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
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Die Autoren bedanken sich bei der Clemson University, COMSET und Clemson SC BioCRAFT. Das XELCI-Setup wurde zunächst mit Mitteln von NSF CAREER CHE 12255535 und später von NIH NIAMS R01 AR070305-01 entwickelt.

Dieses Verfahren folgt den Tierverwendungsprotokollen, die vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Clemson University genehmigt wurden. Die Experimente werden gemäß dem Clemson University Biosafety Committee (IBC) und dem Radiation Safety Committee (RSC) sowie unter Einhaltung der einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.
HINWEIS: Ein Flussdiagramm zum Abschließen eines XELCI-Scans ist unten in Abbildung 5 dargestellt, gefol...

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	<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. 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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. 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Um orthopädische Implantat-assoziierte Infektionen frühzeitig erkennen und untersuchen zu können, um Komplikationen durch Osteomyelitis und sekundäre chirurgische Eingriffe zu vermeiden, haben wir XELCI als neuartiges, funktionelles Bildgebungsverfahren eingeführt. Sie ist vergleichbar mit den derzeit verfügbaren Techniken zur pH-Überwachung durch Gewebe.
Bei der Positionierung der Probe für die Bildgebung verwenden wir eine Lasertraverse, die mit einer Polykapillar-Fokussieroptik verb...

