Name: high spatial resolution chemical imaging of implant-associated infections with x-ray excited luminescence chemical imaging through tissue
Uploaded: 2022-09-30T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Spatial Resolution Chemical Imaging of Implant-Associated Infections with X-ray Excited Luminescence Chemical Imaging Through Tissue at JoVE.com

De auteurs willen graag Clemson University, COMSET en Clemson SC BioCRAFT bedanken. De XELCI-opstelling werd aanvankelijk ontwikkeld met fondsen van NSF CAREER CHE 12255535 en later door NIH NIAMS R01 AR070305-01.

Deze procedure volgt de protocollen voor diergebruik die zijn goedgekeurd door de Clemson University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). De experimenten worden uitgevoerd volgens de Clemson University Biosafety Committee (IBC) en radiation safety committee (RSC) en volgen de relevante richtlijnen en voorschriften.
OPMERKING: Een stroomdiagram van het voltooien van een XELCI-scan wordt hieronder weergegeven in figuur 5 , gevolgd door een gedetaille...

<ol>
	<li>Arciola, C. R., Alvi, F. I., An, Y. H., Campoccia, D., Montanaro, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implant+infection+and+infection+resistant+materials:+A+mini+review.">Implant infection and infection resistant materials: A mini review.</a> International Journal of Artificial Organs. 28 (11), 1119-1125 (2005).</li><li>Renick, P., Tang, L., Li, B., Moriarty, T. F., Webster, T., Xing, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Device-related+infections.">Device-related infections.</a> Racing for the Surface. , 171-188 (2020).</li><li>Stewart, P. S., Franklin, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiological+heterogeneity+in+biofilms.">Physiological heterogeneity in biofilms.</a> Nature Reviews Microbiology. 6 (3), 199-210 (2008).</li><li>Metsemakers, W. 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=Fracture-related+infection:+A+consensus+on+definition+from+an+international+expert+group.">Fracture-related infection: A consensus on definition from an international expert group.</a> Injury. 49 (3), 505-510 (2018).</li><li>Arciola, C. R., Campoccia, D., Montanaro, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implant+infections:+Adhesion,+biofilm+formation+and+immune+evasion.">Implant infections: Adhesion, biofilm formation and immune evasion.</a> Nature Reviews Microbiology. 16 (7), 397-409 (2018).</li><li>Polvoy, I., Flavell, R. R., Rosenberg, O. S., Ohliger, M. A., Wilson, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+Imaging+of+Bacterial+Infection:+The+State+of+the+Art+and+Future+Directions.">Nuclear Imaging of Bacterial Infection: The State of the Art and Future Directions.</a> Journal of Nuclear Medicine. 61 (12), 1708-1716 (2020).</li><li>vander Bruggen, W., Bleeker-Rovers, C. P., Boerman, O. C., Gotthardt, M., Oyen, W. J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PET+and+SPECT+in+Osteomyelitis+and+Prosthetic+Bone+and+Joint+Infections:+A+Systematic+Review.">PET and SPECT in Osteomyelitis and Prosthetic Bone and Joint Infections: A Systematic Review.</a> Seminars in Nuclear Medicine. 40 (1), 3-15 (2010).</li><li>Trampuz, A., Zimmerli, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosis+and+Treatment+of+infections+associated+with+fracture-fixation+devices.">Diagnosis and Treatment of infections associated with fracture-fixation devices.</a> Injury. 37 (2), 59-66 (2006).</li><li>Ady, J., Fong, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+for+infection:+From+visualization+of+inflammation+to+visualization+of+microbes.">Imaging for infection: From visualization of inflammation to visualization of microbes.</a> Surgical Infections. 15 (6), 700-707 (2014).</li><li>Truong-Bolduc, Q. C., 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=Implication+of+the+NorB+Efflux+pump+in+the+adaptation+of+Staphylococcus+Aureus+to+growth+at+acid+pH+and+in+resistance+to+Moxifloxacin.">Implication of the NorB Efflux pump in the adaptation of Staphylococcus Aureus to growth at acid pH and in resistance to Moxifloxacin.</a> Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 55 (7), 3214-3219 (2011).</li><li>Hengge-Aronis, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signal+transduction+and+regulatory+mechanisms+involved+in+control+of+the+&#963;S+(RpoS)+subunit+of+RNA+polymerase.">Signal transduction and regulatory mechanisms involved in control of the &#963;S (RpoS) subunit of RNA polymerase.</a> Microbiology and Molecular Biology Reviews. 66 (3), 373-395 (2002).</li><li>Gao, R., Yan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+phosphors+for+x-ray+detection.">Molecular phosphors for x-ray detection.</a> Science Bulletin. 67 (10), 1015-1017 (2022).</li><li>Gao, R., Fang, X., Yan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+in+stimuli-responsive+luminescent+films.">Recent developments in stimuli-responsive luminescent films.</a> Journal of Materials Chemistry C. 7 (12), 3399-3412 (2019).</li><li>Uzair, U., 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=Conformal+coating+of+orthopedic+plates+with+x-ray+scintillators+and+ph+indicators+for+x-ray+excited+luminescence+chemical+imaging+through+tissue.">Conformal coating of orthopedic plates with x-ray scintillators and ph indicators for x-ray excited luminescence chemical imaging through tissue.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (47), 52343-52353 (2020).</li><li>Uzair, U., Benza, D., Behrend, C. J., Anker, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasively+imaging+pH+at+the+surface+of+implanted+orthopedic+devices+with+x-ray+excited+luminescence+chemical+imaging.">Noninvasively imaging pH at the surface of implanted orthopedic devices with x-ray excited luminescence chemical imaging.</a> ACS Sensors. 4 (9), 2367-2374 (2019).</li><li>Begot, C., Desnier, I., Daudin, J. D., Labadie, J. C., Lebert, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recommendations+for+calculating+growth+parameters+by+optical+density+measurements.">Recommendations for calculating growth parameters by optical density measurements.</a> Journal of Microbiological Methods. 25 (3), 225-232 (1996).</li><li>Giering, K., Minet, O., Lamprecht, I., M&#252;ller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+thermal+properties+of+biological+tissues.">Review of thermal properties of biological tissues.</a> Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. , 45-65 (1995).</li><li>Hunter, R. C., Beveridge, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+a+pH-sensitive+fluoroprobe+(C-SNARF-4)+for+pH+microenvironment+analysis+in+Pseudomonas+aeruginosa+biofilms.">Application of a pH-sensitive fluoroprobe (C-SNARF-4) for pH microenvironment analysis in Pseudomonas aeruginosa biofilms.</a> Applied and Environmental Microbiology. 71 (5), 2501-2510 (2005).</li><li>Pogue, B. W., Leblond, F., Krishnaswamy, V., Paulsen, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiologic+and+Near-Infrared/Optical+Spectroscopic+Imaging:+Where+Is+the+Synergy.">Radiologic and Near-Infrared/Optical Spectroscopic Imaging: Where Is the Synergy.</a> American Journal of Roentgenology. 195 (2), 321-332 (2010).</li><li>Ryan, S. G., 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=Imaging+of+X-ray-excited+emissions+from+quantum+dots+and+biological+tissue+in+whole+mouse.">Imaging of X-ray-excited emissions from quantum dots and biological tissue in whole mouse.</a> Scientific Reports. 9 (1), 19223 (2019).</li><li>Yang, Y., Wang, K. -. Z., Yan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultralong+persistent+room+temperature+phosphorescence+of+metal+coordination+polymers+exhibiting+reversible+pH-responsive+emission.">Ultralong persistent room temperature phosphorescence of metal coordination polymers exhibiting reversible pH-responsive emission.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 8 (24), 15489-15496 (2016).</li><li>Chen, H., Rogalski, M. M., Anker, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+functional+X-ray+imaging+techniques+and+contrast+agents.">Advances in functional X-ray imaging techniques and contrast agents.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (39), 13469 (2012).</li><li>Allan, V. J. M., Macaskie, L. E., Callow, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+pH+gradient+within+a+biofilm+is+dependent+upon+the+limiting+nutrient.">Development of a pH gradient within a biofilm is dependent upon the limiting nutrient.</a> Biotechnology letters. 21 (5), 407-413 (1999).</li><li>Wang, Z., Deng, H., Chen, L., Xiao, Y., Zhao, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+measurements+of+dissolved+oxygen,+pH+and+redox+potential+of+biocathode+microenvironments+using+microelectrodes.">In situ measurements of dissolved oxygen, pH and redox potential of biocathode microenvironments using microelectrodes.</a> Bioresource Technology. 132, 387-390 (2013).</li><li>Xiao, Y., 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+situ+probing+the+effect+of+potentials+on+the+microenvironment+of+heterotrophic+denitrification+biofilm+with+microelectrodes.">In situ probing the effect of potentials on the microenvironment of heterotrophic denitrification biofilm with microelectrodes.</a> Chemosphere. 93 (7), 1295-1130 (2013).</li><li>Nakata, E., 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=A+novel+strategy+to+design+latent+ratiometric+fluorescent+pH+probes+Based+on+self-assembled+SNARF+derivatives.">A novel strategy to design latent ratiometric fluorescent pH probes Based on self-assembled SNARF derivatives.</a> RSC Adv. 2014 (4), 348-357 (2014).</li><li>Villano, D., 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=A+fast+multislice+sequence+for+3D+MRI-CEST+pH.">A fast multislice sequence for 3D MRI-CEST pH.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 85 (3), 1335-1349 (2021).</li></ol>

