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

Forfatterne vil gjerne takke Clemson University, COMSET og Clemson SC BioCRAFT. XELCI-oppsettet ble opprinnelig utviklet med midler fra NSF CAREER CHE 12255535 og senere av NIH NIAMS R01 AR070305-01.

Denne prosedyren følger dyrebruksprotokollene godkjent av Clemson University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). Forsøkene utføres i henhold til Clemson University Biosafety Committee (IBC) og strålingssikkerhetskomiteen (RSC), samt i henhold til relevante retningslinjer og forskrifter.
MERK: Et flytskjema for å fullføre en XELCI-skanning er vist nedenfor i figur 5 etterfulgt av en detaljert trinnvis beskrivelse av bildeprosedyren.
<p cl...

<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>

For å kunne oppdage og studere ortopediske implantatassosierte infeksjoner tidlig for å unngå komplikasjoner fra osteomyelitt og sekundære kirurgiske prosedyrer, har vi introdusert XELCI som en ny, funksjonell avbildningsteknikk. Det er sammenlignbart med dagens tilgjengelige teknikker for pH-overvåking gjennom vev.
Mens vi plasserer prøven for avbildning, bruker vi et laserkrysshode koblet til polykapillær fokuseringsoptikk med to kryssende linjeformede laserpekere i 90° vinkel for å...