In den Vereinigten Staaten werden jährlich etwa 2 Millionen Frakturfixierungsgeräte eingesetzt, von denen 5 % bis 10 % zu implantatassoziierten Infektionen führen1. Diese Infektionen sind in späteren Stadien aufgrund der Heterogenität und Antibiotikaresistenz der Biofilme schwieriger mit Antibiotika zu behandeln 2,3. Wenn sie frühzeitig diagnostiziert werden, können Infektionen mit Antibiotika und chirurgischem Debridement behandelt werden, um zusätzliche medizinische Kosten für eine zweite Operation zu vermeiden, bei der die Hardware an der behandelten Frakturstelle ersetzt wird. Einfache Röntgenaufnahmen und andere fortschrittliche Röntgentechniken werden bei der Diagnose von orthopädischen Implantat-assoziierten Infektionen, Pseudarthrosen und damit verbundenen Komplikationen eingesetzt. Obwohl diese Techniken häufig verwendet werden, um strukturelle Informationen über den umgebenden Knochen und das umgebende Gewebe am orthopädischen Implantat zu erhalten, sind sie nicht in der Lage, biochemische Informationen in der spezifischen Umgebung zu liefern. Daher haben wir eine neuartige röntgenangeregte lumineszenzchemische Bildgebungstechnik (XELCI) entwickelt, mit der biochemische Informationen nicht-invasiv am Implantatort abgebildet werden können. Die Diagnostik von orthopädischen Implantat-assoziierten Infektionen erfolgt in der Regel mit einem oder einer Kombination verschiedener Methoden. Klinische Beobachtungen (Schmerzen, Schwellungen, Rötungen, Wundausfluss etc.) deuten auf erste Anzeichen einer Infektion hin. Später werden radiologische und labortechnische Experimente durchgeführt, um das Versagen der Knochenheilungsprogression zu bestätigen und den pathogenen Erreger zu identifizieren 4,5. Zur besseren Darstellung des infizierten Implantats und der damit verbundenen Infektion werden nuklearmedizinische Verfahren wie Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Radionukleotidmethoden wie die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt 6,7. CT und MRT sind vorteilhaft bei der Bestimmung von Knochennekrosen bzw. Weichteilanomalien, verursachen jedoch Interferenzen in geringem Abstand zu den Metallimplantaten8. Verschiedene Röntgenmethoden wie SPECT und PET in Kombination mit Radioisotopen-markierten Analyten als in vivo bildgebende Kontrastmittel werden häufig zur Diagnose der implantatassoziierten Osteomyelitiseingesetzt 2. Aktuelle Anwendungen kombinieren sowohl Daten aus CT-Scans als auch Markierungsdaten aus SPECT oder PET, um anatomische Informationen zu generieren9. Obwohl eine oder mehrere dieser Bildgebungsmodalitäten zur Unterstützung der Infektionsdiagnose verwendet werden, können sie die mit der Infektion verbundenen pH-Schwankungen nicht frühzeitig erkennen, um die Behandlungen mit Antibiotika einzuleiten und zusätzliche medizinische und chirurgische Kosten zu vermeiden.
Der Hauptvorteil des in dieser Studie verwendeten Bildgebungssystems zur Überwachung implantatassoziierter Infektionen besteht darin, dass es biochemische Informationen über die Mikroumgebung des Biofilms mit einer spektralen Referenz aufdecken kann. Obwohl das Hauptaugenmerk auf der Bildgebung und Kartierung des pH-Werts an der infizierten Stelle liegt, kann diese Methode geändert werden, um andere Biomarker zu überwachen, die spezifisch für implantatassoziierte Infektionen sind. XELCI ermöglicht es somit, die Pathophysiologie der Infektion zu verstehen. Die hochauflösende Bildgebung ermöglicht es, die Heterogenität während des Wachstums der Infektion abzubilden. Der pH-Wert an der Oberfläche, an der die Biofilmbildung stattfindet, ist sehr wichtig für das Verständnis biochemischer Veränderungen. Auch andere Veränderungen der Mikroumgebung können aufgrund von antibiotikabedingten Stressreaktionen von Bakterien auftreten10,11. Durch oberflächenspezifische und räumlich hochauflösende Bildgebung kann die antibiotische Wirkung auf die Biofilm-Mikroumgebung überwacht werden. Die Technik kann auch verwendet werden, um die Biofilmumgebung für gezielte Experimente zur Verabreichung von Medikamenten zu untersuchen. Wir können die gezielte Freisetzung von Medikamenten mit niedrigem pH-Wert oder die Erhöhung des pH-Werts untersuchen, um sie anfälliger für die Arbeit bei einem höheren pH-Wert zu machen.
Drei spezifische Merkmale dieses Bildgebungsverfahrens sind die Röntgenauflösung, die Spezifität der Implantatoberfläche und die chemische Empfindlichkeit (Abbildung 1A). Diese Merkmale können mit den derzeit verfügbaren bildgebenden Verfahren zur Bildgebung orthopädischer implantatbedingter Infektionen verglichen werden (Abbildung 1B). Nach der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen erzeugen Phosphorpartikel, die auf der Implantatoberfläche beschichtet sind, rotes Licht und Nah-IR-Licht (NIR), das einige Zentimeter Gewebe durchdringen kann (wenn auch mit einer gewissen Dämpfung)12,13. Tabelle 1 zeigt einige der Merkmale des entwickelten Bildgebungssystems im Vergleich zu anderen Methoden, die zur Messung des pH-Werts in Biofilmen oder durch Gewebe verwendet wurden.
