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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Los autores desean agradecer a la Universidad de Clemson, COMSET y Clemson SC BioCRAFT. La configuración XELCI fue desarrollada inicialmente con fondos de NSF CAREER CHE 12255535 y más tarde por NIH NIAMS R01 AR070305-01.

Este procedimiento sigue los protocolos de uso de animales aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Clemson (IACUC). Los experimentos se llevan a cabo de acuerdo con el Comité de Bioseguridad de la Universidad de Clemson (IBC) y el Comité de Seguridad Radiológica (RSC), así como siguiendo las pautas y regulaciones relevantes.
NOTA: Un diagrama de flujo para completar una exploración XELCI se muestra a continuación en la <strong class="xfig"...

<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 y estudiar precozmente las infecciones ortopédicas asociadas a implantes y evitar complicaciones por osteomielitis y procedimientos quirúrgicos secundarios, hemos introducido XELCI como una novedosa técnica de imagen funcional. Es comparable con las técnicas actualmente disponibles para el monitoreo del pH a través del tejido.
Al colocar la muestra para la obtención de imágenes, utilizamos una cruz láser conectada a una óptica de enfoque policapilar con dos puntero...

En los Estados Unidos, alrededor de 2 millones de dispositivos de fijación de fracturas se insertan anualmente, y 5% -10% de ellos conducen a infecciones asociadas a implantes1. Estas infecciones son más difíciles de tratar con antibióticos en etapas posteriores debido a la heterogeneidad y la naturaleza resistente a los antibióticos de los biofilms 2,3. Si se diagnostican temprano, las infecciones se pueden tratar con antibióticos y desbridamiento quirúrgico para evitar costos médicos adicionales para una segunda cirugía para reemplazar el hardware en el sitio de la fractura tratada. La radiografía simple y otras técnicas radiográficas avanzadas se aplican en el diagnóstico de infecciones ortopédicas asociadas a implantes, no uniones y complicaciones relacionadas. Aunque estas técnicas se utilizan con frecuencia para adquirir información estructural del hueso y el tejido circundante en el implante ortopédico, no pueden proporcionar información bioquímica en el entorno específico. Por lo tanto, desarrollamos una nueva técnica de imágenes químicas de luminiscencia excitada por rayos X (XELCI) para obtener imágenes de alta resolución de información bioquímica de forma no invasiva en el sitio del implante. El diagnóstico de infecciones asociadas a implantes ortopédicos se lleva a cabo comúnmente por uno o una combinación de diferentes medios. Las observaciones clínicas (dolor, hinchazón, enrojecimiento, secreción de la herida, etc.) sugieren los primeros signos de infección. Posteriormente, se realizan experimentos radiológicos y de laboratorio para confirmar el fracaso de la progresión de la cicatrización ósea e identificar el organismo patógeno 4,5. Las técnicas medicinales nucleares como la tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética (RM) y los métodos de radionucleótidos como la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) y la tomografía por emisión de positrones (PET) están en uso para una mejor visualización del implante infectado y la infección asociada 6,7. La TC y la RM son ventajosas para determinar la necrosis ósea y las anomalías de los tejidos blandos, respectivamente, pero causan interferencias a corta distancia de los implantes metálicos8. Diferentes metodologías de rayos X como SPECT y PET en combinación con analitos marcados con radioisótopos como agentes de contraste de imágenes in vivo se utilizan ampliamente para diagnosticar la osteomielitis asociada a implantes2. Las aplicaciones actuales combinan tanto los datos de la tomografía computarizada como los datos de etiquetado de SPECT o PET para generar información anatómica9. Aunque una o más de estas modalidades de imagen se utilizan para ayudar al diagnóstico de la infección, no pueden detectar las variaciones de pH asociadas con la infección temprano para iniciar los tratamientos con antibióticos para evitar gastos médicos y quirúrgicos adicionales.
