هنا ، نقدم بروتوكولا للكشف البصري عالي الدقة عن المعلومات الكيميائية حول الأجهزة الطبية المزروعة باستخدام التصوير الكيميائي للتلألؤ المتحمس بالأشعة السينية (XELCI). تم تطوير تقنية التصوير الجديدة هذه في مختبرنا والتي تتيح دراسة الكيمياء الحيوية للعدوى المرتبطة بالزرع.
تعد العدوى الميكروبية المرتبطة بالأجهزة الطبية القابلة للزرع مصدر قلق كبير في فشل تثبيت الكسور. سيسمح التشخيص المبكر لهذه العدوى بالاستئصال الناجح بالمضادات الحيوية دون تكلفة إضافية لإجراء عملية جراحية ثانية. هنا ، نصف XELCI كتقنية ذات دقة عالية للأشعة السينية ، وخصوصية الزرع ، والحساسية الكيميائية للتركيزات الكيميائية للصور غير الغازية بالقرب من سطح الأجهزة الطبية المزروعة. الأجهزة مطلية بأسطح الإبلاغ الكيميائي. يتكون هذا السطح المستجيب كيميائيا من طبقتين مطليتين بجهاز طبي قابل للزرع. طبقة حساسة لدرجة الحموضة (بروموثيمول أزرق أو بروموكيسول أخضر هيدروجيل مدمج) مغلفة فوق طبقة وميض باعث للضوء الأحمر (Gd 2 O2S:Eu) للمراقبة. يشع شعاع الأشعة السينية المركز بقعة على الغرسة ، وينتقل الضوء الأحمر الناتج عن الوميض (مع قمم 620 نانومتر و 700 نانومتر) عبر طبقة الاستشعار التي تغير النسبة الطيفية اعتمادا على الرقم الهيدروجيني. يتم إنشاء صورة عن طريق مسح شعاع الأشعة السينية عبر الغرسة وقياس النسبة الطيفية للضوء الذي يمر عبر الأنسجة نقطة تلو الأخرى. استخدمنا تقنية التصوير هذه لمراقبة الالتهابات المرتبطة بالزرع سابقا على سطح عظم الفخذ باستخدام مستشعر لوحة قابل للزرع معدل. الآن نحن ندرس تغيرات الأس الهيدروجيني التي تحدث من عدوى قضيب الظنبوب داخل النخاع. يتم استخدام نوعين مختلفين من تصميمات القضبان داخل النخاع في دراسات الأرانب قبل التجربة ، وعلمنا أنه يمكن استخدام تقنية XELCI لمراقبة أي تغييرات كيميائية تحدث ليس فقط على سطح العظام ولكن أيضا داخل العظام. وبالتالي ، فإن هذا يتيح تصوير الأس الهيدروجيني المحلي غير الجراحي والدقة المكانية العالية والخلفية المنخفضة لدراسة الكيمياء الحيوية للعدوى المرتبطة بالزرع.
في الولايات المتحدة ، يتم إدخال حوالي 2 مليون جهاز تثبيت للكسر سنويا ، ويؤدي 5٪ -10٪ منها إلى التهابات مرتبطة بالزرع1. يصعب علاج هذه العدوى بالمضادات الحيوية في مراحل لاحقة بسبب عدم التجانس والطبيعة المقاومة للمضادات الحيويةللأغشية الحيوية 2,3. إذا تم تشخيصها مبكرا ، يمكن علاج العدوى بالمضادات الحيوية والتنضير الجراحي لمنع التكاليف الطبية الإضافية لإجراء عملية جراحية ثانية لاستبدال الأجهزة في موقع الكسر المعالج. يتم تطبيق التصوير الشعاعي العادي وتقنيات التصوير الشعاعي المتقدمة الأخرى في تشخيص الالتهابات المرتبطة بزراعة العظام ، وعدم النقابات ، والمضاعفات ذات الصلة. على الرغم من أن هذه التقنيات تستخدم بشكل متكرر للحصول على معلومات هيكلية للعظام والأنسجة المحيطة في زرع العظام ، إلا أنها غير قادرة على توفير معلومات كيميائية حيوية في بيئة معينة. وهكذا، قمنا بتطوير تقنية جديدة للتصوير الكيميائي بأشعة سينية (XELCI) للتصوير عالي الدقة للمعلومات الكيميائية الحيوية بشكل غير جراحي في موقع الزرع. عادة ما يتم تشخيص الالتهابات المرتبطة بزراعة العظام بوسيلة واحدة أو مجموعة من الوسائل المختلفة. تشير الملاحظات السريرية (الألم ، التورم ، الاحمرار ، إفراز الجرح ، إلخ) إلى العلامات الأولى للعدوى. في وقت لاحق ، يتم إجراء التجارب الإشعاعية والمخبرية لتأكيد فشل تقدم شفاء العظام وتحديد الكائن الممرض 4,5. يتم استخدام التقنيات الطبية النووية مثل التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وطرق النوكليوتيدات المشعة مثل التصوير المقطعي المحوسب بإصدار فوتون واحد (SPECT) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) لتحسين تصور الغرسة المصابة والعدوى المرتبطة بها 6,7. التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي مفيدان في تحديد نخر العظام وتشوهات الأنسجة الرخوة ، على التوالي ولكنهما يسببان تداخلات على مسافة قريبة من الغرسات المعدنية8. تستخدم منهجيات الأشعة السينية المختلفة مثل SPECT و PET بالاشتراك مع التحليلات الموسومة بالنظائر المشعة كما هو الحال في عوامل تباين التصوير في الجسم الحي على نطاق واسع لتشخيص التهاب العظم والنقي المرتبط بالزرع2. تجمع التطبيقات الحالية بين كل من البيانات من التصوير المقطعي المحوسب وبيانات وضع العلامات من SPECT أو PET لتوليد معلومات تشريحية9. على الرغم من استخدام طريقة أو أكثر من طرق التصوير هذه للمساعدة في تشخيص العدوى ، إلا أنها لا تستطيع اكتشاف اختلافات الأس الهيدروجيني المرتبطة بالعدوى مبكرا لبدء العلاج بالمضادات الحيوية لتجنب النفقات الطبية والجراحية الإضافية.
الميزة الرئيسية لاستخدام نظام التصوير المستخدم في هذه الدراسة لمراقبة العدوى المرتبطة بالزرع هي قدرته على الكشف عن المعلومات الكيميائية الحيوية حول البيئة الدقيقة للغشاء الحيوي مع مرجع طيفي. على الرغم من أن التركيز الرئيسي ينصب على التصوير ورسم خرائط الأس الهيدروجيني في الموقع المصاب ، إلا أنه يمكن تغيير هذه الطريقة لمراقبة المؤشرات الحيوية الأخرى الخاصة بالعدوى المرتبطة بالزرع. وبالتالي ، يسمح XELCI بفهم الفيزيولوجيا المرضية للعدوى. يسمح التصوير عالي الدقة المكانية برسم خرائط عدم التجانس مع نمو العدوى. الرقم الهيدروجيني على السطح حيث يحدث تكوين الأغشية الحيوية مهم جدا لفهم التغيرات الكيميائية الحيوية. أيضا ، يمكن أن تحدث تغييرات أخرى في البيئة المكروية بسبب استجابات الإجهاد المرتبطة بالمضادات الحيوية من قبل البكتيريا10,11. نظرا للتصوير المكاني عالي الدقة والسطحي ، يمكن مراقبة تأثير المضادات الحيوية على البيئة الدقيقة للغشاء الحيوي. يمكن أيضا استخدام هذه التقنية لدراسة بيئة الأغشية الحيوية الرقيقة لتجارب توصيل الأدوية المستهدفة. يمكننا دراسة إطلاق الدواء المستهدف منخفض الأس الهيدروجيني أو رفع درجة الحموضة لجعلها أكثر عرضة للعمل عند درجة حموضة أعلى.
ثلاث خصائص محددة لتقنية التصوير هذه هي دقة الأشعة السينية ، وخصوصية سطح الزرع ، والحساسية الكيميائية (الشكل 1 أ). يمكن مقارنة هذه الخصائص بتقنيات التصوير المتاحة حاليا لتصوير الالتهابات المرتبطة بزرع العظام (الشكل 1 ب). بمجرد تشعيعها بالأشعة السينية ، تولد جزيئات الفوسفور المطلية على سطح الزرع ضوءا أحمر وقريبا من الأشعة تحت الحمراء (NIR) يمكنه اختراق بضعة سنتيمترات من الأنسجة (وإن كان ذلك مع بعض التوهين)12,13. يوضح الجدول 1 بعض ميزات نظام التصوير المطور مقارنة بالطرق الأخرى التي تم استخدامها لقياس درجة الحموضة في الأغشية الحيوية أو من خلال الأنسجة.