XELCI ist ein neuartiges bildgebendes Verfahren zur optischen Erfassung chemischer Informationen mit hoher räumlicher Auflösung in der Nähe von implantierten medizinischen Geräten in Kombination mit Röntgenanregung, wie in Abbildung 2 dargestellt. Hier wird die selektive Anregung und optische Detektion von röntgenerregbaren Phosphorpartikeln genutzt. Das Implantat ist mit zwei Schichten beschichtet, einer pH-empfindlichen, farbstoffinkorporierten Polymerschicht über einer Schicht aus Szintillatorpartikeln. Sobald eine Sequenz von fokussierten Röntgenstrahlen das Implantat bestrahlt, erzeugt die Szintillatorschicht sichtbares Licht (620 nm und 700 nm). Dieses erzeugte Licht durchdringt die pH-empfindliche Schicht und moduliert das Lumineszenzspektrum in Abhängigkeit vom pH-Wert der Umgebung. Ein niedriger pH-Wert wird im Allgemeinen mit Infektionen und Biofilmbildung in Verbindung gebracht. Mit fortschreitender Infektion ändert sich der pH-Wert von physiologischem pH-Wert (pH 7,2) zu sauer (weniger als pH 7), und der pH-Farbstoff im Sensor ändert seine Farbe und damit seine Absorption. Die Variation des Lumineszenzspektrums ist in Abbildung 2E für den pH-Farbstoff Bromocresolgrün bei pH 7 und pH 4 dargestellt. Das durch Gewebe und Knochen durchgelassene Licht wird gesammelt und das spektrale Verhältnis bestimmt den pH-Wert. Um ein pH-Bild zu erzeugen, bestrahlt der fokussierte Röntgenstrahl jeweils einen Punkt in der Szintillatorfolie und tastet den Strahl Punkt für Punkt über die Probe ab. Zuvor wurde diese Technik angewendet, um pH-Variationen auf der Oberfläche der orthopädischen Implantate darzustellen14,15 und wurde getestet, um pH-Variationen im Markkanal durch Knochen und Gewebe zu überwachen.
Abbildung 3 unten zeigt eine schematische Darstellung des Bildgebungssystems. Grundlegende Komponenten des Bildgebungssystems sind die Röntgenanregungsquelle mit Polykapillaroptik, ein einteiliger Acryl-Lichtleiter, der mit zwei Photomultiplier-Röhren verbunden ist, der motorisierte x-, y- und z-Tisch (30 cm x 15 cm x 6 cm Verfahrweg) und der zur Datenerfassung angeschlossene Computer. Die Röntgenquelle, der x,y,z-Tisch und die Sammeloptik (Winkel, Lichtleiter, Photomultiplier-Röhren (PMTs)) befinden sich im röntgensicheren Gehäuse, während der Röntgencontroller, die Stromquelle für PMTs, der Funktionsgenerator, der mit der Datenerfassungsplatine (DAQ) und dem Computer verbunden ist, draußen untergebracht sind. Als Verriegelung dient ein Druckknopf, Schließerschalter, der zwischen dem Gehäuse und der Vorderseite der Tür platziert ist. Wenn die Tür nicht vollständig geschlossen ist (der Verriegelungsschalter ist geöffnet), schaltet sich die Röntgenquelle nicht ein und schaltet die Röntgenquelle automatisch aus, wenn sie während des Betriebs geöffnet wird. Die Motoren können einen kontinuierlichen Scan durchführen und an einen beliebigen diskreten Ort bewegt werden. Die Scangeschwindigkeit für die y-Achse beträgt in der Regel 1-5 mm/s, während die Schrittweite auf der x-Achse typischerweise von 150-2000 μm gewählt werden kann. Die Parameter können je nach benötigter räumlicher Auflösung gewählt werden. Gleichmäßige Belichtungszeiten werden durch eine konstante Geschwindigkeit während eines kontinuierlichen Scans bestätigt.
Sobald der fokussierte Röntgenstrahl auf die Röntgenlumineszenzpartikel bestrahlt wird, durchdringt das erzeugte Licht den pH-empfindlichen Film, indem es das Licht in Abhängigkeit vom umgebenden pH-Wert moduliert. Das transmittierte Licht interagiert (streut und absorbiert teilweise) mit einem Gewebe, während die Lichtabschwächung durch Streuung und Absorption mit zunehmender Gewebedicke zunimmt. Die Optik der Kollektion umfasst einen einteiligen, gegabelten Acryl-Lichtleiter, der zu Beginn mit einem reflektierenden Aluminiumbogen (mit 90°-Biegung und polierter reflektierender Innenfläche) ausgestattet ist. Dadurch soll sichergestellt werden, dass das Licht kollimiert wird, sobald das Licht den Lichtleiter erreicht. Diese Ergänzungen verbesserten die Effizienz der Lichtsammlung erheblich. Für weitere Details zeigt Abbildung 4 die Maschinenzeichnungen des Bogens und des Lichtleiters. Der 90°-Bogen wurde aus Aluminium gefräst, die Innenfläche auf Hochglanz poliert und der Lichtleiter mit Acryl bearbeitet. Wir haben auch einen Breitband-Langpass-Blaulichtfilter (der 350-450 nm Licht blockiert) am Anfang des Ellbogens angebracht, um sicherzustellen, dass nur rotes Licht durchgelassen wird. Das Ende des einteiligen Acryl-Lichtleiters teilt sich in zwei Ströme, die zu zwei verschiedenen PMTs führen. Die PMTs sind in einer kleinen lichtdichten Metallbox eingeschlossen, die mit einem thermoelektrischen Kühler in Kontakt steht, um die PMTs auf ~5 °C abzukühlen. Am Anfang eines der PMTs ist ein Schmalbereichs-Langpassfilter (der 570-640 nm Licht blockiert und 640-740 nm Licht durchlässt) angebracht, um nur das 700 nm Licht zu messen. Daher können die Lichtverhältnisse von 620 nm und 700 nm separat berechnet werden. Die PMTs sind im Photonenzählmodus aufgebaut und erzeugen für jedes detektierte Photon Transistor-Transistor-Logik-Impulse (TTL). Ein Datenerfassungssystem zählt die Impulse (Sättigungspunkt 20 Millionen Impulse pro Sekunde) über USB-Kommunikation. Nach der Verarbeitung der Daten werden zwei separate Intensitätskarten erstellt, und unter Berücksichtigung des Verhältnisses der Signalwellenlängenintensität (620 nm) zur Referenzwellenlängenintensität (700 nm) wird ein endgültiges Bild erstellt. Dieses Verhältnis erklärt Unterschiede in der Gesamtlichtsammeleffizienz, die stark von der Position der Sammeloptik, der Röntgenbestrahlungsintensität und der Gewebedicke abhängen. Darüber hinaus ist eine räumlich getrennte Referenzregion ohne pH-Indikatorfarbstoff für die spektrale Verzerrung durch wellenlängenabhängige Gewebepenetration verantwortlich. Eine grafikbasierte Programmiersprache wird zur Steuerung des Bildgebungssystems verwendet, und ein grundlegendes Flussdiagramm des Vorgangs ist unten dargestellt. Der Bildgebungsaufbau ist mit Ausnahme des Computers, des Röntgencontrollers und der Datenerfassungseinheit in einem sicheren Röntgengehäuse untergebracht, um die Strahlenbelastung zu minimieren.