La principal ventaja de utilizar el sistema de imágenes utilizado en este estudio para monitorear infecciones asociadas a implantes es su capacidad para revelar información bioquímica sobre el microambiente de biopelícula con una referencia espectral. Aunque el enfoque principal es la obtención de imágenes y el mapeo del pH en el sitio infectado, este método puede modificarse para monitorear otros biomarcadores específicos de las infecciones asociadas a implantes. Por lo tanto, XELCI permite comprender la fisiopatología de la infección. Las imágenes de alta resolución espacial permiten mapear la heterogeneidad a medida que crece la infección. El pH en la superficie donde se produce la formación de biopelículas es muy importante para comprender los cambios bioquímicos. Además, otros cambios en el microambiente pueden ocurrir debido a las respuestas de estrés relacionadas con los antibióticos por parte de las bacterias10,11. Debido a las imágenes específicas de la superficie y de alta resolución espacial, se puede monitorear el efecto antibiótico en el microambiente de la biopelícula. La técnica también se puede utilizar para estudiar el entorno de biopelícula para experimentos específicos de administración de fármacos. Podemos estudiar la liberación de fármacos de pH bajo o elevar el pH para hacerlos más susceptibles a trabajar a pH más alto.
Tres características específicas de esta técnica de imagen son la resolución de rayos X, la especificidad de la superficie del implante y la sensibilidad química (Figura 1A). Estas características se pueden comparar con las técnicas de imagen actualmente disponibles para obtener imágenes de infecciones relacionadas con implantes ortopédicos (Figura 1B). Una vez irradiadas con rayos X, las partículas de fósforo recubiertas en la superficie del implante generan luz roja e IR cercana (NIR) que puede penetrar a través de unos pocos centímetros de tejido (aunque con cierta atenuación)12,13. La Tabla 1 muestra algunas de las características del sistema de imágenes desarrollado en comparación con otras formas que se han utilizado para medir el pH en biopelículas o a través del tejido.
XELCI es una novedosa técnica de imagen para adquirir información química de alta resolución espacial ópticamente cerca de dispositivos médicos implantados en combinación con excitación de rayos X, como se muestra en la Figura 2. Aquí se utiliza la excitación selectiva y la detección óptica de partículas de fósforo excitables por rayos X. El implante está recubierto con dos capas, una capa de polímero incorporada con tinte sensible al pH sobre una capa de partículas centelleadoras. Una vez que una secuencia de haces de rayos X enfocados irradia el implante, la capa centelleadora genera luz visible (620 nm y 700 nm). Esta luz producida pasa a través de la capa sensible al pH modulando el espectro de luminiscencia dependiendo del pH del entorno circundante. El pH bajo generalmente se asocia con infección y formación de biopelículas; a medida que la infección progresa, el pH cambia de pH fisiológico (pH 7.2) a ácido (menos de pH 7), y el tinte de pH en el sensor cambia de color y, por lo tanto, de absorbancia. La variación del espectro de luminiscencia se muestra en la Figura 2E para el colorante de pH verde Bromocresol a pH 7 y pH 4. La luz transmitida a través del tejido y el hueso se recoge y la relación espectral determina el pH. Para generar una imagen de pH, el haz de rayos X enfocado irradia un punto a la vez en la película centelleadora y escanea el haz punto por punto a través de la muestra. Anteriormente, esta técnica se aplicaba para obtener imágenes de variación del pH en la superficie de los implantes ortopédicos14,15 y se había probado para monitorizar las variaciones de pH en el canal intramedular a través del hueso y el tejido.
