Este trabajo fue apoyado en parte por una subvención del programa de estudios piloto de la Universidad de Buffalo Centro de Investigación Clínica y Traslacional y el Consorcio traslacional Buffalo, una beca de la Fundación Roswell Park Alliance, los fondos de puesta en marcha de la Universidad de Buffalo, el Programa Creativo Consilience IT de MKE y NIPA (C1515-1121-0003) y la concesión de la NRF MEST (desde 2.012 hasta 0.009.249).

1. Modo de sistema cistografía fotoacústica Reflexión Profunda (PAC) <ol><li> Configuración del sistema 17, 18 <ol><li> A Q-switched Nd: YAG (SLII-10; Continuum, 532 nm) bombea un láser de longitud de onda sintonizable (Surelite OPO PLUS; Continuum, rango de ajuste de longitud de onda: 680 a 2500 nm). </li><li> La duración del pulso de cada disparo de láser es de ~ 5 nseg, y la tasa de repetición del láser es de 10 Hz. </li><li> La longitud de onda depende del pico de absorción óptica del agente de contraste usado. Si el azul de metileno sirve como el agente de contraste, se utiliza una longitud de onda óptica de 667 nm, donde la absorción es máxima. Nanoestructuras de oro Plasmónicos pueden tener resonancia de plasmón superficial sintonizable localizada en la región espectral NIR, sobre la base de sus propiedades físicas y químicas. Además, el amplio espectro de absorción de los nanotubos de carbono de pared única puede proporcionar una amplia opción para la selección de longitud de onda. </li><li> La luz que sale del láser sintonizable se entrega a una lente esférica cónica tediante prismas en ángulo recto (PS908, Thorlabs). </li><li> Un patrón de haz de luz en forma de rosquilla se genera cuando la luz pasa a través de la lente cónica esférica. La casa hizo-lente cónica está hecho de una lente de BK7 y el ángulo del cono es de 152 °. El diámetro de la lente es de 2,5 cm. </li><li> El haz de luz en forma de dona divergentes se redirige a través de un condensador óptico, hecho de una hoja de acrílico transparente. Los diámetros de las superficies superior e inferior son 6,1 y 4,8 cm, respectivamente. El espesor del condensador es de 2,5 cm. La forma del haz de luz en forma de anillo redirigido una forma de rosquilla con un centro oscuro en la superficie del tejido. </li><li> Utilice un recipiente de agua pequeños para aumentar el acoplamiento acústico. El depósito de agua tiene una abertura inferior envuelto con una película delgada de polietileno transparente que es ópticamente y acústicamente transparente. Los animales pequeños se colocan bajo el recipiente de agua. </li><li> Las ondas generadas PA son detectadas por un transductor de ultrasonido enfocado esférica (V308;Olympus NDT; 5 MHz frecuencia central), que está montado en el centro del condensador óptico. El diámetro de los elementos y la distancia focal del transductor son 1,9 y 2,5 cm, respectivamente. Así, el número f del transductor es de ~ 1,3. </li><li> Los acuerdos transversales y axiales son 590 y 144 m, respectivamente. </li><li> Las olas PA detectadas se amplifican por primera vez por un emisor / receptor (5072PR, Olympus NDT, ancho de banda 35 MHz y 59 dB de ganancia RF) de ultrasonidos de banda ancha, y luego adquirida por un osciloscopio (TDS5054; Tektronix). </li><li> Obtener imágenes de resolución temporal de una dimensión (denominados como A-line), midiendo los tiempos de llegada de las ondas PA. Actualmente, se supone que la velocidad de las ondas PA a estar en 1480 m / seg sobre toda la adquisición de la imagen. Dos (llamado como B-scan) y PA imágenes tridimensionales pueden ser adquiridos por el movimiento mecánico de la fase de exploración de trama lineal (XY6060; Danaher Dover). </li><li> El tiempo de formación de imágenes es de ~ 25 min una imagen PA de una sola longitud de onda volumétrica con una decampo de visión (FOV) de 2,5 x 2,4 x 1,5 cm 3 en los planos xyz. Hemos adquirido 125 muestras a lo largo de la dirección x con un tamaño de paso de 0,2 mm, 60 muestras a lo largo de