Om orthopedische implantaat-geassocieerde infecties vroegtijdig te kunnen detecteren en bestuderen om complicaties van osteomyelitis en secundaire chirurgische procedures te voorkomen, hebben we XELCI geïntroduceerd als een nieuwe, functionele beeldvormingstechniek. Het is vergelijkbaar met de momenteel beschikbare technieken voor pH-monitoring via weefsel.
Tijdens het positioneren van het monster voor beeldvorming, gebruiken we een laserkruiskop verbonden met polycapillaire focusoptiek met t...

In de Verenigde Staten worden jaarlijks ongeveer 2 miljoen fractuurfixatieapparaten ingebracht en 5% -10% van hen leidt tot implantaatgerelateerde infecties1. Deze infecties zijn moeilijker te behandelen met antibiotica in latere stadia vanwege de heterogeniteit en antibioticaresistente aard van de biofilms 2,3. Als ze vroeg worden gediagnosticeerd, kunnen infecties worden behandeld met antibiotica en chirurgisch debridement om extra medische kosten te voorkomen voor een tweede operatie om hardware op de behandelde fractuurplaats te vervangen. Gewone radiografie en andere geavanceerde radiografische technieken worden toegepast bij de diagnose van orthopedische implantaat-geassocieerde infecties, niet-vakbonden en gerelateerde complicaties. Hoewel deze technieken vaak worden gebruikt om structurele informatie van het omliggende bot en weefsel bij het orthopedisch implantaat te verkrijgen, zijn ze niet in staat om biochemische informatie te verstrekken in de specifieke omgeving. Daarom ontwikkelden we een nieuwe X-ray excited luminescence chemical imaging (XELCI) techniek voor hoge resolutie beeldvorming van biochemische informatie niet-invasief op de implantaatplaats. Diagnose van orthopedische implantaat-geassocieerde infecties wordt vaak uitgevoerd door een of een combinatie van verschillende middelen. Klinische observaties (pijn, zwelling, roodheid, wondafscheiding, enz.) suggereren de eerste tekenen van infectie. Later worden radiologische en laboratoriumexperimenten uitgevoerd om het falen van de progressie van botgenezing te bevestigen en het pathogene organisme te identificeren 4,5. Nucleaire medische technieken zoals computertomografie (CT), magnetische resonantie beeldvorming (MRI) en radionucleotidemethoden zoals Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) en Positron Emission Tomography (PET) zijn in gebruik voor een betere visualisatie van het geïnfecteerde implantaat en de bijbehorende infectie 6,7. CT en MRI zijn voordelig bij het bepalen van respectievelijk botnecrose en wekedelenafwijkingen, maar veroorzaken interferenties op korte afstand van de metalen implantaten8. Verschillende röntgenmethoden zoals SPECT en PET in combinatie met radio-isotoop-gelabelde analyten als in vivo beeldvormende contrastmiddelen worden op grote schaal gebruikt om implantaat-geassocieerde osteomyelitis2 te diagnosticeren. Huidige toepassingen combineren zowel gegevens van CT-scans als etiketteringsgegevens van SPECT of PET om anatomische informatie te genereren9. Hoewel een of meer van deze beeldvormingsmodaliteiten worden gebruikt om de diagnose van infecties te helpen, kunnen ze de pH-variaties die gepaard gaan met infectie niet vroegtijdig detecteren om de behandelingen met antibiotica te starten om extra medische en chirurgische kosten te voorkomen.
Het belangrijkste voordeel van het gebruik van het beeldvormingssysteem dat in deze studie wordt gebruikt voor het monitoren van implantaat-geassocieerde infecties is het vermogen om biochemische informatie over de biofilmmicro-omgeving te onthullen met een spectrale referentie. Hoewel de nadruk ligt op het in kaart brengen van de pH op de geïnfecteerde plaats, kan deze methode worden gewijzigd om andere biomarkers te controleren die specifiek zijn voor implantaat-geassocieerde infecties. XELCI maakt het dus mogelijk om de pathofysiologie van de infectie te begrijpen. De hoge ruimtelijke resolutie beeldvorming maakt het mogelijk om heterogeniteit in kaart te brengen naarmate de infectie groeit. pH aan het oppervlak waar de biofilmvorming plaatsvindt, is erg belangrijk voor het begrijpen van biochemische veranderingen. Ook kunnen andere micro-omgevingsveranderingen optreden als gevolg van antibiotica-gerelateerde stressreacties door bacteriën10,11. Door oppervlaktespecifieke en hoge ruimtelijke resolutie beeldvorming kan het antibiotische effect op de biofilm micro-omgeving worden gemonitord. De techniek kan ook worden gebruikt om de biofilmomgeving te bestuderen voor gerichte medicijnafgifte-experimenten. We kunnen gerichte lage pH-medicijnafgifte of het verhogen van de pH bestuderen om ze vatbaarder te maken voor werken bij een hogere pH.