I USA settes omtrent 2 millioner bruddfikseringsenheter inn årlig, og 5% -10% av dem fører til implantatassosierte infeksjoner1. Disse infeksjonene er vanskeligere å behandle med antibiotika på senere stadier på grunn av biofilmens heterogenitet og antibiotikaresistente natur 2,3. Hvis de diagnostiseres tidlig, kan infeksjoner behandles med antibiotika og kirurgisk debridement for å forhindre ekstra medisinske kostnader for en annen operasjon for å erstatte maskinvare på det behandlede bruddstedet. Vanlig radiografi og andre avanserte radiografiske teknikker brukes i diagnosen ortopediske implantatassosierte infeksjoner, ikke-fagforeninger og relaterte komplikasjoner. Selv om disse teknikkene ofte brukes til å skaffe strukturell informasjon om det omkringliggende bein og vev ved det ortopediske implantatet, er de ikke i stand til å gi biokjemisk informasjon i det spesifikke miljøet. Derfor utviklet vi en ny røntgeneksitert luminescens kjemisk bildebehandling (XELCI) teknikk for høyoppløselig avbildning av biokjemisk informasjon ikke-invasivt på implantatstedet. Diagnostisering av ortopediske implantatassosierte infeksjoner utføres vanligvis på en eller en kombinasjon av forskjellige måter. Kliniske observasjoner (smerte, hevelse, rødhet, sårutslipp, etc.) antyder de første tegn på infeksjon. Senere utføres radiologiske og laboratorieforsøk for å bekrefte svikt i beinhelingsprogresjon og identifisere den patogene organismen 4,5. Nukleærmedisinske teknikker som datastyrt tomografi (CT), magnetisk resonansavbildning (MRI) og radionukleotidmetoder som Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) og Positron Emission Tomography (PET) er i bruk for bedre visualisering av det infiserte implantatet og den tilhørende infeksjonen 6,7. CT og MR er fordelaktige for å bestemme henholdsvis bennekrose og bløtvevsavvik, men forårsaker forstyrrelser i nær avstand til metallimplantatene8. Ulike røntgenmetoder som SPECT og PET i kombinasjon med radioisotopmerkede analytter som in vivo bildekontrastmidler er mye brukt for å diagnostisere implantatassosiert osteomyelitt2. Nåværende applikasjoner kombinerer både data fra CT-skanning og merkingsdata fra enten SPECT eller PET for å generere anatomisk informasjon9. Selv om en eller flere av disse bildebehandlingsmodalitetene brukes til å hjelpe infeksjonsdiagnose, kan de ikke oppdage pH-variasjonene forbundet med infeksjon tidlig for å starte behandlingene med antibiotika for å unngå ekstra medisinske og kirurgiske utgifter.
Den største fordelen med å bruke bildebehandlingssystemet som brukes i denne studien for å overvåke implantatassosierte infeksjoner, er dens evne til å avsløre biokjemisk informasjon om biofilmmikromiljøet med en spektral referanse. Selv om hovedfokuset er på avbildning og kartlegging av pH på det infiserte stedet, kan denne metoden endres for å overvåke andre biomarkører som er spesifikke for implantatassosierte infeksjoner. Dermed gjør XELCI det mulig å forstå patofysiologien til infeksjonen. Den høye romlige oppløsningen gjør det mulig å kartlegge heterogenitet etter hvert som infeksjonen vokser. pH på overflaten der biofilmdannelsen skjer er svært viktig for å forstå biokjemiske endringer. Også andre mikromiljøendringer kan oppstå på grunn av antibiotikarelaterte stressresponser av bakterier10,11. På grunn av overflatespesifikk og høy romlig oppløsning kan den antibiotiske effekten på biofilmmikromiljøet overvåkes. Teknikken kan også brukes til å studere biofilmmiljøet for målrettede eksperimenter med legemiddellevering. Vi kan studere målrettet lav pH-frigjøring eller økning av pH for å gjøre dem mer utsatt for arbeid ved høyere pH.
Tre spesifikke kjennetegn ved denne avbildningsteknikken er røntgenoppløsning, implantatoverflatespesifisitet og kjemisk følsomhet (figur 1A). Disse karakteristika kan sammenlignes med tilgjengelige bildeteknikker for avbildning av ortopediske implantatrelaterte infeksjoner (figur 1B). Når fosforpartikler belagt på implantatoverflaten er bestrålt med røntgenstråler, genererer det rødt og nær-IR (NIR) lys som kan trenge gjennom noen få centimeter vev (om enn med en viss demping)12,13. Tabell 1 viser noen av funksjonene i det utviklede bildesystemet sammenlignet med andre måter som har blitt brukt til å måle pH i biofilmer eller gjennom vev.
