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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Os autores gostariam de agradecer à Clemson University, COMSET e Clemson SC BioCRAFT. A configuração XELCI foi inicialmente desenvolvida com fundos da NSF CAREER CHE 12255535 e mais tarde pelo NIH NIAMS R01 AR070305-01.

Esse procedimento segue os protocolos de uso de animais aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade de Clemson (IACUC). Os experimentos são realizados de acordo com o Comitê de Biossegurança da Universidade de Clemson (IBC) e o Comitê de Segurança em Radiação (RSC), bem como seguindo as diretrizes e regulamentos relevantes.
NOTA: Um diagrama de fluxo da conclusão de uma varredura XELCI é mostrado abaixo na Figura 5 , ...

<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>

Para poder detectar e estudar precocemente infecções associadas a implantes ortopédicos para evitar complicações de osteomielite e procedimentos cirúrgicos secundários, introduzimos o XELCI como uma nova técnica de imagem funcional. É comparável com as técnicas atualmente disponíveis para o monitoramento do pH através do tecido.
Ao posicionar a amostra para obtenção de imagens, usamos uma cabeça transversal de laser conectada à óptica de focalização policapilar com dois pon...

Nos Estados Unidos, cerca de 2 milhões de dispositivos de fixação de fraturas são inseridos anualmente, e 5%-10% deles levam a infecções associadas aoimplante1. Essas infecções são mais difíceis de tratar com antibióticos em estágios mais avançados devido à heterogeneidade e à natureza resistente aos antibióticos dos biofilmes 2,3. Se forem diagnosticadas precocemente, as infecções podem ser tratadas com antibióticos e desbridamento cirúrgico para evitar custos médicos extras para uma segunda cirurgia para substituir o hardware no local da fratura tratada. A radiografia simples e outras técnicas radiográficas avançadas são aplicadas no diagnóstico de infecções associadas a implantes ortopédicos, não-uniões e complicações relacionadas. Embora essas técnicas sejam frequentemente usadas para adquirir informações estruturais do osso e tecido circundante no implante ortopédico, elas são incapazes de fornecer informações bioquímicas no ambiente específico. Assim, desenvolvemos uma nova técnica de imagem química por luminescência excitada por raios X (XELCI) para imagens de alta resolução de informações bioquímicas de forma não invasiva no local do implante. O diagnóstico de infecções associadas a implantes ortopédicos é comumente realizado por um ou uma combinação de diferentes meios. Observações clínicas (dor, inchaço, vermelhidão, descarga da ferida, etc.) sugerem os primeiros sinais de infecção. Posteriormente, experimentos radiológicos e laboratoriais são realizados para confirmar a falha na progressão do reparo ósseo e identificar o organismo patogênico 4,5. Técnicas de medicina nuclear como a tomografia computadorizada (TC), a ressonância magnética (RM) e os métodos de radionucleotídeos como a Tomografia Computadorizada por Emissão de Fóton Único (SPECT) e a Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET) são utilizadas para melhor visualização do implante infectado e da infecção associada 6,7. A TC e a RM são vantajosas na determinação de necrose óssea e anormalidades de partes moles, respectivamente, mas causam interferências a uma curta distância dos implantes metálicos8. Diferentes metodologias de raios X, como SPECT e PET, em combinação com analitos marcados com radioisótopos, como agentes de contraste de imagem in vivo, são amplamente utilizadas para diagnosticar osteomielite associada ao implante2. As aplicações atuais combinam dados de tomografia computadorizada e dados de marcação de SPECT ou PET para gerar informações anatômicas9. Embora uma ou mais dessas modalidades de imagem sejam usadas para auxiliar no diagnóstico de infecção, elas não conseguem detectar precocemente as variações de pH associadas à infecção para iniciar os tratamentos com antibióticos para evitar gastos médicos e cirúrgicos extras.