Drie specifieke kenmerken van deze beeldvormingstechniek zijn röntgenresolutie, specificiteit van het implantaatoppervlak en chemische gevoeligheid (figuur 1A). Deze kenmerken kunnen worden vergeleken met de momenteel beschikbare beeldvormende technieken voor het afbeelden van orthopedische implantaatgerelateerde infecties (figuur 1B). Eenmaal bestraald met röntgenstralen, genereren fosfordeeltjes die op het implantaatoppervlak zijn gecoat rood en bijna-IR (NIR) licht dat door een paar centimeter weefsel kan dringen (zij het met enige verzwakking)12,13. Tabel 1 toont enkele van de kenmerken van het ontwikkelde beeldvormingssysteem in vergelijking met andere manieren die zijn gebruikt om de pH in biofilms of door weefsel te meten.
XELCI is een nieuwe beeldvormingstechniek om chemische informatie met een hoge ruimtelijke resolutie optisch te verkrijgen in de buurt van geïmplanteerde medische hulpmiddelen in combinatie met röntgenexcitatie, zoals weergegeven in figuur 2. Hier wordt gebruik gemaakt van de selectieve excitatie en optische detectie van röntgenprikkelbare fosfordeeltjes. Het implantaat is gecoat met twee lagen, een pH-gevoelige kleurstof opgenomen polymeerlaag over een laag scintillatordeeltjes. Zodra een reeks gefocusseerde röntgenstralen het implantaat bestraalt, genereert de scintillatorlaag zichtbaar licht (620 nm en 700 nm). Dit geproduceerde licht passeert de pH-gevoelige laag en moduleert het luminescentiespectrum afhankelijk van de pH van de omgeving. Lage pH wordt over het algemeen geassocieerd met infectie en biofilmvorming; naarmate de infectie vordert, verandert de pH van fysiologische pH (pH 7,2) naar zuur (minder dan pH 7) en verandert de pH-kleurstof in de sensor van kleur en dus absorptie. De variatie van het luminescentiespectrum is weergegeven in figuur 2E voor bromocresolgroene pH-kleurstof bij pH 7 en pH 4. Het doorgelaten licht door weefsel en bot wordt opgevangen en de spectrale verhouding bepaalt de pH. Om een pH-beeld te genereren, bestraalt de gefocusseerde röntgenbundel punt voor punt in de scintillatorfilm en scant de bundel punt voor punt over het monster. Eerder werd deze techniek toegepast op beeld-pH-variatie op het oppervlak van de orthopedische implantaten14,15 en hebben deze getest om pH-variaties in het intramedullaire kanaal door bot en weefsel te volgen.
Figuur 3 hieronder toont een schema van het beeldvormingssysteem. Basiscomponenten van het beeldvormingssysteem zijn de röntgenexcitatiebron met polycapillaire optiek, een acryllichtgeleider uit één stuk die verbinding maakt met twee fotomultiplicatorbuizen, de x-, y- en z-gemotoriseerde trap (30 cm x 15 cm x 6 cm veerweg) en de computer die is aangesloten voor gegevensverzameling. De röntgenbron, x,y,z-fase en verzameloptiek (elleboog, lichtgeleider, fotomultiplicatorbuizen (PMT's)) bevinden zich in de röntgenbestendige behuizing, terwijl de röntgencontroller, stroombron voor PMT's, functiegenerator aangesloten op het data-acquisitiebord (DAQ) en de computer buiten worden gehouden. Een drukknop, normaal gesproken open schakelaar, geplaatst tussen de behuizing en de voorkant van de deur dient als een vergrendeling. Als de deur niet volledig gesloten is (de vergrendelingsschakelaar is open), wordt de röntgenbron niet ingeschakeld en wordt de röntgenbron automatisch uitgeschakeld als deze tijdens het gebruik wordt geopend. De motoren kunnen een continue scan uitvoeren en kunnen naar elke discrete locatie worden verplaatst. De scansnelheid voor de y-as is meestal 1-5 mm /s, terwijl de stapgrootte op de x-as meestal kan worden gekozen van 150-2000 μm. De parameters kunnen worden gekozen afhankelijk van de vereiste ruimtelijke resolutie. Zelfs belichtingstijden worden bevestigd door een consistente snelheid gedurende een continue scan.
Zodra de gefocusseerde röntgenstraal is bestraald op de röntgenluminescentiedeeltjes, zal het gegenereerde licht door de pH-gevoelige film gaan door het licht te moduleren afhankelijk van de omringende pH. Het doorgelaten licht zal interageren (verstrooien en gedeeltelijk absorberen) met een weefsel, terwijl de lichtverzwakking door verstrooiing en absorptie zal toenemen naarmate de weefseldikte toeneemt. De collectieoptiek omvat een uit één stuk gespleten acryllichtgeleider uitgerust met een reflecterende aluminium elleboog (met een 90 ° bocht en een gepolijst reflecterend binnenoppervlak) aan het begin. Dit is om ervoor te zorgen dat het licht wordt gecollimeerd zodra het licht de lichtgeleider bereikt. Deze toevoegingen verbeterden de efficiëntie van de lichtopvang aanzienlijk. Voor meer details toont figuur 4 de machinetekeningen van de elleboog en de lichtgeleider. De 90° elleboog werd uit aluminium gefreesd met het interne oppervlak gepolijst tot een spiegelafwerking en de lichtgeleider werd bewerkt met acryl. We hebben ook een breed bereik