XELCI er en ny avbildningsteknikk for å skaffe kjemisk informasjon med høy romlig oppløsning optisk nær implantert medisinsk utstyr i kombinasjon med røntgeneksitasjon, som vist i figur 2. Her utnyttes selektiv eksitasjon og optisk deteksjon av røntgeneksiterbare fosforpartikler. Implantatet er belagt med to lag, et pH-følsomt fargestoff innlemmet polymerlag over et lag av scintillatorpartikler. Når en sekvens av fokuserte røntgenstråler bestråler implantatet, genererer scintillatorlaget synlig lys (620 nm og 700 nm). Dette produserte lyset passerer gjennom det pH-følsomme laget som modulerer luminescensspekteret avhengig av pH-verdien i omgivelsene. Lav pH er generelt forbundet med infeksjon og biofilmdannelse; etter hvert som infeksjonen utvikler seg, endres pH fra fysiologisk pH (pH 7,2) til sur (mindre enn pH 7), og pH-fargestoffet i sensoren endrer farge og dermed absorbans. Variasjonen i luminescensspekteret er vist i figur 2E for Bromokresolgrønn pH-fargestoff ved pH 7 og pH 4. Det overførte lyset gjennom vev og bein samles og spektralforholdet bestemmer pH. For å generere et pH-bilde, bestråler den fokuserte røntgenstrålen et punkt om gangen i scintillatorfilmen og skanner strålen punkt for punkt over prøven. Tidligere ble denne teknikken brukt på bilde-pH-variasjon på overflaten av de ortopediske implantatene14,15 og har testet den for å overvåke pH-variasjoner i den intramedullære kanalen gjennom bein og vev.
Figur 3 nedenfor viser et skjema over bildesystemet. Grunnleggende komponenter i bildebehandlingssystemet er røntgeneksitasjonskilden med polykapillær optikk, en akryllysguide i ett stykke som kobles til to fotomultiplikatorrør, x, y og z motoriserte trinn (30 cm x 15 cm x 6 cm vandring) og datamaskinen koblet til datainnsamling. Røntgenkilden, x, y, z stadium og samlingsoptikk (albue, lysguide, fotomultiplikatorrør (PMT)) er i røntgensikker kabinett, mens røntgenkontrolleren, strømkilden for PMT, funksjonsgenerator koblet til datainnsamlingskortet (DAQ) og datamaskinen holdes utenfor. En trykknapp, normalt åpen bryter, plassert mellom kabinettet og forsiden av døren, fungerer som en sperre. Hvis døren ikke er helt lukket (sperrebryteren er åpen), slås ikke røntgenkilden på, og den slår automatisk av røntgenkilden hvis den åpnes under drift. Motorene kan utføre en kontinuerlig skanning, så vel som de kan flyttes til et hvilket som helst diskret sted. Skannehastigheten for y-aksen er vanligvis 1-5 mm/s, mens trinnstørrelsen på x-aksen typisk kan velges fra 150-2000 μm. Parametrene kan velges avhengig av den nødvendige romlige oppløsningen. Selv eksponeringstider bekreftes av konsekvent hastighet gjennom en kontinuerlig skanning.
Når den fokuserte røntgenstrålen er bestrålt på røntgenluminescenspartiklene, vil det genererte lyset passere gjennom den pH-følsomme filmen ved å modulere lyset avhengig av den omkringliggende pH. Det overførte lyset vil samhandle (spre seg og absorbere delvis) med et vev, mens lysdempingen ved spredning og absorpsjon vil øke etter hvert som vevtykkelsen øker. Kolleksjonsoptikken inkluderer en todelt akryllysguide i ett stykke utstyrt med en reflekterende aluminiumsalbue (med en 90° bøyning og polert reflekterende innvendig overflate) i begynnelsen. Dette er for å sikre at lyset kollimeres så snart lyset når lysguiden. Disse tilleggene forbedret lysinnsamlingseffektiviteten betydelig. For ytterligere detaljer viser figur 4 maskintegningene av albuen og lysføringen. Den 90 ° albuen ble maskinert ut av aluminium med den indre overflaten polert til en speilfinish og lysguiden ble maskinert med akryl. Vi har også festet et bredt spekter av langpassblått lysfilter (blokkerer 350-450 nm lys) i begynnelsen av albuen for å sikre at bare rødt lys vil passere gjennom. Enden av akryllysføringen i ett stykke forgrener seg i to bekker som fører til to forskjellige PMT-er. PMT-ene er innelukket i en liten lystett metallboks som er i kontakt med en termoelektrisk kjøler for å kjøle ned PMT-ene til ~ 5 ° C. I begynnelsen av en av PMT-ene er et langpassfilter med smalt område (blokkerer 570-640 nm lys og passerer 640-740 nm lys) festet for å måle bare 700 nm-lyset. Derfor kan lyset på 620 nm og 700 nm beregnes separat. PMT-ene er satt opp i fotontellingsmodus, og de genererer transistor-transistor-logikk (TTL) pulser for hver foton oppdaget. Et DAQ-system teller pulsene (metningspunkt 20 millioner pulser per sekund) ved hjelp av USB-kommunikasjon. To separate intensitetskart genereres etter behandling av dataene, og et endelig bilde opprettes ved å vurdere forholdet mellom signalbølgelengdeintensiteten (620 nm) og referansebølgelengdeintensiteten (700 nm). Dette forholdet står for forskjeller i total lysinnsamlingseffektivitet, som avhenger sterkt av posisjonen til oppsamlingsoptikk, røntgenbestrålingsintensitet og vevtykkelse. I tillegg står et romlig separert referanseområde uten pH-indikatorfargestoff for spektral forvrengning fra bølgelengdeavhengig vevspenetrasjon. Et grafikkbasert programmeringsspråk brukes til å kontrollere bildesystemet, og et grunnleggende flytskjema for operasjonen er vist nedenfor. Bildeoppsettet, bortsett fra datamaskinen, røntgenkontrolleren og DAQ-enheten, er innelukket i et trygt røntgenkabinett for å minimere strålingseksponering.