XELCI هي تقنية تصوير جديدة للحصول على معلومات كيميائية عالية الدقة المكانية بصريا بالقرب من الأجهزة الطبية المزروعة بالاشتراك مع إثارة الأشعة السينية ، كما هو موضح في الشكل 2. هنا يتم استخدام الإثارة الانتقائية والكشف البصري لجزيئات الفوسفور المثيرة بالأشعة السينية. الغرسة مغلفة بطبقتين ، صبغة حساسة لدرجة الحموضة مدمجة طبقة بوليمر فوق طبقة من جزيئات التلألؤ. بمجرد أن تشع سلسلة من حزم الأشعة السينية المركزة الغرسة ، تولد طبقة التلألؤ ضوءا مرئيا (620 نانومتر و 700 نانومتر). يمر هذا الضوء الناتج عبر الطبقة الحساسة لدرجة الحموضة التي تعدل طيف التلألؤ اعتمادا على الرقم الهيدروجيني للبيئة المحيطة. يرتبط انخفاض درجة الحموضة عموما بالعدوى وتكوين الأغشية الحيوية. مع تقدم العدوى ، يتغير الرقم الهيدروجيني من درجة الحموضة الفسيولوجية (الرقم الهيدروجيني 7.2) إلى الحمضية (أقل من الرقم الهيدروجيني 7) ، وتغير صبغة الأس الهيدروجيني في المستشعر اللون وبالتالي الامتصاص. يظهر تباين طيف التلألؤ في الشكل 2E لصبغة الأس الهيدروجيني الخضراء Bromocresol عند الرقم الهيدروجيني 7 والرقم الهيدروجيني 4. يتم جمع الضوء المرسل عبر الأنسجة والعظام وتحدد النسبة الطيفية درجة الحموضة. لتوليد صورة الأس الهيدروجيني ، يشع شعاع الأشعة السينية المركز نقطة في كل مرة في فيلم الوميض ويمسح الحزمة نقطة تلو الأخرى عبر العينة. في السابق ، تم تطبيق هذه التقنية على صورة تباين الأس الهيدروجيني على سطح غرسات العظام14,15 واختبرتها لمراقبة تغيرات الأس الهيدروجيني في القناة داخل النخاع من خلال العظام والأنسجة.
يوضح الشكل 3 أدناه مخططا لنظام التصوير. المكونات الأساسية لنظام التصوير هي مصدر إثارة الأشعة السينية مع بصريات متعددة الشعيرات الدموية ، ودليل ضوء أكريليك من قطعة واحدة يتصل بأنبوبين مضاعفين ضوئيين ، والمرحلة الآلية x و y و z (30 سم × 15 سم × 6 سم السفر) والكمبيوتر المتصل للحصول على البيانات. يوجد مصدر الأشعة السينية ومرحلة x و y و z وبصريات التجميع (الكوع ، دليل الضوء ، أنابيب المضاعف الضوئي (PMTs)) في حاوية مقاومة الأشعة السينية ، بينما يتم الاحتفاظ بوحدة التحكم بالأشعة السينية ومصدر الطاقة ل PMTs ومولد الوظائف المتصل بلوحة الحصول على البيانات (DAQ) والكمبيوتر بالخارج. يعمل زر الضغط ، وهو مفتاح مفتوح عادة ، يوضع بين العلبة ومقدمة الباب كقفل متشابك. إذا لم يكن الباب مغلقا تماما (مفتاح التعشيق مفتوح) ، فلن يتم تشغيل مصدر الأشعة السينية ، وسيقوم تلقائيا بإيقاف تشغيل مصدر الأشعة السينية إذا تم فتحه أثناء التشغيل. يمكن للمحركات إجراء مسح مستمر وكذلك يمكن نقلها إلى أي مكان منفصل. عادة ما تكون سرعة المسح للمحور ص 1-5 مم / ثانية ، بينما يمكن اختيار حجم الخطوة على المحور السيني عادة من 150-2000 ميكرومتر. يمكن اختيار المعلمات اعتمادا على الدقة المكانية المطلوبة. يتم تأكيد أوقات التعرض المتساوية من خلال السرعة الثابتة طوال الفحص المستمر.