long-pass blauw lichtfilter (dat 350-450 nm licht blokkeert) aan het begin van de elleboog bevestigd om ervoor te zorgen dat alleen rood licht doorlaat. Het uiteinde van de acryllichtgeleider uit één stuk splitst zich in twee stromen die leiden tot twee verschillende PMT's. De PMT's zijn ingesloten in een kleine lichtdichte metalen doos die in contact staat met een thermo-elektrische koeler om de PMT's af te koelen tot ~5 °C. Aan het begin van een van de PMT's is een langdoorlaatfilter met een smal bereik (dat 570-640 nm-licht blokkeert en 640-740 nm-licht passeert) bevestigd om alleen het 700 nm-licht te meten. Daarom kan het licht van 620 nm en 700 nm afzonderlijk worden berekend. De PMT's zijn ingesteld in de fotonentelmodus en genereren transistor-transistorlogica (TTL) pulsen voor elk gedetecteerd foton. Een DAQ-systeem telt de pulsen (verzadigingspunt 20 miljoen pulsen per seconde) via USB-communicatie. Twee afzonderlijke intensiteitskaarten worden gegenereerd na het verwerken van de gegevens en een eindbeeld wordt gemaakt door rekening te houden met de verhouding tussen de signaalgolflengte-intensiteit (620 nm) en de referentiegolflengte-intensiteit (700 nm). Deze verhouding verklaart verschillen in totale lichtopvangefficiëntie, die sterk afhankelijk zijn van de positie van de verzameloptiek, de intensiteit van de röntgenstraling en de weefseldikte. Bovendien is een ruimtelijk gescheiden referentiegebied zonder pH-indicatorkleurstof verantwoordelijk voor spectrale vervorming door golflengteafhankelijke weefselpenetratie. Een grafische programmeertaal wordt gebruikt voor het besturen van het beeldvormingssysteem en een basisstroomdiagram van de bewerking wordt hieronder weergegeven. De beeldvormingsopstelling, met uitzondering van de computer, röntgencontroller en DAQ-eenheid, is ingesloten in een veilige röntgenbehuizing om blootstelling aan straling te minimaliseren.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>90 degree elbow</td>
			<td>Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bromo Cresol Green</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>45ZW10</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bromo Thymol Blue</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>76-59-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ElectraCOOL Advanced thermoelectric cool plate</td>
			<td>Pollock industries, White River, VT, USA</td>
			<td>TCP 50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Beantown Chemical, 9 Sagamore Park Road 
			Hudson, NH 03051</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gadolinium Oxysulfide Europium doped (Gd2O2S:Eu) particles-~8.0 &#181;m</td>
			<td>Phosphor Technologies Inc., Stevenage, England</td>
			<td>UKL63/N-R1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LabVIEW</td>
			<td>National Instruments, Austin, TX</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized Linear Vertical Stage Model (for Z axis)</td>
			<td>Motion Control, Smithtown, NY, USA</td>
			<td>AT10-60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>National instruments c-DAQ 9171</td>
			<td>National Instruments, Austin, TX</td>
			<td>NI cDAQ&#8482;-9171</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>One piece acrylic light guide</td>
			<td>Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH 4 buffer</td>
			<td>VWR BDH Chemicals</td>
			<td>BDH5024</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pH 8 buffer</td>
			<td>VWR BDH Chemicals</td>
			<td>BDH5060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffer Solution</td>
			<td>MP Biomedicals, Irvine, CA. USA</td>
			<td>2810305</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photo multiplier tubes Model P25PC-16</td>
			<td>SensTech, Surrey, UK</td>
			<td>Model P25PC-16</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Staphylococcus aureus subsp. aureus Rosenbach</td>
			<td>American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA</td>
			<td>ATCC 25923</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptic Soy Agar</td>
			<td>Teknova, Hollister, CA, USA</td>
			<td>&#160;T0520</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tryptic Soy Broth</td>
			<td>EMD Millipore, Burlington, MA, USA</td>
			<td>1005255000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray source-iMOXS</td>
			<td>Institute for Scientific Instruments GmbH, Berlin, Germany</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X,Y motorized stage-30 cm x 15 cm x 6 cm travel</td>
			<td>Thorlabs Inc., Newton, NJ, USA</td>
			<td>LTS300 and LTS150</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high spatial resolution chemical imaging of implant-associated infections with x-ray excited luminescence chemical imaging through tissue