la dirección y con un tamaño de paso de 0,4 mm. 500 puntos de datos con una velocidad de muestreo de 50 MHz se obtuvieron a lo largo de la dirección z. El barrido mecánico es controlado por un sistema de software NI LabVIEW casera. </li><li> Los datos volumétrica está representado por proyección de máxima amplitud (PAM) utilizando un sistema de software de The MathWorks MATLAB. </li></ol></li><li> Sistema de alineación <ol><li> Después de la lente cónica esférica, asegúrese de que la distribución de la luz es una forma de anillo perfecto. Si no se genera correctamente el patrón de luz en forma de dona, las señales originadas PA de la superficie de la piel son dominantes. Por lo tanto, es difícil de lograr imágenes de tejido profundo. </li><li> El foco de luz con forma lineal en el agua debe ser alineado coaxialmente con la zona central de ultrasonido. Si los que no están alineados coaxialmente, el sistema adolece de baja relación señal-relación de ruido. </li><li> El irradiado energía del pulso láser sobre la superficie de la piel varía de ~ 1 - 2 mJ / cm 2 cuando la longitud de onda está sintonizado a partir de 680 a 1000 nm, respectivamente. Estas energías de impulso láser son mucho menores que el límite de seguridad American National Standards Institute, variando de 20 a 80 mJ / cm 2 sobre la región espectral, respectivamente. </li></ol></li></ol> 2. In vivo y ex vivo de imágenes Procedimientos <ol><li> Preparación de los animales <ol><li> Usar ratas Sprague-Dawley hembra con un peso de 200 - 250 g en todos los experimentos de imagen PA. </li><li> Para empezar, anestesiar la rata mediante una inyección intraperitoneal de una mezcla de ketamina (85 mg / kg de peso corporal) y xilazina (15 mg / kg). </li><li> Depilar los pelos en la zona abdominal. </li><li> Coloque la rata encima de un soporte de los animales a medida. </li><li> Escudo de un catéter de calibre 22 con lubricante para mejorar la inserción del catéter. </li><li> Sostenga el catéter vertically sobre la abertura uretral. A continuación, insertar el extremo distal del catéter, horizontalmente, en la uretra hasta el cubo del catéter finalmente llega a la abertura. </li><li> La orina en la vejiga, se anulará a través del catéter. </li></ol></li><li> En imágenes in vivo PAC <ol><li> Coloque la rata, que se encuentra en la parte superior del soporte de los animales, por debajo del recipiente de agua en el sistema de PAC. </li><li> Aplique el gel de ultrasonido (Sonotech) entre la superficie de la piel animal y la membrana de plástico para mejorar el acoplamiento acústico. </li><li> Anestesiar completamente la rata utilizando isoflurano vaporizado (1 L / min de oxígeno y 0,75% de isoflurano) durante la formación de imágenes in vivo experimentos en PA. </li><li> Obtener una imagen PA de control antes de la inyección de agentes de contraste. </li><li> Introducir una solución acuosa de azul de metileno (0,8 l / g de peso corporal con una concentración de 30 mM), nano-cajas de oro (1,2 l / g de peso corporal con una concentración de 2 nM), o nanotubos de carbono de pared única (0,8 l / g cuerpo peso conuna concentración de 0,3 mM) a la vejiga a través del catéter. Utilice una jeringa-ml-1 con un catéter de calibre 22. </li><li> Adquirir una serie de imágenes PA. </li></ol></li><li> Ex vivo PAC imágenes <ol><li> Sacrificio en la rata después de la formación de imágenes in vivo PAC, mediante la inyección de una sobredosis de pentobarbital. </li><li> Retire los dos órganos principales, vejigas y los riñones, para investigar biodistribución, y en una placa de vidrio. </li><li> Coloque la placa de vidrio por debajo del recipiente de agua en el sistema de PAC. </li><li> Aplique el gel de ultrasonido (Sonotech) entre los órganos extirpados y membrana plástica para mejorar el acoplamiento acústico. </li><li> Adquirir imágenes PA. </li><li> Imagen Photoacoustically los órganos extraídos de una rata sana como un control. </li></ol></li></ol>

