이 작품은 버팔로 임상 및 translational 연구 센터에서 대학과 버팔로 번역 컨소시엄, 버팔로 대학 IT 통섭 창조적 인 프로그램 로즈웰 파크 얼라이언스 재단, 시작 기금에서 보조금 시범 연구 프로그램에서 교부금에 의해 부분적으로 지원되었다 지식 경제부와 NIPA (C1515-1121-0003)와 교육 과학 기술부의 NRF 부여 (2012-0009249)의.

1. 깊은 반사 모드 광 음향 Cystography (PAC) 시스템 <ol><li> 시스템 구성 17, 18 <ol><li> Q-스위치 노스 다코타 : YAG 레이저 (SLII-10, 연속체, 532 nm의) 펌프 파장 가변 레이저 (Surelite OPO PLUS, 연속체, 파장 튜닝 범위 : 680 2,500 nm의). </li><li> 각 레이저 총의 펄스 지속 기간은 ~ 5 NSEC이며, 레이저 반복 속도는 10 Hz입니다. </li><li> 파장은 사용되는 조영제의 광 흡수 피크에 따라 달라집니다. 메틸렌 블루는 조영제로 제공하는 경우 최대 흡수이고, 667 ㎚의 광 파장이 사용됩니다. 플라즈몬 금 나노 구조는 물리적, 화학적 특성에 따라 NIR 스펙트럼 지역에서 조정할 수있는 현지화 된 표면 플라즈몬 공명을 가질 수 있습니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 광범위한 흡수 스펙트럼은 파장 선택을위한 다양한 옵션을 제공 할 수 있습니다. </li><li> 가변 레이저에서 나오는 빛은 둥근 원뿔 렌즈 t에 전달된다hrough 직각 프리즘 (PS908, THORLABS). </li><li> 빛이 구면 원뿔 렌즈를 통과 한 후 도넛 모양의 광선 패턴이 생성됩니다. 집에서 만든 원뿔 렌즈 BK7 렌즈로 만든 원뿔 각도는 152 °입니다. 렌즈의 직경은 2.5 cm입니다. </li><li> 발산 도넛 모양의 광선은 투명한 아크릴 장으로 만든 광학 콘덴서를 통해 리디렉션됩니다. 상단과 하단면의 직경은 각각 6.1과 4.8 cm이다. 콘덴서의 두께는 2.5 cm입니다. 리디렉션 고리 모양의 광선은 조직 표면에 어두운 센터와 도넛 모양을 형성한다. </li><li> 음향 커플 링을 높일 작은 물 컨테이너를 사용합니다. 물 컨테이너는 광학 및 음향 투명한 명확한 얇은 폴리에틸렌 필름으로 감싸 바닥 개구부가 있​​습니다. 작은 동물은 물을 컨테이너 아래에 배치됩니다. </li><li> 생성 된 PA 파도가 구형 집중 초음파 트랜스 듀서 (V308에 의해 감지된다;올림푸스 NDT, 5 MHz의 중심 주파수), 광학 콘덴서의 중간에 장착되어 있습니다. 요소 직경 변환기의 초점 길이는 각각 1.9과 2.5 cm이다. 따라서, 트랜스 듀서의 F-number는 ~ 1.3이다. </li><li> 횡 방향과 축 방향 해상도는 각각 590 및 144 μM이다. </li><li> 검출 PA 파도가 처음 펄서 / 리시버 (, 올림푸스 NDT, 5072PR 35 MHz의 대역폭과 59dB의 RF 이득) 광대역 초음파에 의해 증폭 된 다음 (TDS5054, 텍트로닉스) 오실로스코프 인수했다. </li><li> PA 파의 도착 시간을 측정하여 한 차원 시분 이미지 (A-라인으로 불리는)을 얻었다. 현재 PA 파도의 속도는 전체 이미지 획득을 통해 1천4백80미터 / 초의 것으로 간주됩니다. 두 (B-스캔으로 불리는)과 3 차원 PA 이미지는 기계적 선형 래스터 스캐닝 단계 (; Danaher의 도버 XY6060)를 이동하여 취득 할 수 있습니다. </li><li> 영상 시간은 한 체적 단일 파장 PA 이미지에 ~ 25 분입니다XYZ 평면 2.5의 x 2.4 1.5 cm 3보기 (FOV)의 필드입니다. 우리는 0.4 mm의 스텝 크기와 Y 방향으로 0.2 mm, 60 샘플의 스텝 크기의 x 방향으로 125 샘플을 인수했다. 50 MHz의 샘플링 속도 500 데이터 포인트의 Z 방향으로 하였다. 기계 검사는 집에서 만든 NI LabVIEW 소프트웨어 시스템에 의해 제어됩니다. </li><li> 체적 데이터는 매스 웍스의 MATLAB 소프트웨어 시스템을 사용하여 최대 진폭 투사 (MAP)로 표시됩니다. </li></ol></li><li> 시스템 정렬 <ol><li> 둥근 원뿔 렌즈 후, 빔 패턴이 완벽하게 링 모양 있는지 확인하십시오. 