A principal vantagem da utilização do sistema de imagem utilizado neste estudo para monitorar infecções associadas ao implante é sua capacidade de revelar informações bioquímicas sobre o microambiente do biofilme com uma referência espectral. Embora o foco principal seja a imagem e o mapeamento do pH no local infectado, esse método pode ser alterado para monitorar outros biomarcadores específicos para infecções associadas ao implante. Assim, XELCI permite compreender a fisiopatologia da infecção. A imagem de alta resolução espacial permite mapear a heterogeneidade à medida que a infecção cresce. O pH na superfície onde ocorre a formação do biofilme é muito importante para a compreensão das mudanças bioquímicas. Além disso, outras alterações no microambiente podem ocorrer devido às respostas de bactérias ao estresse relacionadas a antibióticos10,11. Devido à imagem superficial específica e de alta resolução espacial, o efeito do antibiótico no microambiente do biofilme pode ser monitorado. A técnica também pode ser usada para estudar o ambiente de biofilme para experimentos direcionados de liberação de fármacos. Podemos estudar a liberação de fármacos de baixo pH direcionados ou a elevação do pH para torná-los mais suscetíveis a trabalhar em pH mais alto.
Três características específicas desta técnica de imagem são a resolução dos raios X, a especificidade da superfície do implante e a sensibilidade química (Figura 1A). Essas características podem ser comparadas com as técnicas de imagem atualmente disponíveis para infecções por imagem relacionadas a implantes ortopédicos (Figura 1B). Uma vez irradiadas com raios X, as partículas de fósforo revestidas na superfície do implante geram luz vermelha e de infravermelho próximo (NIR) que pode penetrar através de alguns centímetros de tecido (embora com alguma atenuação)12,13. A Tabela 1 mostra algumas das características do sistema de imagem desenvolvido em comparação com outras formas que têm sido usadas para medir o pH em biofilmes ou através do tecido.
XELCI é uma nova técnica de imagem para adquirir informações químicas de alta resolução espacial opticamente perto de dispositivos médicos implantados em combinação com excitação de raios-X, como mostrado na Figura 2. Aqui a excitação seletiva e a detecção óptica de partículas de fósforo excitáveis por raios X são utilizadas. O implante é revestido com duas camadas, uma camada de polímero incorporada por corante sensível ao pH sobre uma camada de partículas cintiladoras. Uma vez que uma sequência de feixes de raios X focalizados irradia o implante, a camada cintiladora gera luz visível (620 nm e 700 nm). Essa luz produzida passa através da camada sensível ao pH modulando o espectro de luminescência dependendo do pH do ambiente circundante. O pH baixo geralmente está associado à infecção e à formação de biofilme; à medida que a infecção progride, o pH muda de pH fisiológico (pH 7,2) para ácido (menor que pH 7), e o corante de pH no sensor muda de cor e, portanto, de absorbância. A variação do espectro de luminescência é mostrada na Figura 2E para o corante verde Bromocresol pH pH pH 7 e pH 4. A luz transmitida através do tecido e do osso é coletada e a razão espectral determina o pH. Para gerar uma imagem de pH, o feixe de raios X focalizado irradia um ponto de cada vez no filme cintilador e varre o feixe ponto a ponto em toda a amostra. Anteriormente, esta técnica foi aplicada para obter imagens da variação do pH na superfície dos implantes ortopédicos14,15 e testou-a para monitorar as variações do pH no canal intramedular através do osso e do tecido.