La figura 3 a continuación muestra un esquema del sistema de imágenes. Los componentes básicos del sistema de imágenes son la fuente de excitación de rayos X con óptica policapilar, una guía de luz acrílica de una sola pieza que se conecta a dos tubos fotomultiplicadores, la etapa motorizada x, y y z (30 cm x 15 cm x 6 cm de recorrido) y la computadora conectada para la adquisición de datos. La fuente de rayos X, la etapa x, y, z y la óptica de recolección (codo, guía de luz, tubos fotomultiplicadores (PMT)) se encuentran en el recinto a prueba de rayos X, mientras que el controlador de rayos X, la fuente de alimentación para PMT, el generador de funciones conectado a la placa de adquisición de datos (DAQ) y la computadora se mantienen afuera. Un pulsador, normalmente abierto, colocado entre el recinto y la parte delantera de la puerta sirve como enclavamiento. Si la puerta no está completamente cerrada (el interruptor de enclavamiento está abierto), la fuente de rayos X no se encenderá y apagará automáticamente la fuente de rayos X si se abre durante el funcionamiento. Los motores pueden ejecutar un escaneo continuo, así como se pueden mover a cualquier ubicación discreta. La velocidad de escaneo para el eje y suele ser de 1-5 mm / s, mientras que el tamaño del paso en el eje x se puede elegir típicamente de 150 a 2000 μm. Los parámetros se pueden elegir en función de la resolución espacial requerida. Incluso los tiempos de exposición se confirman mediante una velocidad constante a lo largo de un escaneo continuo.
Una vez que el haz de rayos X enfocado se irradia en las partículas de luminiscencia de rayos X, la luz generada pasará a través de la película sensible al pH modulando la luz dependiendo del pH circundante. La luz transmitida interactuará (dispersará y absorberá parcialmente) con un tejido, mientras que la atenuación de la luz por dispersión y absorción aumentará a medida que aumente el grosor del tejido. La óptica de la colección incluye una guía de luz acrílica bifurcada de una sola pieza equipada con un codo de aluminio reflectante (con una curva de 90 ° y una superficie interior reflectante pulida) al principio. Esto es para asegurar que la luz se colimate tan pronto como la luz llegue a la guía de luz. Estas adiciones mejoraron significativamente la eficiencia de la recolección de luz. Para más detalles, la Figura 4 muestra los dibujos de la máquina del codo y la guía de luz. El codo de 90 ° se mecanizó en aluminio con la superficie interna pulida a un acabado de espejo y la guía de luz se mecanizó con acrílico. También hemos conectado un filtro de luz azul de paso largo de amplio rango (bloqueando la luz de 350-450 nm) al comienzo del codo para garantizar que solo pase la luz roja. El extremo de la guía de luz acrílica de una sola pieza se bifurca en dos corrientes que conducen a dos PMT diferentes. Los PMT están encerrados en una pequeña caja de metal hermética a la luz que está en contacto con un enfriador termoeléctrico para enfriar los PMT a ~ 5 ° C. Al comienzo de uno de los PMT, se adjunta un filtro de paso largo de rango estrecho (que bloquea la luz de 570-640 nm y pasa la luz de 640-740 nm) para medir solo la luz de 700 nm. Por lo tanto, la luz de 620 nm y 700 nm se puede calcular por separado. Los PMT se configuran en modo de conteo de fotones y generan pulsos de lógica transistor-transistor (TTL) para cada fotón detectado. Un sistema DAQ cuenta los pulsos (punto de saturación 20 millones de pulsos por segundo) mediante comunicación USB. Se generan dos mapas de intensidad separados después de procesar los datos, y se crea una imagen final considerando la relación entre la intensidad de la longitud de onda de la señal (620 nm) y la intensidad de la longitud de onda de referencia (700 nm). Esta relación explica las diferencias en la eficiencia total de la recolección de luz, que dependen en gran medida de la posición de la óptica de recolección, la intensidad de la irradiación de rayos X y el grosor del tejido. Además, una región de referencia separada espacialmente sin ningún colorante indicador de pH explica la distorsión espectral de la penetración del tejido dependiente de la longitud de onda. Se utiliza un lenguaje de programación basado en gráficos para controlar el sistema de imágenes, y a continuación se muestra un diagrama de flujo básico de la operación. La configuración de imágenes, a excepción de la computadora, el controlador de rayos X y la unidad DAQ, está encerrada en un recinto de rayos X seguro para minimizar la exposición a la radiación.