<ol>
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Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).</li><li>Ron, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Let's+not+relive+the+past:+a+review+of+cancer+risk+after+diagnostic+or+therapeutic+irradiation.">Let's not relive the past: a review of cancer risk after diagnostic or therapeutic irradiation.</a> Pediatr. Radiol. 32 (10), 739-744 (2002).</li><li>Berrington De Gonzalez, A., Darby, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Risk+of+cancer+from+diagnostic+X-rays:+estimates+for+the+UK+and+14+other+countries.">Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries.</a> Lancet. 363 (9406), 345-351 (2004).</li><li>Kim, C., Favazza, C., Wang, L. 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C., Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+molecular+photoacoustic+tomography+of+melanomas+targeted+by+bioconjugated+gold+nanocages.">In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages.</a> Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).</li><li>Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+photoacoustic+mapping+of+lymphatic+systems+with+plasmon-resonant+nanostars.">In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars.</a> J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).</li><li>Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+laser-induced+photoacoustic+tomography+for+structural+and+functional+in+vivo+imaging+of+the+brain.">Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain.</a> Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).</li><li>Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+bladder+microvasculature+with+high-resolution+photoacoustic+imaging.">Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging.</a> Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).</li><li>Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+photoacoustic+microscopy+for+high-resolution+and+noninvasive+in+vivo+imaging.">Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging.</a> Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).</li><li>Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonionizing+photoacoustic+cystography+in+vivo.">Nonionizing photoacoustic cystography in vivo.</a> Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).</li><li>Homan, K., Kim, S., Chen, Y. 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V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+benchmarks+of+an+array-based+hand-held+photoacoustic+probe+adapted+from+a+clinical+ultrasound+system+for+non-invasive+sentinel+lymph+node+imaging.">Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging.</a> Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).</li><li>Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sentinel+lymph+nodes+and+lymphatic+vessels:+noninvasive+dual-modality+in+vivo+mapping+by+using+indocyanine+green+in+rats--volumetric+spectroscopic+photoacoustic+imaging+and+planar+fluorescence+imaging.">Sentinel lymph nodes and lymphatic vessels: noninvasive dual-modality in vivo mapping by using indocyanine green in rats--volumetric spectroscopic photoacoustic imaging and planar fluorescence imaging.</a> Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).</li><li>Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. 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G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Twente+Photoacoustic+Mammoscope:+system+overview+and+performance.">The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance.</a> Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).</li></ol>

Todos los experimentos con animales se ajustaban a la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo Institucional Cuidado de Animales y el empleo. Los autores no tienen nada que revelar.

En conclusión, hemos demostrado la posibilidad de no ionizantes PAC usando absorbentes ópticos no tóxicos en un modelo de rata in vivo. Hemos captado con éxito una vejiga de rata llenado con absorbentes ópticos utilizando nuestro sistema PAC no ionizante y no invasiva. Dos problemas de seguridad críticos se han resuelto en nuestro enfoque: (1) el uso de radiación ionizante para aplicaciones cistográficas y (2) no acumulación de agentes de contraste en el cuerpo. Nuestro int...

