihai bir görüntü oluşturulur. Bu oran, toplama optiklerinin konumuna, X-ışını ışınlama yoğunluğuna ve doku kalınlığına büyük ölçüde bağlı olan toplam ışık toplama verimliliğindeki farklılıkları açıklar. Ek olarak, herhangi bir pH indikatör boyası olmadan uzamsal olarak ayrılmış bir referans bölgesi, dalga boyuna bağlı doku penetrasyonundan spektral bozulmayı açıklar. Görüntüleme sistemini kontrol etmek için grafik tabanlı bir programlama dili kullanılır ve işlemin temel bir akış şeması aşağıda gösterilmiştir. Bilgisayar, X-ışını denetleyicisi ve DAQ ünitesi hariç görüntüleme kurulumu, radyasyona maruz kalmayı en aza indirmek için güvenli bir X-ışını muhafazası içine alınmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Osteomiyelit ve sekonder cerrahi prosedürlerden kaynaklanan komplikasyonları önlemek için ortopedik implantla ilişkili enfeksiyonları erken tespit edebilmek ve inceleyebilmek için, XELCI’yi yeni, fonksiyonel bir görüntüleme tekniği olarak tanıttık. Doku yoluyla pH izleme için şu anda mevcut olan tekniklerle karşılaştırılabilir.
Numuneyi görüntüleme için konumlandırırken, dirseği tam olarak altına hizalamak için 90° açıyla kesişen iki çizgi şeklindeki lazer i?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Clemson Üniversitesi, COMSET ve Clemson SC BioCRAFT’a teşekkür eder. XELCI kurulumu başlangıçta NSF CAREER CHE 12255535 ve daha sonra NIH NIAMS R01 AR070305-01 tarafından geliştirilmiştir.
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).