<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

Las infecciones microbianas asociadas con dispositivos médicos implantables son una preocupación importante en la falla de fijación de fracturas. El diagnóstico temprano de dicha infección permitirá la erradicación exitosa con antibióticos sin un costo adicional para una segunda cirugía. En este documento, describimos XELCI como una técnica con alta resolución de rayos X, especificidad del implante y sensibilidad química a concentraciones químicas de imágenes no invasivas cerca de la superficie de los dispositivos médicos implantados. Los dispositivos están recubiertos con superficies que informan químicamente. Esta superficie químicamente sensible consta de dos capas recubiertas de un dispositivo médico implantable; una capa sensible al pH (hidrogel incorporado azul de bromotimol o verde bromocresol) que se recubre sobre una capa de centelleador emisor de luz roja (Gd 2O2S: Eu) para monitoreo. Un haz de rayos X enfocado irradia un punto en el implante, y la luz roja generada por el centelleador (con picos de 620 nm y 700 nm) se transmite a través de la capa de detección que altera la relación espectral dependiendo del pH. Se genera una imagen escaneando el haz de rayos X a través del implante y midiendo la relación espectral de la luz que pasa a través del tejido punto por punto. Utilizamos esta técnica de imagen para monitorear infecciones asociadas a implantes previamente en la superficie ósea del fémur con un sensor de placa implantable modificado. Ahora estamos estudiando los cambios de pH que ocurren a partir de las infecciones intramedulares de la varilla tibial. Se utilizan dos tipos diferentes de diseños de varillas intramedulares en estudios de conejos prepiloto, y aprendimos que la técnica XELCI podría usarse para monitorear cualquier cambio químico que ocurra no solo en la superficie ósea sino también dentro del hueso. Por lo tanto, esto permite imágenes no invasivas, de alta resolución espacial y bajo pH local de fondo para estudiar la bioquímica de la infección asociada al implante.

Como estudio preliminar, obtuvimos imágenes del sensor de varilla intramedular en una tibia escariada de un cadáver de conejo14. El sensor tiene tres regiones distintas: la región de referencia, la región pH 8 (pH básico) y la región pH 4 (pH ácido). La región de referencia es la partícula centelleadora (Gd 2 O2S:Eu) incorporada en una película epoxi rugosa. Las regiones distintivas de pH ácido y básico representan situaciones infectadas y no infectadas dentro del...

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

Aquí, presentamos un protocolo para la detección óptica de alta resolución de información química alrededor de dispositivos médicos implantados con imágenes químicas de luminiscencia excitada por rayos X (XELCI). Esta novedosa técnica de imagen se desarrolla en nuestro laboratorio que permite estudiar la bioquímica de infecciones asociadas a implantes.

Imágenes químicas de alta resolución espacial de infecciones asociadas a implantes con imágenes químicas de luminiscencia excitada por rayos X a través de tejidos