De rayos X cistografía 1 es un proceso de formación de imágenes para identificar enfermedades relacionados con la vejiga, tales como cáncer de vejiga, reflujo vesicoureteral, obstrucción de uréteres, vejiga neurogénica, etc. 2-5 Típicamente, las orinas, se anulan y un agente radiopaco se inyecta a través de un catéter. A continuación, las imágenes de rayos X de fluoroscopia se adquieren para delinear vejigas urinarias. Sin embargo, la cuestión clave de seguridad es que la radiación ionizante perjudicial se utiliza en este procedimiento. El porcentaje de riesgo de cáncer acumulada a la edad de 75 años debido al diagnóstico de rayos X entre un 0,6 a un 1,8%. 6 Además, la amenaza cancerígena es significativo en pacientes pediátricos. Un estudio del Reino Unido mostró que entre 9 principales órganos internos, la dosis de radiación media anual de rayos X de diagnóstico fue más alta en las vejigas en las niñas menos de 4 segundos y más alta en niños varones de menos de 4. 7 Esto indica que el riesgo de cáncer de vejiga es más significativo en los pacientes pediátricos. Although radiólogos pediátricos tratan de reducir la tasa de exposición a la radiación tan bajo como sea razonablemente posible, la radiación ionizante no puede excluirse por completo. Por lo tanto, la limitación crea la necesidad de una radiación libre de modalidad de imagen completamente, sensible, costo-efectiva, y de alta resolución con agentes de contraste no radiactivos en cistografía. Recientemente, la tomografía fotoacústica (PAT) se ha convertido en una modalidad de imagen biomédica principal porque PAT puede proporcionar contrastes de absorción óptica fuertes y una alta resolución espacial ultrasónica en los tejidos biológicos. 8 El principio de PAT es que las ondas ultrasónicas se inducen debido a la expansión termoelástica de un objetivo seguido por la absorción de la luz. Mediante la detección resuelta en el tiempo las ondas acústicas que viajan a través de un medio, de dos o imágenes tridimensionales fotoacústica (PA) se forman. Dado que el ultrasonido (EE.UU.) es mucho menos dispersa en los tejidos en comparación con la luz (por lo general dos o tres órdenes de magnitud), laprofundidad de formación de imágenes de PAT puede alcanzar hasta ~ 8 cm de tejidos, mientras que la resolución espacial se mantiene a 1/200, de la profundidad de formación de imágenes 9 Las ventajas clave de PAT para la aplicación cistográfica incluyen:. (1) PAT está completamente libre de ionizante la radiación. (2) sistemas de ClinicalUSimaging se pueden adaptar fácilmente para suministrar de doble modal PA y capacidades de imagen de Estados Unidos. Por lo tanto, el sistema de doble modal PA / EE.UU. formación de imágenes puede ser relativamente fáciles de transportar, rentable, y rápido, que son criterios clave para la traducción clínica rápida. Utilizando tanto endógenas como exógenas contrastes, PAT ha proporcionado imágenes de alta resolución morfológica, funcional y molecular de los tejidos para estudiar la fisiopatología tumoral, la hemodinámica del cerebro, los órganos internos, la oftalmología, la angiografía, y etc. 10-16 En este artículo, nos demuestran los protocolos experimentales de cistografía fotoacústica no ionizante (PAC) con el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, el azul de metileno, vayanano-cajas ld, o nanotubos de carbono de pared única) como trazadores óptica-turbias no tóxicos. Vejigas llenas de ratas con los agentes de contraste se photoacoustically y espectroscópica delineados en vivo. No hay agentes persistentes acumulados en las vejigas y los riñones de las ratas. Por lo tanto, la toxicidad a largo plazo que puede ser causada por la acumulación de agente puede ser excluido. Este resultado implica que el PAC con la combinación de los elementos de absorción óptica puede potencialmente ser una modalidad cistográfica verdaderamente inofensivos para los pacientes pediátricos. La configuración del sistema, la alineación del sistema y los procedimientos de imágenes in vivo vivo / ex vivo se describe en este artículo.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of Reagent/Material</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Q-switched Nd:YAG laser</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>SLII-10</td>
			<td>pump laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OPO laser</td>
			<td>Continuum</td>
			<td>Surelite OPO PLUS</td>
			<td>tunable laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prisms</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>PS908</td>
			<td>light deliver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound transducer</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>V308</td>
			<td>5 MHz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraoundpulser/receiver</td>
			<td>Olympus NDT</td>
			<td>5072PR</td>
			<td>amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Tektronix</td>
			<td>TDS5054</td>
			<td>data acquisition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning stage</td>
			<td>Danaher Dover</td>
			<td>XY6060</td>
			<td>raster scanning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methylene blue</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M9140-25G</td>
			<td>contrast agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rats</td>
			<td>Harlan</td>
			<td>Spague-Dawley</td>
			<td>animal subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflourane vaporizer</td>
			<td>Euthanex</td>
			<td>EZ-155</td>
			<td>anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Sonotech</td>
			<td>Clear Image singles</td>
			<td>acoustic coupling</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