도넛 모양의 빔 패턴이 제대로 생성되지 않은 경우, 피부 표면에서 유래 PA 신호가 지배적이다. 따라서, 깊은 조직 이미징을 달성하기 어렵다. </li><li> 물에 선 모양의 빛의 초점이 동축 초음파 초점 영역과 일치해야합니다. 그는 동축으로 정렬되지 않은 경우 시스템은 낮은 신호 앓고노이즈 비율입니다. </li><li> 2 파장 680 ~ 1,000 nm의에서 조정되어 엠제이 / cm 2, 각각 - 피부 표면에 조사 된 레이저 펄스 에너지는 1 ~부터 다양합니다. 이 레이저 펄스 에너지는 20에서 각각 80 스펙트럼 영역에 대한 엠제이 / ㎠로 변화, 미국 국립 표준 협회의 안전 한계보다 훨씬 낮습니다. </li></ol></li></ol> 2. 생체 내 및 생체 이미징 절차 <ol><li> 동물의 준비 <ol><li> 모든 PA 이미징 실험에서 250g - 200의 무게로 여성 Spraque-Dawley 계 흰쥐를 사용합니다. </li><li> 로 시작하려면, 케타민 (85 ​​㎎ / 체중 kg)과 xylazine (15 MG / kg)의 혼합물 복강 주사하여 쥐를 마취. </li><li> 복부 영역에서 머리카락을 뽑다. </li><li> 사용자 정의 - 만든 동물 소유자의 꼭대기 쥐를 놓습니다. </li><li> 카테터 삽입을 개선하기 위해 윤활제 코트 22 게이지 카테터를. </li><li> 카테터 Vertica의를 개최베드로 요도 입구에. 카테터의 허브가 마침내 개통에 도달 할 때까지 다음, 요도에, 수평, 카테터의 말단부를 삽입합니다. </li><li> 방광에 소변 카테터를 통해 무효가됩니다. </li></ol></li><li> 생체 PAC 이미징 <ol><li> PAC 시스템에있는 물 컨테이너 아래의 동물 소유자의 상단에있는 쥐를 놓습니다. </li><li> 음향 커플 링을 개선하기 위해 동물 피부 표면 및 플라스틱 막 사이에 초음파 젤 (Sonotech)을 적용합니다. </li><li> 완전 생체 PA 이미징 실험 중에 isoflurane을 증발을 (1 L / 산소 분 0.75 % isoflurane을)를 사용하여 쥐를 마취. </li><li> 조영제를 주입하기 전에 제어 PA 이미지를 얻을 수 있습니다. </li><li> 메틸렌 블루 (30 mm의 농도가 0.8 g / μL 체중), 골드 nanocages는 (2 nm의 농도가 1.2 g / μL 체중), 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브 (0.8 μL / g 몸의 수용액을 소개합니다 와 무게카테터를 통해 방광에 0.3 μM의 농도). 22 게이지 카테터를 가진 1-ML-주사기를 사용합니다. </li><li> PA 이미지의 시리즈를 획득. </li></ol></li><li> 생체 PAC 영상 <ol><li> 펜 토바 비탈의 과다 복용을 주입하여 생체 PAC 이미징 후 쥐를 희생. </li><li> , 두 가지 주요 기관, 방광 및 신장을 제거 생체 분포를 조사하고, 유리 접시에. </li><li> PAC 시스템에있는 물 컨테이너 아래에 유리 플레이트를 배치합니다. </li><li> 음향 커플 링을 개선하기 위해 절제 기관 및 플라스틱 막 사이에 초음파 젤 (Sonotech)을 적용합니다. </li><li> PA 이미지를 획득. </li><li> Photoacoustically 이미지 컨트롤로 건강한 쥐에서 제거 기관. </li></ol></li></ol>

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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=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>

모든 동물 실험은 버팔로 기관 애니멀 케어에 뉴욕의 주립 대학 및 사용위원회에 부합했다. 저자는 공개 아무것도 없어.