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

Esta técnica nos permitirá obtener imágenes y mapear los cambios bioquímicos de las infecciones asociadas a implantes a través de huesos y tejidos. Podemos obtener imágenes de alta resolución de las variaciones en las concentraciones químicas cerca de las superficies de los implantes. Esto nos permitirá monitorear el entorno químico local cerca de las infecciones asociadas a implantes.Demostrando el procedimiento de cultivo bacteriano estará Erin Levon, una estudiante graduada del Departamento de Ciencias Biológicas. Para comenzar, encienda el enfriador PMT y realice el resto de los pasos de inicialización antes de encender los PMT. A continuación, abra el software de control del sistema de imágenes y mueva el eje x y el eje y de la etapa a la posición inicial deseada.Coloque la muestra en la platina xyz móvil y coloque la altura de la muestra de modo que el dispositivo radioluminiscente esté de 5 a 5,5 centímetros por debajo de la óptica de enfoque policapilar subiendo o bajando la fuente de rayos X y/o la plata. Además, coloque la muestra en el plano x-y con la ayuda de la cruceta láser y retire la óptica de enfoque para obtener la radiografía simple de la muestra. Asegure el enclavamiento del botón pulsador en la puerta principal de la carcasa de imágenes.Luego encienda la fuente de rayos X. A continuación, abra el software de control de rayos X. Ajuste la alimentación de rayos X y abra el obturador de rayos X con el software de control de rayos X.Luego abra el software para la cámara de rayos X y presione el botón Exposición para tomar la radiografía simple. Apague la exposición y la radiografía, y luego abra la puerta del recinto. Conecte la óptica policapilar de nuevo a la fuente de rayos X.A continuación, cierre la carcasa, asegure el enclavamiento y encienda la fuente de alimentación PMT. A continuación, abra el software de control del sistema de imágenes y especifique el tamaño del paso, la velocidad de escaneo y el área de escaneo. Una vez que todos los parámetros estén configurados, inicie el escaneo presionando el botón Ejecutar.Ejecute un escaneo de fondo con la radiografía apagada para determinar los recuentos oscuros de cualquier luz presente en el recinto que no sea la muestra. Después de asegurarse de que la muestra está en la posición correcta con la cruceta láser, cierre la carcasa y asegure el enclavamiento. A continuación, abra el software de control del sistema de imágenes e introduzca los valores de tamaño de paso, velocidad de escaneo y área de escaneo.Una vez que todos los parámetros estén configurados, presione el botón Ejecutar para iniciar el escaneo y obtener el escaneo de la muestra con la radiografía encendida. Primero, realice el escaneo de baja resolución con tamaños de paso más grandes y una mayor velocidad de escaneo para obtener una imagen preliminar del objetivo. Después de obtener un escaneo de baja resolución del área deseada de la muestra, obtenga el escaneo de mayor resolución con un tamaño de paso más pequeño y una velocidad de escaneo más baja.Para preparar un cultivo fresco de Staphylococcus aureus 1945, use una colonia de una placa de agar de soja tríptica, rayada dentro de una semana para inocular tres mililitros de caldo de soja tríptico estéril. Luego agite el cultivo bacteriano suavemente a 37 grados centígrados durante 16 a 18 horas hasta la fase estacionaria. A continuación, pellet del cultivo del caldo de soja tríptico mediante centrifugación a 4, 000 g durante 10 minutos a temperatura ambiente y lavar el pellet dos veces con PBS.Cuantifique la concentración bacteriana utilizando la densidad óptica a 600 nanómetros utilizando el rango lineal, que es el rango de densidad óptica donde se verifica la ley de Beer-Lambert. Luego diluya la muestra 200, 000 células por mililitro usando PBS estéril. Esterilizar el agar tríptico de soja en autoclave, y luego enfriar mezclando hasta que la temperatura alcance los 45 grados centígrados.A continuación, inocular las bacterias en el agar de soja tríptico. A continuación, pipetear el cultivo bacteriano diluido sobre la superficie del sensor implantable y 100 microlitros de agar de soja tríptico no inoculado sobre otro implante estéril como control. Agregue 100 microlitros adicionales de agar de soja tríptico no inoculado sobre el sensor implantable antes de incubarlo a 37 grados centígrados durante 48 horas antes de la implantación.Después de completar el escaneo, las imágenes a 620 nanómetros, 700 nanómetros y proporción respectivamente se generaron en MatLab, y el cambio en el color fue indicativo de los cambios en el pH. Como la región de pH básica absorbe significativamente la luz emitida que la región de pH ácido, la región de pH más bajo aparece como una señal más brillante a 620 nanómetros. La emisión del centelleador a 700 nanómetros funciona como una referencia espectral para inconsistencias en la película centelleadora, cambios en la composición del tejido y cualquier cambio que ocurra en la posición de la óptica de detección de escaneo a escaneo.La muestra debe colocarse correctamente en el escenario. La fuente de alimentación PMT debe apagarse antes de encender la luz de la habitación o abrir el recinto, y se debe realizar un escaneo de baja resolución antes de las imágenes de alta resolución. En lugar de la fuente de rayos X, podemos usar una fuente de ultrasonido para realizar imágenes químicas de luminiscencia de ultrasonido para monitorear los cambios de pH asociados con los dispositivos médicos implantados.Sí, después de la optimización del sistema, pudimos detectar variaciones de pH en la cavidad intramedular del hueso en comparación con la superficie ósea que podría usarse para estudiar la osteomielitis.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Radicales Libres en Biología Química: del comportamiento químico al desarrollo de biomarcadores

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

Investigación

Química

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

Imagen confocal de Confinados en reposo y que fluye mezclas de coloide y polímeros

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

Preparación de células adherentes, por Imágenes de fluorescencia de rayos X por Química Fijación

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

Jardines químicos como flujo continuo Reactores simulación de sistemas hidrotermales Naturales

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

Cuantificar datos de fluorescencia de rayos 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 precipitación química para la síntesis de Nb2O5 modificado a granel catalizadores de níquel con alta superficie 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 ...

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

Chips de microfluídica para dispersión ligera dinámica In Situ mediante difracción de rayos x de cristal y In Situ para la cristalografía Serial

This protocol describes fabricating microfluidic devices with low X-ray background optimized for goniometer based fixed target serial crystallography. The ...

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

Detección sensible al elemental de la química en las baterías a través de espectroscopia de absorción de rayos x blandos y dispersión inelástica resonante de la radiografía

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

Mediada por el ligando de la nucleación y crecimiento de nanopartículas de Metal de paladio

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