photoacoustic cystography

Cistografía pediátrica convencional, que se basa en diagnósticos de rayos X utilizando un tinte radiopaco, sufre de la utilización de radiación ionizante perjudiciales. El riesgo de cáncer de vejiga en los niños debido a la exposición a la radiación es más importante que muchos otros tipos de cáncer. Aquí se demuestra la viabilidad de la formación de imagen fotoacústica (PA) no ionizante y no invasiva de vejigas urinarias, referidos como cistografía fotoacústica (PAC), utilizando el infrarrojo cercano (NIR) absorbentes ópticos (es decir, azul de metileno, nanoestructuras de oro plasmónica, o nanotubos de carbono de pared individuales ) como un trazador óptico-turbia. Hemos fotografiado con éxito una vejiga de rata llena de los agentes de absorción óptica utilizando un sistema de campo oscuro confocal PAC. Después de la inyección transuretral de los agentes de contraste, vejigas de las ratas fueron photoacoustically visualizado por lograr mejorar la señal PA significativo. La acumulación fue validado por imágenes de PA espectroscópico. Además, mediante el uso de sólo una energía láser de pulsode menos de 1 mJ / cm 2 (1/20 del límite de seguridad), nuestro sistema de imagen actual podría mapear el metileno-relleno de azul-rata-vejiga a la profundidad de 1 cm más allá en los tejidos biológicos in vivo. Tanto in vivo y ex vivo de imágenes de los resultados PA validar que los agentes de contraste se excretan naturalmente a través de la orina. Por lo tanto, no hay preocupación con respecto a la acumulación de agente tóxico a largo plazo, lo que facilitará la traducción clínica.

La figura 1 muestra el vivo PAC no ionizante y no invasiva en el uso de azul de metileno ópticamente turbia (MB). La imagen PA de control se obtuvo a 667 nm, en el pico de absorción óptica para MB (Figura 1A). Aunque los vasos sanguíneos en el campo de visión son claramente visualizada, la vejiga es invisible debido a que es ópticamente transparente a esta longitud de onda. Como se muestra en la Figura 1B, la vejiga se revela claramente en la ima...

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Photoacoustic Cystography

Cistografía fotoacústica (PAC) tiene un gran potencial para mapear vejigas urinarias, una sensible órgano interno de radiación en los pacientes pediátricos, sin necesidad de utilizar ningún tipo de radiación ionizante o agente de contraste tóxico. Aquí se demuestra el uso de PAC para el mapeo de vejigas urinarias con una inyección de trazadores óptica-opacos en ratas<em&gt; In vivo</em&gt;.

Cistografía fotoacústica

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.2K vistas.  University at Buffalo, The State University of New York. Cistografía fotoacústica (PAC) tiene un gran potencial para mapear vejigas urinarias, una sensible órgano interno de radiación en los pacientes pediátricos, sin necesidad de utilizar ningún tipo de radiación ionizante o agente de contraste tóxico. Aquí se demuestra el uso de PAC para el mapeo de vejigas urinarias con una inyección de trazadores óptica-opacos en ratas In vivo.