결론적으로, 우리는 생체 내 쥐 모델에서 독성 광 흡수를 사용하여 PAC를 nonionizing의 가능성을 보여 주었다. 우리는 성공적으로 우리의 nonionizing 및 비침 PAC 시스템을 사용하는 광 흡수제로 가득 쥐의 방광을 몇 군데있다. 두 개의 중요한 안전 문제는 우리의 접근 방식에서 해결되었습니다 : (1) cystographic 응용 프로그램 및 본문에 조영제 (2) 번호 축적 nonionizing 방사선의 사용. <p class="jove_con...

X-선 cystography 1은 방광암, 방광 요관 역류, 요관의 폐색, 신경 인성 방광 등으로 방광과 관련된 질병을 식별하는 이미징 프로세스입니다. 2-5은 일반적으로 소변이 무효화되고 라디오 불투명 에이전트를 통해 주입 카테터. 그런 다음, 투시 X-선 이미지는 요도 방광을 묘사하는 인수입니다. 그러나, 중요한 안전 문제는 유해한 방사선이 절차에서 사용되는 것입니다. 또한 0.6에서 1.8 %로 진단 X-선 범위에 칠십오년 때문에 나이. 6 누적 암 위험의 비율은 발암 위협은 소아 환자에서 중요하다. 영국의 연구는 9 주요 내부 장기들, X-선 진단의 평균 연간 방사선 량은 남자 아이 4보다 가장 높은 두 번째로 적은 4보다 여자 아이의 방광에서 가장 높은 것을 보여 주었다. 7이 그 방광암 위험을 나타냅니다 소아 환자에서 가장 중요한 것입니다. 고도무릎 소아 방사선은 합리적으로 달성 가능한, 전리 방사선이 완전히 배제 할 수 없기 때문에 낮은 방사선 노출 비율을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 따라서 제한이 cystography에서 방사성 조영제와 완전히 방사선 무료, 민감한 비용 효과, 고해상도 영상 기법에 대한 필요성을 만듭니다. PAT 강한 광 흡수 대조 및 생물 학적 조직의 높은 초음파 공간 해상도를 제공 할 수 있기 때문에 최근 광 음향 단층 촬영 (PAT)는 최고의 바이오 메디컬 이미징 양상이되었다. PAT의 8 원칙은 초음파 인해 대상의 열 탄성 확장을 유도하는 빛의 흡수에 의해 따랐다. 감지하여 매체 두 개 또는 3 차원 광 음향 (PA) 이미지를 통해 여행 음파를 시간에 해결이 형성된다. 초음파 (미국) 라이트 (보통 크기의 두 개 또는 세 개의 주문)에 비해 훨씬 적은 흩어져 조직에 있기 때문에공간 해상도는 영상의 깊이 1 / 200로 유지되는 동안 PAT의 이미징 깊이, 조직에서 ~ 8cm까지 도달 할 수 cystographic 응용 프로그램에 대한 PAT의 9 키의 장점은 다음과 같습니다. (1) PAT는 이온화 완전히 무료 방사선. (2) ClinicalUSimaging 시스템은 쉽게 이중 모달 PA, 미국 이미징 기능을 제공하기 위해 적용 할 수 있습니다. 따라서, 이중 모달 PA / 미국 이미징 시스템은 빠른 임상 번역을위한 주요 기준이되는, 상대적으로, 휴대용 비용 효과적이고 빠르게 할 수 있습니다. 내인성 및 외인성 대비 모두 사용, PAT 종양 physiopathology, 뇌 혈류 역학, 내부 장기, 안과, 혈관 조영술, 등을 연구하는 조직의 고해상도, 형태 기능 및 분자 이미징을 제공하고 있습니다. 10-16 이 문서에서는, 우리는 근적외선 (NIR) 광 흡수제 (예 : 메틸렌 블루, 이동 사용 nonionizing 광 음향 cystography의 실험 프로토콜 (PAC)를 보여줍니다독성 광학 혼탁 추적기 등 LD의 nanocages는, 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브). 조영제 가득 쥐의 방광은 photoacoustically 및 분광 생체 내에서 묘사되었다. 어떤 에이전트는 지속적으로 쥐의 방광 및 신장에 축적합니다. 따라서, 에이전트 축적으로 인해 발생할 수 있습니다 장기 독성은 제외 할 수 있습니다. 이 결과는 광 흡수의 조합으로 PAC는 잠재적으로 소아 환자에 대한 진정한 무해한 cystographic 양상 수 있다는 것을 의미한다. 시스템 구성은 시스템의 정렬은 생체 / 생체 이미징 절차에서이 문서에 설명되어 있습니다.