A Figura 3 abaixo mostra um esquema do sistema de imagem. Os componentes básicos do sistema de imagem são a fonte de excitação de raios X com óptica policapilar, um guia de luz acrílica de peça única conectando-se a dois tubos fotomultiplicadores, o estágio motorizado x, y e z (30 cm x 15 cm x 6 cm de curso) e o computador conectado para aquisição de dados. A fonte de raios X, o estágio x,y,z e a óptica de coleta (cotovelo, guia de luz, tubos fotomultiplicadores (PMTs)) estão no gabinete à prova de raios X, enquanto o controlador de raios X, a fonte de energia para PMTs, o gerador de funções conectado à placa de aquisição de dados (DAQ) e o computador são mantidos do lado de fora. Um botão, normalmente aberto, colocado entre o compartimento e a frente da porta serve como um intertravamento. Se a porta não estiver totalmente fechada (o interruptor de intertravamento estiver aberto), a fonte de raios X não ligará e desligará automaticamente a fonte de raios X se ela for aberta durante a operação. Os motores podem executar uma varredura contínua, bem como eles podem ser movidos para qualquer local discreto. A velocidade de varredura para o eixo y é geralmente de 1-5 mm/s, enquanto o tamanho do passo no eixo x pode ser escolhido tipicamente de 150-2000 μm. Os parâmetros podem ser escolhidos dependendo da resolução espacial necessária. Até mesmo os tempos de exposição são confirmados por uma velocidade consistente ao longo de uma varredura contínua.
Uma vez que o feixe de raios X focalizado é irradiado sobre as partículas de luminescência de raios X, a luz gerada passará através do filme sensível ao pH modulando a luz dependendo do pH circundante. A luz transmitida irá interagir (espalhar e absorver parcialmente) com um tecido, enquanto a atenuação da luz por espalhamento e absorção irá aumentar à medida que a espessura do tecido aumenta. A ótica da coleção inclui uma guia de luz de acrílico bifurcado de peça única equipada com um cotovelo de alumínio reflexivo (com uma curva de 90° e superfície interior refletiva polida) no início. Isso é para garantir que a luz seja colimada assim que a luz atingir a guia de luz. Essas adições melhoraram significativamente a eficiência da coleta de luz. Para maiores detalhes, a Figura 4 mostra os desenhos da máquina do cotovelo e da guia de luz. O cotovelo de 90° foi usinado em alumínio com a superfície interna polida para um acabamento espelhado e a guia de luz foi usinada com acrílico. Também anexamos um filtro de luz azul de passagem longa de ampla faixa (bloqueando a luz de 350-450 nm) no início do cotovelo para garantir que apenas a luz vermelha passe por lá. A extremidade da guia de luz acrílica de uma peça se bifurca em dois fluxos que levam a dois PMTs diferentes. Os PMTs são fechados em uma pequena caixa de metal estanque que está em contato com um resfriador termoelétrico para resfriar os PMTs a ~5 °C. No início de um dos PMTs, um filtro passa-longa de alcance estreito (bloqueando a luz de 570-640 nm e passando a luz de 640-740 nm) é anexado para medir apenas a luz de 700 nm. Portanto, a luz de 620 nm e 700 nm pode ser calculada separadamente. Os PMTs são configurados no modo de contagem de fótons e geram pulsos de lógica transistor-transistor (TTL) para cada fóton detectado. Um sistema DAQ conta os pulsos (ponto de saturação 20 milhões de pulsos por segundo) usando comunicação USB. Dois mapas de intensidade separados são gerados após o processamento dos dados, e uma imagem final é criada considerando a razão entre a intensidade do comprimento de onda do sinal (620 nm) e a intensidade do comprimento de onda de referência (700 nm). Essa relação é responsável pelas diferenças na eficiência total da coleta de luz, que dependem fortemente da posição óptica da coleta, da intensidade da irradiação de raios X e da espessura do tecido. Além disso, uma região de referência espacialmente separada sem qualquer corante indicador de pH é responsável pela distorção espectral da penetração do tecido dependente do comprimento de onda. Uma linguagem de programação baseada em gráficos é usada para controlar o sistema de imagem, e um fluxograma básico da operação é mostrado abaixo. A configuração de imagem, exceto para o computador, controlador de raios X e unidade DAQ, é fechada em um gabinete de raios X seguro para minimizar a exposição à radiação.