Video: Photoacoustic Cystography

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

Tridimensional óptico resolución microscopía fotoacústica

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

Investigación

Bioingeniería

Detection and Isolation of Circulating Melanoma Cells using Photoacoustic Flowmetry

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed secondary tumors1,2,3. CTCs are indicators of metastatic disease and their detection in blood samples may be used to diagnose cancer and monitor a patient&prime;s response to therapy. Since CTCs are rare, comprising about one tumor cell among billions of normal blood cells in advanced cancer patients, their detection and enumeration is a difficult task. We exploit the presence of pigment in most melanoma cells to generate photoacoustic, or laser induced ultrasonic waves in a custom flow cytometer for detection of circulating melanoma cells (CMCs)4,5. This process entails separating a whole blood sample using centrifugation and obtaining the white blood cell layer. If present in whole blood, CMCs will separate with the white blood cells due to similar density. These cells are resuspended in phosphate buffered saline (PBS) and introduced into the flowmeter. Rather than a continuous flow of the blood cell suspension, we induced two phase flow in order to capture these cells for further study. In two phase flow, two immiscible liquids in a microfluidic system meet at a junction and form alternating slugs of liquid6,7. PBS suspended white blood cells and air form microliter slugs that are sequentially irradiated with laser light. The addition of a surfactant to the liquid phase allows uniform slug formation and the user can create different sized slugs by altering the flow rates of the two phases. Slugs of air and slugs of PBS with white blood cells contain no light absorbers and hence, do not produce photoacoustic waves. However, slugs of white blood cells that contain even single CMCs absorb laser light and produce high frequency acoustic waves. These slugs that generate photoacoustic waves are sequestered and collected for cytochemical staining for verification of CMCs.

We have developed a flow cytometer using laser induced ultrasound to detect circulating melanoma cells as an early indicator of metastatic disease.

La detección y aislamiento de las células de melanoma circulantes mediante Flujometría fotoacústica

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging technologies. Existing retinal imaging modalities, such as fundus photography1, confocal scanning laser ophthalmoscopy (cSLO)2, and optical coherence tomography (OCT)3, have significant contributions in monitoring disease onsets and progressions, and developing new therapeutic strategies. However, they predominantly rely on the back-reflected photons from the retina. As a consequence, the optical absorption properties of the retina, which are usually strongly associated with retinal pathophysiology status, are inaccessible by the traditional imaging technologies.
Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM) is an emerging retinal imaging modality that permits the detection of the optical absorption contrasts in the eye with a high sensitivity4-7 . In PAOM nanosecond laser pulses are delivered through the pupil and scanned across the posterior eye to induce photoacoustic (PA) signals, which are detected by an unfocused ultrasonic transducer attached to the eyelid. Because of the strong optical absorption of hemoglobin and melanin, PAOM is capable of non-invasively imaging the retinal and choroidal vasculatures, and the retinal pigment epithelium (RPE) melanin at high contrasts 6,7. More importantly, based on the well-developed spectroscopic photoacoustic imaging5,8 , PAOM has the potential to map the hemoglobin oxygen saturation in retinal vessels, which can be critical in studying the physiology and pathology of several blinding diseases 9 such as diabetic retinopathy and neovascular age-related macular degeneration.
Moreover, being the only existing optical-absorption-based ophthalmic imaging modality, PAOM can be integrated with well-established clinical ophthalmic imaging techniques to achieve more comprehensive anatomic and functional evaluations of the eye based on multiple optical contrasts6,10 . In this work, we integrate PAOM and spectral-domain OCT (SD-OCT) for simultaneously in vivo retinal imaging of rat, where both optical absorption and scattering properties of the retina are revealed. The system configuration, system alignment and imaging acquisition are presented.

Photoacoustic ophthalmology (PAOM), an optical-absorption-based imaging modality, provides the complementary evaluation of the retina to the currently available ophthalmic imaging technologies. We report the using of PAOM integrated with spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) for simultaneous multimodal retinal imaging in rats.