<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

Mikrobielle infeksjoner forbundet med implanterbart medisinsk utstyr er en stor bekymring ved fikseringssvikt ved brudd. Tidlig diagnose av slik infeksjon vil tillate vellykket utryddelse med antibiotika uten ekstra kostnad for en annen operasjon. Her beskriver vi XELCI som en teknikk med høy røntgenoppløsning, implantatspesifisitet og kjemisk følsomhet for ikke-invasive kjemiske konsentrasjoner nær overflaten av implantert medisinsk utstyr. Enhetene er belagt med kjemisk rapporterende overflater. Denne kjemisk responsive overflaten består av to lag belagt på et implanterbart medisinsk utstyr; et pH-følsomt lag (bromothymolblått eller bromokresolgrønt inkorporert hydrogel) som er belagt over et rødlysemitterende scintillatorlag (Gd2 O2S: Eu) for overvåking. En fokusert røntgenstråle bestråler et sted på implantatet, og det røde lyset som genereres av scintillatoren (med 620 nm og 700 nm topper) overføres gjennom sensorlaget som endrer spektralforholdet avhengig av pH. Et bilde genereres ved å skanne røntgenstrålen over implantatet og måle spektralforholdet mellom lys som passerer gjennom vevet punkt for punkt. Vi brukte denne avbildningsteknikken for å overvåke implantatassosierte infeksjoner tidligere på benoverflaten av lårbenet med en modifisert implanterbar platesensor. Nå studerer vi pH-endringer som oppstår fra tibial intramedullære stavinfeksjoner. To forskjellige typer intramedullære stavdesign brukes i pre-pilot kaninstudier, og vi lærte at XELCI-teknikken kunne brukes til å overvåke eventuelle kjemiske endringer som ikke bare skjer på beinoverflaten, men også inne i beinet. Dermed muliggjør dette ikke-invasiv, høy romlig oppløsning, lav bakgrunn lokal pH-avbildning for å studere implantatassosiert infeksjonsbiokjemi.

Som en foreløpig studie avbildet vi den intramedullære stavsensoren i en reamed tibia av en kaninkadaver14. Sensoren har tre forskjellige regioner: referanseområdet, pH 8-regionen (basisk pH) og pH 4-regionen (sur pH). Referanseområdet er scintillatorpartikkelen (Gd2O2S:Eu) inkorporert i grov epoksyfilm. De karakteristiske sure og basiske pH-regionene representerer infiserte og ikke-infiserte situasjoner inne i den intramedullære kanalen (figur 6A,B<...

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

Her presenterer vi en protokoll for høyoppløselig optisk deteksjon av kjemisk informasjon rundt implantert medisinsk utstyr med røntgeneksitert luminescens kjemisk avbildning (XELCI). Denne nye bildebehandlingsteknikken er utviklet i vårt laboratorium som gjør det mulig å studere implantatassosiert infeksjonsbiokjemi.

Kjemisk avbildning med høy romlig oppløsning av implantatassosierte infeksjoner med røntgeneksitert luminescens kjemisk avbildning gjennom vev