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

Mikrobielle Infektionen, die mit implantierbaren medizinischen Geräten in Verbindung gebracht werden, sind ein großes Problem für das Versagen der Frakturfixierung. Eine frühzeitige Diagnose einer solchen Infektion ermöglicht eine erfolgreiche Eradikation mit Antibiotika ohne zusätzliche Kosten für eine zweite Operation. In dieser Arbeit beschreiben wir XELCI als eine Technik mit hoher Röntgenauflösung, Implantatspezifität und chemischer Empfindlichkeit gegenüber nicht-invasiv abgebildeten chemischen Konzentrationen in der Nähe der Oberfläche implantierter medizinischer Geräte. Die Geräte sind mit chemisch berichtenden Oberflächen beschichtet. Diese chemisch ansprechende Oberfläche besteht aus zwei Schichten, die auf ein implantierbares medizinisches Gerät aufgetragen sind. eine pH-empfindliche Schicht (Bromthymolblau oder Bromkresolgrün eingearbeitetes Hydrogel), die zur Überwachung über eine rotlichtemittierende Szintillatorschicht (Gd2 O2S: Eu) aufgetragen wird. Ein fokussierter Röntgenstrahl bestrahlt einen Punkt auf dem Implantat, und das vom Szintillator erzeugte rote Licht (mit 620 nm und 700 nm Peaks) wird durch die Sensorschicht übertragen, wodurch sich das spektrale Verhältnis je nach pH-Wert ändert. Ein Bild wird erzeugt, indem der Röntgenstrahl über das Implantat abgetastet und das spektrale Verhältnis des Lichts, das das Gewebe durchdringt, Punkt für Punkt gemessen wird. Wir nutzten dieses bildgebende Verfahren zur Überwachung von implantatassoziierten Infektionen, die zuvor auf der Knochenoberfläche des Femurs mit einem modifizierten implantierbaren Plattensensor aufgetreten waren. Jetzt untersuchen wir pH-Veränderungen, die durch Infektionen des Tibia-Markstäbchens auftreten. Zwei verschiedene Arten von Markstäben werden in Studien mit Kaninchen vor dem Pilotprojekt verwendet, und wir haben gelernt, dass die XELCI-Technik verwendet werden kann, um chemische Veränderungen zu überwachen, die nicht nur auf der Knochenoberfläche, sondern auch im Inneren des Knochens auftreten. Dies ermöglicht eine nicht-invasive Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung und niedrigem lokalen pH-Hintergrund, um die Biochemie implantatassoziierter Infektionen zu untersuchen.

Als Vorstudie haben wir den intramedullären Stäbchensensor in einer aufgebohrten Tibia eines Kaninchenkadaversabgebildet 14. Der Sensor verfügt über drei verschiedene Bereiche: den Referenzbereich, den pH-8-Bereich (basischer pH-Wert) und den pH-4-Bereich (saurer pH-Wert). Der Referenzbereich ist das Szintillatorpartikel (Gd 2 O2S:Eu), das in eine aufgeraute Epoxidfolie eingearbeitet ist. Die charakteristischen sauren und basischen pH-Bereiche repräsentieren infizierte u...