Microbiële infecties geassocieerd met implanteerbare medische hulpmiddelen zijn een grote zorg bij het falen van de fractuurfixatie. Vroege diagnose van een dergelijke infectie zal een succesvolle uitroeiing met antibiotica mogelijk maken zonder extra kosten voor een tweede operatie. Hierin beschrijven we XELCI als een techniek met een hoge röntgenresolutie, implantaatspecificiteit en chemische gevoeligheid voor niet-invasieve chemische beeldconcentraties in de buurt van het oppervlak van geïmplanteerde medische hulpmiddelen. De apparaten zijn gecoat met chemisch rapporterende oppervlakken. Dit chemisch responsieve oppervlak bestaat uit twee lagen die zijn gecoat op een implanteerbaar medisch hulpmiddel; een pH-gevoelige laag (broomthymolblauw of broomcresolgroen opgenomen hydrogel) die is gecoat over een roodlichtgevende scintillator (Gd 2 O2S: Eu) laagvoor monitoring. Een gerichte röntgenstraal bestraalt een plek op het implantaat en het rode licht dat door de scintillator wordt gegenereerd (met pieken van 620 nm en 700 nm) wordt door de sensorlaag geleid, waardoor de spectrale verhouding afhankelijk van de pH verandert. Een beeld wordt gegenereerd door de röntgenstraal over het implantaat te scannen en de spectrale verhouding van het licht dat door het weefsel gaat punt voor punt te meten. We gebruikten deze beeldvormingstechniek voor het monitoren van implantaat-geassocieerde infecties eerder op het botoppervlak van het dijbeen met een gemodificeerde implanteerbare plaatsensor. Nu bestuderen we pH-veranderingen die optreden bij tibiale intramedullaire staafinfecties. Twee verschillende soorten intramedullaire staafontwerpen worden gebruikt in pre-pilot konijnenstudies, en we leerden dat de XELCI-techniek kan worden gebruikt om eventuele chemische veranderingen te volgen die niet alleen op het botoppervlak maar ook in het bot optreden. Dit maakt dus niet-invasieve, hoge ruimtelijke resolutie, lage achtergrond lokale pH-beeldvorming mogelijk om implantaat-geassocieerde infectiebiochemie te bestuderen.