La oftalmoscopia integrado fotoacústica y Spectral-tomografía de coherencia óptica de dominio

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

Preparation and Photoacoustic Analysis of Cellular Vehicles Containing Gold Nanorods

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to their intense optical absorbance in the near-infrared window, low cytotoxicity and potential to home into tumors. However, their delivery to tumors still remains an issue. An innovative approach consists of the exploitation of the tropism of tumor-associated macrophages that may be loaded with gold nanorods in vitro. Here, we describe the preparation and the photoacoustic inspection of cellular vehicles containing gold nanorods. PEGylated gold nanorods are modified with quaternary ammonium compounds, in order to achieve a cationic profile. On contact with murine macrophages in ordinary Petri dishes, these particles are found to undergo massive uptake into endocytic vesicles. Then these cells are embedded in biopolymeric hydrogels, which are used to verify that the stability of photoacoustic conversion of the particles is retained in their inclusion into cellular vehicles. We are confident that these results may provide new inspiration for the development of novel strategies to deliver plasmonic particles to tumors.

We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.

Análisis preparación y fotoacústica de Vehículos celulares que contienen oro Nanorods

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to ...

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the optical mean free path (~1 mm in skin) with high resolution. By combining optical absorption contrast with the high spatial resolution of ultrasound in a single modality, this technique can penetrate deep tissues. Photoacoustic microscopy systems can have either a low acoustic resolution and probe deeply or a high optical resolution and probe shallowly. It is challenging to achieve high spatial resolution and large depth penetration with a single system. This work presents an AR-OR-PAM system capable of both high-resolution imaging at shallow depths and low-resolution deep-tissue imaging of the same sample in vivo. A lateral resolution of 4 &#181;m with 1.4 mm imaging depth using optical focusing and a lateral resolution of 45 &#181;m with 7.8 mm imaging depth using acoustic focusing were successfully demonstrated using the combined system. Here,&#160;in vivo&#160;small-animal blood vasculature imaging is performed to demonstrate its biological imaging capability.

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Here a switchable acoustic resolution (AR) and optical resolution (OR) photoacoustic microscopy (AR-OR-PAM) system capable of both high resolution imaging at shallow depth and low resolution deep tissue imaging on the same sample in vivo is demonstrated.

Microscopía fotoacústica de resolución óptica y acústica conmutable para<em&gt; In Vivo</em&gt; Imágenes de vasos sanguíneos de pequeños animales

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the ...

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality that shows great potential for both preclinical and clinical applications. Conventional optical parametric oscillator-based PAT (OPO-PAT) systems are bulky and expensive and cannot provide high-speed imaging. Recently, pulsed-laser diodes (PLDs) have been successfully demonstrated as an alternative excitation source for PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) has been successfully demonstrated for high-speed imaging on photoacoustic phantoms and biological tissues. This work provides a visualized experimental protocol for in vivo brain imaging using PLD-PAT. The protocol includes the compact PLD-PAT system configuration and its description, animal preparation for brain imaging, and a typical experimental procedure for 2D cross-sectional rat brain imaging. The PLD-PAT system is compact and cost-effective and can provide high-speed, high-quality imaging. Brain images collected in vivo at various scan speeds are presented.

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

A compact pulsed-laser diode-based photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for high-speed in vivo brain imaging in small animals is demonstrated.

Un sistema de tomografía fotoacústica compacta de alto rendimiento para<em&gt; In Vivo</em&gt; Imágenes de cerebro para animales pequeños

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, we report a combined photoacoustic and clinical ultrasound imaging system by integrating an ultrasound probe with light delivery for small animal imaging. We demonstrate this by showing sentinel lymph node imaging in small animals along with minimally invasive real-time needle guidance. A clinical ultrasound platform with access to raw channel data allows the integration of photoacoustic imaging leading to a handheld real-time clinical photoacoustic imaging system. Methylene blue was used for sentinel lymph node imaging at 675 nm wavelength. Additionally, needle guidance with dual modal ultrasound and photoacoustic imaging was shown using the imaging system. Depth imaging of up to 1.5 cm was demonstrated with a 10 Hz laser at a photoacoustic imaging frame rate of 5 frames per second.