<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

라디오 불투명 한 염료를 사용하여 진단 X-레이를 기반으로 기존의 소아 cystography는 유해 전리 방사선의 사용 겪고있다. 방사선 노출로 인한 어린이 방광 암의 위험이 많은 다른 암보다 더 중요하다. 여기에서 우리는 근적외선 (NIR) 광 흡수제 (예 : 메틸렌 블루, 플라즈몬 금 나노, 또는 단일 벽 탄소 나노 튜브를 사용하여, 광 음향 cystography (PAC)로 불리는 요도 방광의 nonionizing 및 비침 투 광 음향 (PA) 영상의 가능성을 보여 ) 광 혼탁 추적 등. 우리는 성공적으로 암시 야 공 촛점 PAC 시스템을 사용하여 광 흡수 에이전트가 가득 쥐의 방광을 몇 군데있다. 조영제의 요도 주입 한 후 쥐의 방광 상당한 PA 신호 향상을 달성하여 photoacoustically 시각이었다. 축적 분광 PA 영상에 의해 확인되었다. 또한, 단 레이저 펄스 에너지를 사용하여이하 엠제이 / cm 2 (안전 한계의 1 / 20), 우리의 현재 이미징 시스템의 깊이에 메틸렌 블루 - 채워진 쥐 방광을 매핑 할 수 생체 내에서 생체 조직에 1cm 이상. 생체 내 및 생체 PA 이미징 결과에 모두 대비 에이전트가 자연적으로 소변을 통해 배설 된 것을 확인합니다. 따라서, 임상 변환을 용이하게 장기 독성 에이전트 축적에 대한 염려가 없습니다.

그림 1은 광 혼탁 메틸렌 블루 (MB)를 사용하여 생체 nonionizing 및 비 침습적 인 PAC에서 보여줍니다. 제어 PA 이미지는 MB (그림 1A)를위한 최대 광 흡수에, 667 nm에서 얻어졌다. FOV에있는 혈관이 명확하게 시각화 비록이 파장에서 광학적으로 투명하기 때문에, 방광이 보이지 않습니다. 그림 1B에서 보는 바와 같이, 방광 명확 0.2 시간 MB의 후 분사에서 ?...

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Photoacoustic Cystography

광 음향 cystography (PAC)는 어떤 전리 방사선이나 독성 조영제를 사용하지 않고 요도 방광, 소아 환자에서 방사선에 민감한 내부 장기를 매핑 할 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에서 우리는 쥐 광학 불투명 추적자의 주입 요도 방광을 매핑 PAC의 사용을 보여줍니다<em&gt; 생체 내</em&gt;.

광 음향 Cystography

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 조회수.  University at Buffalo, The State University of New York. 광 음향 cystography (PAC)는 어떤 전리 방사선이나 독성 조영제를 사용하지 않고 요도 방광, 소아 환자에서 방사선에 민감한 내부 장기를 매핑 할 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에서 우리는 쥐 광학 불투명 추적자의 주입 요도 방광을 매핑 PAC의 사용을 보여줍니다 생체 내.

비디오: 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.

입체 광학 해상도 Photoacoustic 현미경

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

연구

생체공학

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.

Photoacoustic Flowmetry를 사용하여 순환 흑색증 전지의 탐지 및 격리

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.

통합 Photoacoustic Ophthalmoscopy 및 스펙트럼 도메인 광 결맞음 단층 촬영 장치

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.

금 나노 막대를 포함하는 세포 차량의 제조 및 광 음향 분석

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.

전환 가능한 음향 및 광학 해상도 Photoacoustic Microscopy for<em&gt; In Vivo</em&gt; 소 동물 혈관 조영술

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.

다음을위한 고성능 컴팩트 광 음향 단층 촬영 시스템<em&gt; In Vivo</em&gt; 소형 동물 뇌 영상

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.

휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템

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.

쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 염료의 세척 및 세척을 모니터링 하기 위한 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영

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.

광음향 유동 세포측정을 이용한 난소암 검출

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.

혈관 시각화를 위한 이중 래스터 스캐닝 광음향 소형 동물 이미지

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