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

In dieser Arbeit stellen wir ein Protokoll zur hochauflösenden optischen Detektion chemischer Informationen um implantierte medizinische Geräte mit röntgenangeregter lumineszenzchemischer Bildgebung (XELCI) vor. Dieses neuartige bildgebende Verfahren wird in unserem Labor entwickelt und ermöglicht die Untersuchung der Biochemie implantatassoziierter Infektionen.

Chemische Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung von implantatassoziierten Infektionen mit röntgenangeregter Lumineszenz-chemischer Bildgebung durch Gewebe

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

Diese Technik wird es uns ermöglichen, biochemische Veränderungen von implantatassoziierten Infektionen durch Knochen und Gewebe abzubilden und zu kartieren. Wir können hochauflösende Bilder von den Schwankungen der chemischen Konzentrationen in der Nähe von Implantatoberflächen erhalten. Dies wird es uns ermöglichen, die lokale chemische Umgebung in der Nähe von Implantat-assoziierten Infektionen zu überwachen.Erin Levon, Doktorandin am Department of Biological Sciences, demonstriert das bakterielle Kultivierungsverfahren. Schalten Sie zunächst den PMT-Kühler ein und führen Sie die restlichen Initialisierungsschritte durch, bevor Sie die PMTs einschalten. Öffnen Sie dann die Steuerungssoftware des Bildgebungssystems und bewegen Sie die X- und Y-Achse des Tisches in die gewünschte Ausgangsposition.Platzieren Sie die Probe auf dem beweglichen xyz-Tisch und positionieren Sie die Probenhöhe so, dass sich das Radiolumineszenzgerät 5 bis 5,5 Zentimeter unter der Polykapillarfokusoptik befindet, indem Sie die Röntgenquelle und/oder den Tisch anheben oder absenken. Positionieren Sie die Probe außerdem mit Hilfe der Lasertraverse in der x-y-Ebene und entfernen Sie die Fokussieroptik, um eine einfache Röntgenaufnahme der Probe zu erhalten. Befestigen Sie die Drucktastenverriegelung an der Vordertür des Bildgebungsgehäuses.Schalten Sie dann die Röntgenquelle ein. Öffnen Sie als Nächstes die Röntgensteuerungssoftware. Stellen Sie die Röntgenleistung ein und öffnen Sie den Röntgenverschluss mit der Röntgensteuerungssoftware.Öffnen Sie dann die Software für die Röntgenkamera und klicken Sie auf die Schaltfläche Belichtung, um das einfache Röntgenbild aufzunehmen. Schalten Sie die Belichtung und das Röntgenbild aus und öffnen Sie dann die Gehäuseklappe. Schließen Sie die Polykapillaroptik wieder an die Röntgenquelle an.Schließen Sie dann das Gehäuse, sichern Sie die Verriegelung und schalten Sie das PMT-Netzteil ein. Öffnen Sie als Nächstes die Steuerungssoftware des Bildgebungssystems und geben Sie die Schrittweite, die Scangeschwindigkeit und den Scanbereich an. Sobald alle Parameter eingestellt sind, starten Sie den Scan, indem Sie auf die Schaltfläche Ausführen klicken.Führen Sie einen Hintergrundscan bei ausgeschaltetem Röntgenbild durch, um die Dunkelzählung von allen im Gehäuse vorhandenen Lichtern außer der Probe zu bestimmen. Nachdem Sie sich mit der Lasertraverse vergewissert haben, dass sich die Probe in der richtigen Position befindet, schließen Sie das Gehäuse und sichern Sie die Verriegelung. Öffnen Sie dann die Steuerungssoftware des Bildgebungssystems und geben Sie die Werte für Schrittweite, Scangeschwindigkeit und Scanbereich ein.Sobald alle Parameter eingestellt sind, klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen, um den Scan zu starten und den Scan für die Probe mit eingeschaltetem Röntgenbild zu erhalten. Führen Sie zunächst den Scan mit niedriger Auflösung mit größeren Schrittweiten und höherer Scangeschwindigkeit durch, um ein vorläufiges Bild des Ziels zu erhalten. Nachdem Sie einen Scan mit niedriger Auflösung des gewünschten Bereichs der Probe erhalten haben, erhalten Sie den Scan mit höherer Auflösung und kleinerer Schrittweite und geringerer Scangeschwindigkeit.Um eine frische Kultur von Staphylococcus aureus 1945 herzustellen, verwenden Sie eine Kolonie aus einer tryptischen Soja-Agar-Platte, die innerhalb einer Woche gestreift wurde, um drei Milliliter sterile tryptische Sojabrühe zu