Als voorstudie hebben we de intramedullaire staafsensor in beeld gebracht in een opgeruimd scheenbeen van een konijnenkadaver14. De sensor heeft drie verschillende gebieden: het referentiegebied, het pH 8-gebied (basisch pH) en het pH 4-gebied (zure pH). Het referentiegebied is het scintillator (Gd2 O2S:Eu) deeltje opgenomen in geruwde epoxyfilm. De kenmerkende zure en basische pH-regio's vertegenwoordigen geïnfecteerde en niet-geïnfecteerde situaties in het intramedullaire...

Watch this Scientific Journal Video about High Spatial Resolution Chemical Imaging of Implant-Associated Infections with X-ray Excited Luminescence Chemical Imaging Through Tissue at JoVE.com

High Spatial Resolution Chemical Imaging of Implant-Associated Infections with X-ray Excited Luminescence Chemical Imaging Through Tissue

Hier presenteren we een protocol voor optische detectie met hoge resolutie van chemische informatie rond geïmplanteerde medische apparaten met röntgen-geëxciteerde luminescentie chemische beeldvorming (XELCI). Deze nieuwe beeldvormingstechniek is ontwikkeld in ons laboratorium en maakt het mogelijk om implantaat-geassocieerde infectiebiochemie te bestuderen.