A clinical handheld photoacoustic imaging system will be demonstrated for real-time non-invasive small animal imaging.

Fotoacústica clínica mano sistema de imagen por imagen no invasiva en tiempo real de Animal pequeño

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. Custom-made circular ring array-based transducers and conventional bulky Nd:YAG/OPO lasers inhibit translation of the PAT system to clinics. Ultra-compact pulsed laser diodes (PLDs) are currently being used as an alternative source of near-infrared excitation for PA imaging. High-speed dynamic in vivo imaging has been demonstrated using a compact PLD-based desktop PAT system (PLD-PAT). A visualized experimental protocol using the desktop PLD-PAT system is provided in this work for dynamic in vivo brain imaging. The protocol describes the desktop PLD-PAT system configuration, preparation of animal for brain vascular imaging, and procedure for dynamic visualization of indocyanine green (ICG) dye uptake and clearance process in rat cortical vasculature.&#160;

A compact pulsed laser diode-based desktop photoacoustic tomography (PLD-PAT) system is demonstrated for high-speed dynamic in vivo imaging of small animal cortical vasculature.

Tomografía fotoacústica de escritorio basada en diodos láser pulsada para monitoreo de lavado y lavado de tinte en rata cortical vasculatura

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. ...

Ovarian Cancer Detection Using Photoacoustic Flow Cytometry

Many studies suggest that the enumeration of circulating tumor cells (CTCs) may show promise as a prognostic tool for ovarian cancer. Current strategies for the detection of CTCs include flow cytometry, microfluidic devices, and real-time polymerase chain reaction (RT-PCR). Despite recent advances, methods for the detection of early ovarian cancer metastasis still lack the sensitivity and specificity required for clinical translation. Here, a novel method is presented for the detection of ovarian circulating tumor cells by photoacoustic flow cytometry (PAFC) utilizing a custom three dimensional (3D) printed system, including a flow chamber and syringe pump. This method utilizes folic acid-capped copper sulfide nanoparticles (FA-CuS NPs) to target SKOV-3 ovarian cancer cells by PAFC. This work demonstrates the affinity of these contrast agents for ovarian cancer cells. The results show NP characterization, PAFC detection, and NP uptake by fluorescence microscopy, thus demonstrating the potential of this novel system to detect ovarian CTCs at physiologically relevant concentrations.

A protocol is presented to detect circulating ovarian tumor cells utilizing a custom-made photoacoustic flow system and targeted folic acid-capped copper sulfide nanoparticles.

Detección de cáncer de ovario mediante citometría de flujo fotoacústico

Many studies suggest that the enumeration of circulating tumor cells (CTCs) may show promise as a prognostic tool for ovarian cancer. Current strategies ...

Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization

Imaging of vascular networks on small animals has played an important role in basic biomedical research. Photoacoustic imaging technology has great potential for application in the imageology of small animals. The wide-field photoacoustic imaging of small animals can provide images with high spatiotemporal resolution, deep penetration, and multiple contrasts. Also, the real-time photoacoustic imaging system is desirable to observe the hemodynamic activities of small-animal vasculature, which can be used to research the dynamic monitoring of small-animal physiological features. Here, a dual-raster-scanning photoacoustic imager is presented, featuring a switchable double-mode imaging function. The wide-field imaging is driven by a two-dimensional motorized translation stage, while the real-time imaging is realized with galvanometers. By setting different parameters and imaging modes, in vivo visualization of small-animal vascular network can be performed. The real-time imaging can be used to observe pulse change and blood flow change of drug-induced, etc. The wide-field imaging can be used to track the growth change of tumor vasculature. These are easy to be adopted in various areas of basic biomedicine research.

A dual raster-scanning photoacoustic imager was designed, which integrated wide-field imaging and real-time imaging.

Imagen fotoacústica fotoacústica dual para visualización vascular

Imaging of vascular networks on small animals has played an important role in basic biomedical research. Photoacoustic imaging technology has great ...