<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

As infecções microbianas associadas a dispositivos médicos implantáveis são uma grande preocupação na falha na fixação de fraturas. O diagnóstico precoce dessa infecção permitirá a erradicação bem-sucedida com antibióticos sem um custo extra para uma segunda cirurgia. Neste artigo, descrevemos XELCI como uma técnica com alta resolução de raios-X, especificidade do implante e sensibilidade química a concentrações químicas de imagens não invasivas próximas à superfície de dispositivos médicos implantados. Os dispositivos são revestidos com superfícies de relatórios químicos. Esta superfície quimicamente responsiva consiste em duas camadas revestidas em um dispositivo médico implantável; uma camada sensível ao pH (azul de bromotimol ou hidrogel incorporado verde bromocresol) que é revestida sobre uma camada cintiladora emissora de luz vermelha (Gd 2O2S: Eu) para monitorização. Um feixe de raios X focalizado irradia um ponto no implante, e a luz vermelha gerada pelo cintilador (com picos de 620 nm e 700 nm) é transmitida através da camada sensora, o que altera a razão espectral dependendo do pH. Uma imagem é gerada pela varredura do feixe de raios X através do implante e pela medição da razão espectral da luz que passa pelo tecido ponto a ponto. Usamos esta técnica de imagem para monitorar infecções associadas ao implante previamente na superfície óssea do fêmur com um sensor de placa implantável modificado. Agora estamos estudando as alterações de pH que ocorrem a partir de infecções de bastonetes intramedulares tibiais. Dois tipos diferentes de desenhos de bastonetes intramedulares são usados em estudos pré-piloto em coelhos, e aprendemos que a técnica XELCI pode ser usada para monitorar quaisquer alterações químicas que ocorram não apenas na superfície óssea, mas também dentro do osso. Assim, isso permite que imagens não invasivas, de alta resolução espacial e baixo pH local de fundo estudem a bioquímica de infecção associada ao implante.

Como estudo preliminar, obtivemos imagens do sensor de bastonete intramedular em tíbia fresada de cadáver decoelho14. O sensor possui três regiões distintas: a região de referência, a região pH 8 (pH básico) e a região pH 4 (pH ácido). A região de referência é a partícula cintiladora (Gd 2 O2S:Eu) incorporada no filme epóxi rugoso. As distintas regiões de pH ácido e básico representam situações infectadas e não infectadas no interior do canal intramedular...

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

Aqui, apresentamos um protocolo para detecção óptica de alta resolução de informações químicas em torno de dispositivos médicos implantados com imagem química de luminescência excitada por raios-X (XELCI). Esta nova técnica de imagem é desenvolvida em nosso laboratório, o que permite estudar a bioquímica de infecção associada ao implante.

Imagem Química de Alta Resolução Espacial de Infecções Associadas a Implantes com Luminescência Expedida por Raios-X Imagem Química Através do Tecido