Hoge ruimtelijke resolutie chemische beeldvorming van implantaat-geassocieerde infecties met röntgen geëxciteerde luminescentie chemische beeldvorming door weefsel

Microbial infections associated with implantable medical devices are a major concern in fracture fixation failure. Early diagnosis of such infection will ...

Deze techniek zal ons in staat stellen om biochemische veranderingen van implantaat-geassocieerde infecties via bot en weefsel in beeld te brengen en in kaart te brengen. We kunnen beelden met een hoge resolutie verkrijgen van de variaties in chemische concentraties in de buurt van implantaatoppervlakken. Dit zal ons in staat stellen om de lokale chemische omgeving in de buurt van implantaat-geassocieerde infecties te monitoren.De bacteriële kweekprocedure wordt gedemonstreerd door Erin Levon, een afgestudeerde student van het Department of Biological Sciences. Schakel om te beginnen de PMT-koeler in en voer de rest van de initialisatiestappen uit voordat u de PMT's inschakelt. Open vervolgens de besturingssoftware van het beeldvormingssysteem en verplaats de x-as en de y-as van het podium naar de gewenste beginpositie.Plaats het monster op het beweegbare xyz-podium en plaats de monsterhoogte zo dat het radiolichtgevende apparaat 5 tot 5,5 centimeter onder de polycapillaire focusoptiek ligt door de röntgenbron en/of het podium te verhogen of te verlagen. Plaats het monster ook in het x-y-vlak met behulp van de laserkruiskop en verwijder de scherpsteloptiek voor het verkrijgen van de gewone röntgenfoto van het monster. Bevestig de drukknopvergrendeling bij de voordeur van de beeldbehuizing.Schakel vervolgens de stroom voor de röntgenbron in. Open vervolgens de röntgenbesturingssoftware. Stel het röntgenvermogen in en open de röntgensluiter met de röntgenbesturingssoftware.Open vervolgens de software voor de röntgencamera en druk op de belichtingsknop om de gewone röntgenfoto te maken. Schakel de belichting en de röntgenfoto uit en open vervolgens de deur van de behuizing. Sluit de polycapillaire optiek weer aan op de röntgenbron.Sluit vervolgens de behuizing, zet de vergrendeling vast en schakel de PMT-voeding in. Open vervolgens de besturingssoftware van het beeldvormingssysteem en geef de stapgrootte, scansnelheid en scangebied op. Zodra alle parameters zijn ingesteld, start u de scan door op de knop Uitvoeren te drukken.Voer een achtergrondscan uit met de röntgenfoto uitgeschakeld om het aantal donkere geluiden te bepalen aan de hand van ander licht in de behuizing dan het monster. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat het monster zich in de juiste positie bevindt met de laserkruiskop, sluit u de behuizing en zet u de vergrendeling vast. Open vervolgens de besturingssoftware van het beeldvormingssysteem en voer de waarden in voor stapgrootte, scansnelheid en scangebied.Zodra alle parameters zijn ingesteld, drukt u op de knop Uitvoeren om de scan te starten en de scan voor het monster te verkrijgen met de röntgenfoto ingeschakeld. Voer eerst de scan met lage resolutie uit met grotere stapgroottes en een hogere scansnelheid om een voorlopig beeld van het doel te verkrijgen. Nadat u een scan met lage resolutie van het gewenste gebied van het monster hebt verkregen, verkrijgt u de scan met een hogere resolutie met een kleinere stapgrootte en een lagere scansnelheid.Om een verse cultuur van staphylococcus aureus 1945 te bereiden, gebruikt u één kolonie van een tryptische soja-agarplaat, gestreept binnen een week om drie milliliter steriele tryptische sojabouillon te enten. Schud vervolgens de bacteriecultuur voorzichtig bij 37 graden Celsius gedurende 16 tot 18 uur tot de stationaire fase. Pellet vervolgens de cultuur uit de tryptische sojabouillon via centrifugeren op 4.000 g gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur en was de pellet twee keer met PBS.Kwantificeer de bacteriële concentratie met behulp van optische dichtheid op 600 nanometer met behulp van het lineaire bereik, het optische dichtheidsbereik waar de wet van Beer-Lambert wordt geverifieerd. Verdun vervolgens het monster 200.000 cellen per milliliter met behulp van steriele PBS. Steriliseer de tryptische soja-agar door autoclaveren en koel vervolgens af door te mengen tot de temperatuur 45 graden Celsius bereikt.Ent vervolgens de bacteriën in de tryptische soja-agar. Pipetteer vervolgens de verdunde bacteriecultuur op het oppervlak van de implanteerbare sensor en 100 microliter niet-geënte tryptische soja-agar over een ander steriel implantaat als controle. Voeg nog eens 100 microliter niet-geënte tryptische soja-agar toe aan de implanteerbare sensor voordat deze gedurende 48 uur voorafgaand aan de implantatie bij 37 graden Celsius wordt geïncubeerd.Na het voltooien van de scan werden de beelden van respectievelijk 620 nanometer, 700 nanometer en ratio gegenereerd in MatLab, en de verandering in kleur was indicatief voor de veranderingen in de pH. Omdat het basisch pH-gebied aanzienlijk meer uitgezonden licht absorbeert dan het zure pH-gebied, verschijnt het lagere pH-gebied als een helderder signaal op 620 nanometer. De scintillatoremissie op 700 nanometer fungeert als spectrale referentie voor inconsistenties in de scintillatorfilm, veranderingen in de weefselsamenstelling en eventuele veranderingen die optreden in de positie van de detectieoptiek van scan tot scan.Het monster moet correct op het podium worden geplaatst. PMT-voeding moet worden uitgeschakeld voordat het kamerlicht wordt ingeschakeld of de behuizing wordt geopend, en er moet een scan met een lage resolutie worden uitgevoerd voordat beelden met een hoge resolutie worden gemaakt. In plaats van de röntgenbron kunnen we een ultrasone bron gebruiken om ultrasone luminescentie chemische beeldvorming uit te voeren voor het monitoren van pH-veranderingen geassocieerd met geïmplanteerde medische apparaten.Ja, na optimalisatie van het systeem waren we in staat om pH-variaties in de intramedullaire holte van het bot te detecteren in vergelijking met het botoppervlak dat kon worden gebruikt om osteomyelitis te bestuderen.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Free Radicals in Chemical Biology: from Chemical Behavior to Biomarker Development