impfen. Anschließend die Bakterienkultur bei 37 Grad Celsius für 16 bis 18 Stunden bis zur stationären Phase leicht schütteln. Als nächstes pelletieren Sie die Kultur aus der tryptischen Sojabrühe durch Zentrifugation bei 4.000 g für 10 Minuten bei Raumtemperatur und waschen Sie das Pellet zweimal mit PBS.Quantifizieren Sie die Bakterienkonzentration anhand der optischen Dichte bei 600 Nanometern unter Verwendung des linearen Bereichs, d. h. des optischen Dichtebereichs, in dem das Beer-Lambert-Gesetz verifiziert wird. Anschließend wird die Probe mit 200.000 Zellen pro Milliliter mit sterilem PBS verdünnt. Sterilisieren Sie den tryptischen Soja-Agar durch Autoklavieren und kühlen Sie ihn dann durch Mischen ab, bis die Temperatur 45 Grad Celsius erreicht.Als nächstes impfen Sie die Bakterien in den tryptischen Soja-Agar. Als nächstes pipettieren Sie die verdünnte Bakterienkultur auf die Oberfläche des implantierbaren Sensors und 100 Mikroliter ungeimpftes tryptisches Soja-Agar über ein anderes steriles Implantat zur Kontrolle. Geben Sie zusätzlich 100 Mikroliter ungeimpftes tryptisches Soja-Agar über den implantierbaren Sensor, bevor er vor der Implantation 48 Stunden lang bei 37 Grad Celsius inkubiert wird.Nach Abschluss des Scans wurden die Bilder bei 620 Nanometern, 700 Nanometern bzw. Ratio in MatLab erzeugt, und die Farbänderung zeigte die Änderungen des pH-Werts an. Da der basische pH-Bereich das emittierte Licht deutlich absorbiert als der saure pH-Bereich, erscheint der niedrigere pH-Bereich bei 620 Nanometern als helleres Signal. Die Szintillatoremission bei 700 Nanometern dient als spektrale Referenz für Inkonsistenzen im Szintillatorfilm, Änderungen der Gewebezusammensetzung und alle Veränderungen, die in der Position der Detektionsoptik von Scan zu Scan auftreten.Die Probe muss korrekt auf dem Tisch positioniert werden. Das PMT-Netzteil sollte vor dem Einschalten der Raumbeleuchtung oder dem Öffnen des Gehäuses ausgeschaltet werden, und vor der hochauflösenden Bildgebung sollte ein Scan mit niedriger Auflösung durchgeführt werden. Anstelle der Röntgenquelle können wir eine Ultraschallquelle verwenden, um eine chemische Ultraschall-Lumineszenz-Bildgebung durchzuführen, um pH-Änderungen im Zusammenhang mit implantierten medizinischen Geräten zu überwachen.Ja, nach der Optimierung des Systems konnten wir pH-Schwankungen in der Markhöhle des Knochens im Vergleich zur Knochenoberfläche feststellen, die zur Untersuchung von Osteomyelitis verwendet werden könnten.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Free Radicals in Chemical Biology: ab chemisches Verhalten, um Biomarker Entwicklung

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

Forschung

Chemie

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

Die konfokale Bildgebung von Enge und Ruhe Fließende Kolloid-Polymer-Mischungen

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

Vorbereitung adhärenter Zellen für die Röntgenfluoreszenzbildgebung durch chemische Fixierung

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 Durchflussreaktoren Simulation natürlicher Hydrothermale Systeme

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

Quantifizierung der Fluoreszenz Röntgendaten mit 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

Chemischen Niederschlag-Methode für die Synthese von Nb2O5 geändert, Bulk-Nickel-Katalysatoren mit hoher spezifischer Oberfläche

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

Elementar-Sensitive Detektion der Chemie in Batterien durch weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie und resonanten unelastische Röntgenstreuung

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

Liganden-vermittelten Keimbildung und das Wachstum von Palladium Metall-Nanopartikeln

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

Physikalische Charakterisierung einzelner metallischer Nanopartikel in hoher Auflösung

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

Lumineszenz-Lebensdauer-Bildgebung von O2 mit einem Frequency-Domain-basierten Kamerasystem

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 ...