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

Esta técnica permitirá visualizar e mapear alterações bioquímicas de infecções associadas ao implante através do osso e tecido. Podemos obter imagens de alta resolução das variações nas concentrações químicas próximas às superfícies dos implantes. Isso nos permitirá monitorar o ambiente químico local próximo a infecções associadas ao implante.Quem demonstrará o procedimento de cultura bacteriana será Erin Levon, aluna de pós-graduação do Departamento de Ciências Biológicas. Para começar, ative o refrigerador PMT e execute o restante das etapas de inicialização antes de ativar os PMTs. Em seguida, abra o software de controle do sistema de imagem e mova o eixo x e o eixo y do estágio para a posição inicial desejada.Coloque a amostra no estágio xyz móvel e posicione a altura da amostra de modo que o dispositivo radioluminescente fique de 5 a 5,5 centímetros abaixo da óptica de foco policapilar, elevando ou abaixando a fonte de raios X e/ou o estágio. Além disso, posicione o espécime no plano x-y com a ajuda da cruz do laser e remova a óptica de focalização para obter a radiografia simples da amostra. Fixe o intertravamento do botão na porta frontal do gabinete de imagem.Em seguida, ligue a alimentação da fonte de raios-x. Em seguida, abra o software de controle de raios-x. Ajuste a potência dos raios X e abra o obturador dos raios X com o software de controle de raios-x.Em seguida, abra o software da câmera de raio-x e pressione o botão Exposição para fazer a radiografia simples. Desligue a exposição e o raio-x e, em seguida, abra a porta do compartimento. Conecte a óptica policapilar novamente à fonte de raios X.Em seguida, feche o gabinete, prenda o intertravamento e ligue a fonte de alimentação PMT. Em seguida, abra o software de controle do sistema de geração de imagens e especifique o tamanho da etapa, a velocidade da varredura e a área de varredura. Depois que todos os parâmetros estiverem definidos, inicie a varredura pressionando o botão Executar.Execute uma varredura em segundo plano com o raio-x desligado para determinar as contagens escuras de qualquer luz presente no compartimento que não seja a amostra. Depois de garantir que a amostra está na posição correta com a cruzeta laser, feche o compartimento e prenda o intertravamento. Em seguida, abra o software de controle do sistema de geração de imagens e insira os valores para tamanho da etapa, velocidade de varredura e área de varredura.Depois que todos os parâmetros estiverem definidos, pressione o botão Executar para iniciar a varredura e obter a varredura para a amostra com o raio-x ligado. Primeiro, execute a varredura de baixa resolução com tamanhos de passo maiores e maior velocidade de varredura para obter uma imagem preliminar do alvo. Depois de obter uma varredura de baixa resolução da área desejada da amostra, obtenha a varredura de maior resolução com um tamanho de passo menor e menor velocidade de varredura.Para preparar uma cultura fresca de staphylococcus aureus 1945, use uma colônia de uma placa tríptica de ágar de soja, estriada dentro de uma semana para inocular três mililitros de caldo de soja tríptico estéril. Em seguida, agite suavemente a cultura bacteriana a 37 graus Celsius por 16 a 18 horas até a fase estacionária. Em seguida, pellet a cultura do caldo de soja tríptico via centrifugação a 4.000 g por 10 minutos à temperatura ambiente e lavar o pellet duas vezes com PBS.Quantifique a concentração bacteriana usando densidade óptica a 600 nanômetros usando a faixa linear, que é a faixa de densidade óptica onde a lei de Beer-Lambert é verificada. Em seguida, diluir a amostra 200.000 células por mililitro usando PBS estéril. Esterilizar o ágar tríptico de soja por autoclavação e, em seguida, resfriar misturando até que a temperatura atinja 45 graus Celsius.Em seguida, inocular as bactérias no ágar tríptico de soja. Em seguida, pipetar a cultura bacteriana diluída na superfície do sensor implantável e 100 microlitros de ágar de soja tríptica não inoculada sobre outro implante estéril como controle. Adicione mais 100 microlitros de ágar de soja tríptica não inoculada sobre o sensor implantável antes de incubar a 37 graus Celsius por 48 horas antes da implantação.Após a conclusão da varredura, as imagens de 620 nanômetros, 700 nanômetros e ratio, respectivamente, foram geradas no MatLab, e a mudança de cor foi indicativa das mudanças no pH. Como a região de pH básico absorve significativamente a luz emitida do que a região de pH ácido, a região de pH mais baixo aparece como um sinal mais brilhante em 620 nanômetros. A emissão do cintilador a 700 nanômetros funciona como uma referência espectral para inconsistências no filme cintilador, mudanças na composição do tecido e quaisquer mudanças que ocorram na posição da óptica de detecção do escaneamento para o escaneamento.A amostra precisa ser posicionada corretamente no palco. A fonte de alimentação PMT deve ser desligada antes de acender a luz ambiente ou abrir o gabinete, e uma varredura de baixa resolução deve ser realizada antes da obtenção de imagens de alta resolução. Em vez da fonte de raios X, podemos usar uma fonte de ultrassom para realizar imagens químicas de luminescência de ultrassom para monitorar mudanças de pH associadas a dispositivos médicos implantados.Sim, após a otimização do sistema, conseguimos detectar variações de pH na cavidade intramedular do osso em relação à superfície óssea, o que poderia ser usado para estudar a osteomielite.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Radicais Livres em Biologia Química: de comportamento químico para o Desenvolvimento de biomarcadores

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

Química

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

Imagem confocal de Confinado repouso e fluindo Misturas colóide-polímero

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

Preparando células aderentes para fluorescência de raios-X Imagem por Chemical 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

Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

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

Quantificação dos dados de fluorescência de raios-x usando mapas

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

Método de precipitação química para a síntese do Nb2O5 modificado catalisadores de níquel em massa com alta área de superfície específica

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-sensíveis à deteção da química em baterias através de espectroscopia de absorção de raios-x moles e espalhamento inelástico de raios-x ressonante

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

Nucleação e Crescimento Mediado por Ligante de Nanopartículas de Paládio Metálico

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

Caracterização física de alta resolução de nanopartículas metálicas únicas

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

Imagens vitalícias de Luminescence de O2 com um sistema de câmera baseado em domínio de frequência

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 ...