Free Radicals in Chemical Biology: van chemische gedrag tot Biomarker Development

The involvement of free radicals in life sciences has constantly increased with time and has been connected to several physiological and pathological ...

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

Confocale beeldvorming van Confined Quiescent en Vloeiende colloïd-polymeermengsels

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Preparing Adherent Cells for X-ray Fluorescence Imaging by Chemical Fixation

Het voorbereiden hechtende cellen voor X-stralen fluorescentie beeldvorming door Chemical Fixatie

X-ray fluorescence imaging allows us to non-destructively measure the spatial distribution and concentration of multiple elements simultaneously over ...

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Chemische Gardens als doorstroomreactoren simuleren Natural Hydrothermal Systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

Quantifying X-Ray Fluorescence Data Using MAPS

Kwantificeren van Röntgen fluorescentie gegevens met behulp van MAPS

The quantification of X-ray fluorescence (XRF) microscopy maps by fitting the raw spectra to a known standard is crucial for evaluating chemical ...

Chemical Precipitation Method for the Synthesis of Nb2O5 Modified Bulk Nickel Catalysts with High Specific Surface Area

Chemical Precipitation Method for the Synthesis of Nb2O5 Modified Bulk Nickel Catalysts with High Specific Surface Area

Chemische neerslag methode voor de synthese van Nb2O5 bewerkt Bulk nikkel katalysatoren met hoge specifieke oppervlakte

We demonstrate a method for the synthesis of NixNb1-xO catalysts with sponge-like and fold-like nanostructures. By varying the Nb:Ni ratio, a series of ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

Elemental-gevoelige detectie van de chemie in batterijen door zachte X-ray Absorptie spectroscopie en Resonant inelastisch X-ray Scattering

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

Ligand-Mediated Nucleation and Growth of Palladium Metal Nanoparticles

Ligand-gemedieerde nucleatie en groei van Palladium metalen nanodeeltjes

The size, size distribution and stability of colloidal nanoparticles are greatly affected by the presence of capping ligands. Despite the key contribution ...

High Resolution Physical Characterization of Single Metallic Nanoparticles

Fysische karakterisering van enkele metallische nanodeeltjes in hoge resolutie

Individual molecules can be detected and characterized by measuring the degree by which they reduce the ionic current flowing through a single ...

Luminescence Lifetime Imaging of O2 with a Frequency-Domain-Based Camera System

Luminescence Lifetime Imaging of O2 with a Frequency-Domain-Based Camera System

Luminescentie Lifetime beeldvorming van O2 met een op frequentiedomein gebaseerd camera systeem

We describe a method to image dissolved oxygen (O2), in 2D at high spatial (&#60; 50-100 &#181;m) and temporal (&#60; 10 s) resolution. The method employs ...