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

Denne teknikken vil tillate oss å avbilde og kartlegge biokjemiske endringer av implantatassosierte infeksjoner gjennom bein og vev. Vi kan få høyoppløselige bilder av variasjonene i kjemiske konsentrasjoner nær implantatoverflater. Dette vil tillate oss å overvåke det lokale kjemiske miljøet nær implantatassosierte infeksjoner.Demonstrere bakteriell dyrking prosedyren vil være Erin Levon, en kandidatstudent fra Institutt for biovitenskap. For å begynne, slå på PMT-kjøler og utfør resten av initialiseringstrinnene før du slår på PMT-ene. Åpne deretter kontrollprogramvaren for bildesystemet og flytt trinnets x-akse og y-akse til ønsket startposisjon.Plasser prøven på det bevegelige xyz-trinnet og plasser prøvehøyden slik at den radioluminescerende enheten er 5 til 5,5 centimeter under polykapillærfokusoptikken ved å heve eller senke røntgenkilden og / eller trinnet. Plasser også prøven i xy-planet ved hjelp av laserkrysshodet og fjern fokuseringsoptikken for å oppnå vanlig røntgenbilde av prøven. Fest trykknapplåsen ved inngangsdøren til bildekabinettet.Slå deretter på strømmen til røntgenkilden. Deretter åpner du røntgenkontrollprogramvaren. Still inn røntgenstrømmen og åpne røntgenlukkeren med røntgenkontrollprogramvaren.Åpne deretter programvaren for røntgenkameraet og trykk på Eksponering-knappen for å ta vanlig røntgenbilde. Slå av eksponeringen og røntgenstrålen, og åpne deretter skapdøren. Koble polykapillæroptikken igjen til røntgenkilden.Lukk deretter kabinettet, fest låsen og slå på PMT-strømforsyningen. Deretter åpner du programvaren for kontroll av bildesystemet og angir trinnstørrelse, skannehastighet og skanneområde. Når alle parametrene er angitt, starter du skanningen ved å trykke på Kjør-knappen.Kjør en bakgrunnsskanning med røntgenstrålen av for å bestemme mørketallene fra noe lys som er tilstede i kabinettet annet enn prøven. Når du har forsikret deg om at prøven er i riktig posisjon med laserkrysshodet, lukker du kabinettet og fester låsen. Åpne deretter kontrollprogramvaren for bildesystemet og skriv inn verdiene for trinnstørrelse, skannehastighet og skanneområde.Når alle parametrene er angitt, trykker du på Kjør-knappen for å starte skanningen og få skanningen for prøven med røntgenstrålen på. Utfør først skanningen med lav oppløsning med større trinnstørrelser og høyere skannehastighet for å få et foreløpig bilde av målet. Etter å ha oppnådd en skanning med lav oppløsning av ønsket område av prøven, oppnår du skanningen med høyere oppløsning med en mindre trinnstørrelse og lavere skannehastighet.For å forberede en frisk kultur av stafylokokker aureus 1945, bruk en koloni fra en tryptisk soya-agarplate, streket innen en uke for å inokulere tre milliliter steril tryptisk soyabuljong. Rist deretter bakteriekulturen forsiktig ved 37 grader Celsius i 16 til 18 timer til den stasjonære fasen. Deretter pellet kulturen fra den tryptiske soyabuljongen via sentrifugering ved 4.000 g i 10 minutter ved romtemperatur og vask pelleten to ganger med PBS.Kvantifiser bakteriekonsentrasjonen ved hjelp av optisk tetthet ved 600 nanometer ved hjelp av det lineære området, som er det optiske tetthetsområdet der Beer-Lambert-loven er verifisert. Fortynn deretter prøven 200.000 celler per milliliter ved bruk av steril PBS. Steriliser den tryptiske soyaagaren ved autoklavering, og avkjøl deretter ved å blande til temperaturen når 45 grader Celsius.Deretter inokulerer bakteriene i tryptisk soyaagar. Deretter piper du den fortynnede bakteriekulturen på overflaten av den implanterbare sensoren og 100 mikroliter uinokulert tryptisk soyaagar over et annet sterilt implantat som kontroll. Legg til ytterligere 100 mikroliter uinokulert tryptisk soyaagar over den implanterbare sensoren før den inkuberes ved 37 grader Celsius i 48 timer før implantasjon.Etter å ha fullført skanningen ble bildene på henholdsvis 620 nanometer, 700 nanometer og forhold generert i MatLab, og fargeendringen var en indikasjon på endringene i pH. Siden den grunnleggende pH-regionen absorberer utsendt lys betydelig enn den sure pH-regionen, fremstår den nedre pH-regionen som et lysere signal ved 620 nanometer. Scintillatorutslippet ved 700 nanometer fungerer som en spektral referanse for inkonsekvenser i scintillatorfilmen, vevssammensetningsendringer og eventuelle endringer som skjer i deteksjonsoptikkens posisjon fra skanning til skanning.Prøven må være riktig plassert på scenen. PMT-strømforsyningen bør slås av før du slår på romlyset eller åpner kabinettet, og en skanning med lav oppløsning bør utføres før høyoppløselig bildebehandling. I stedet for røntgenkilden kan vi bruke en ultralydkilde til å utføre ultralydluminescens kjemisk avbildning for overvåking av pH-endringer assosiert med implantert medisinsk utstyr.Ja, etter optimalisering av systemet var vi i stand til å oppdage pH-variasjoner i benets intramedullære hulrom sammenlignet med beinoverflaten som kunne brukes til å studere osteomyelitt.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Frie radikaler i Chemical Biology: fra Kjemisk Behavior til utvikling av biomarkører

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

Confocal Imaging av Confined Hvile og Flowing Kolloid-polymer blandinger

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

Forbereder Adherent Cells for X-ray fluorescens Imaging ved Kjemisk Fixation

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

Kjemiske Gardens som Gjennomstrømning Reaktorer simulere Natur Hydrotermale 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

Kvantifisere X-Ray fluorescens Data ved hjelp av kart

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

Kjemisk nedbør metoden for syntese av Nb2O5 endret Bulk nikkel katalysatorer med høy bestemt areal

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-sensitive påvisning av kjemien i batterier gjennom myk X-ray absorpsjon spektroskopi og Resonant uelastisk X-ray spredning

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-mediert Nucleation og vekst av Palladium metall nanopartikler

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

Høyoppløselig fysisk karakterisering av single metalliske nanopartikler

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

Luminescence Lifetime Imaging av O2 med en frekvens-domene-basert kamera system

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 ...