بمجرد تشعيع شعاع الأشعة السينية المركز على جزيئات تلألؤ الأشعة السينية ، سيمر الضوء المتولد عبر الفيلم الحساس للأس الهيدروجيني عن طريق تعديل الضوء اعتمادا على الرقم الهيدروجيني المحيط. سوف يتفاعل الضوء المرسل (ينتشر ويمتص جزئيا) مع الأنسجة ، بينما يزداد توهين الضوء عن طريق التشتت والامتصاص مع زيادة سمك الأنسجة. تشتمل بصريات المجموعة على دليل ضوئي أكريليك متشعب من قطعة واحدة مزود بكوع من الألومنيوم العاكس (مع انحناء 90 درجة وسطح داخلي عاكس مصقول) في البداية. هذا لضمان توازي الضوء بمجرد وصول الضوء إلى دليل الضوء. أدت هذه الإضافات إلى تحسين كفاءة جمع الضوء بشكل كبير. لمزيد من التفاصيل ، يوضح الشكل 4 رسومات الماكينة للكوع ودليل الضوء. تم تشكيل الكوع 90 درجة من الألومنيوم مع تلميع السطح الداخلي إلى تشطيب المرآة وتم تشكيل دليل الضوء باستخدام الأكريليك. لقد قمنا أيضا بتوصيل مرشح ضوء أزرق طويل النطاق واسع النطاق (يحجب ضوء 350-450 نانومتر) في بداية الكوع لضمان مرور الضوء الأحمر فقط. تتشعب نهاية دليل ضوء الأكريليك المكون من قطعة واحدة إلى تيارين يؤديان إلى اثنين من PMTs مختلفين. يتم وضع PMTs في صندوق معدني صغير محكم الغلق على اتصال مع مبرد كهربائي حراري لتبريد PMTs إلى ~ 5 °C. في بداية أحد PMTs ، يتم إرفاق مرشح تمرير طويل ضيق النطاق (يحجب ضوء 570-640 نانومتر ويمرر ضوء 640-740 نانومتر) لقياس ضوء 700 نانومتر فقط. لذلك ، يمكن حساب الضوء 620 نانومتر و 700 نانومتر بشكل منفصل. يتم إعداد PMTs في وضع عد الفوتون ، وتولد نبضات منطق الترانزستور والترانزستور (TTL) لكل فوتون يتم اكتشافه. يقوم نظام DAQ بحساب النبضات (نقطة التشبع 20 مليون نبضة في الثانية) باستخدام اتصال USB. يتم إنشاء خريطتين منفصلتين للشدة بعد معالجة البيانات ، ويتم إنشاء صورة نهائية من خلال النظر في نسبة شدة الطول الموجي للإشارة (620 نانومتر) إلى شدة الطول الموجي المرجعي (700 نانومتر). تمثل هذه النسبة الاختلافات في إجمالي كفاءة جمع الضوء ، والتي تعتمد بشدة على موضع بصريات التجميع ، وكثافة تشعيع الأشعة السينية ، وسمك الأنسجة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المنطقة المرجعية المنفصلة مكانيا بدون أي صبغة مؤشر الأس الهيدروجيني تمثل التشوه الطيفي من اختراق الأنسجة المعتمد على الطول الموجي. يتم استخدام لغة برمجة قائمة على الرسومات للتحكم في نظام التصوير ، ويظهر أدناه مخطط انسيابي أساسي للعملية. يتم وضع إعداد التصوير ، باستثناء الكمبيوتر ووحدة التحكم بالأشعة السينية ووحدة DAQ ، في حاوية آمنة للأشعة السينية لتقليل التعرض للإشعاع.
لكي نتمكن من اكتشاف ودراسة الالتهابات المرتبطة بزراعة العظام في وقت مبكر لتجنب مضاعفات التهاب العظم والنقي والإجراءات الجراحية الثانوية ، قدمنا XELCI كتقنية تصوير وظيفية جديدة. إنه قابل للمقارنة مع التقنيات المتاحة حاليا لمراقبة درجة الحموضة من خلال الأنسجة.
أثناء وضع العي?…
The authors have nothing to disclose.
يود المؤلفون أن يشكروا جامعة كليمسون و COMSET و Clemson SC BioCRAFT. تم تطوير إعداد XELCI في البداية بأموال من NSF CAREER CHE 12255535 ولاحقا بواسطة NIH NIAMS R01 AR070305-01.
90 degree elbow | Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA | ||
Bromo Cresol Green | Sigma-Aldrich | 45ZW10 | |
Bromo Thymol Blue | Sigma | 76-59-5 | |
ElectraCOOL Advanced thermoelectric cool plate | Pollock industries, White River, VT, USA | TCP 50 | |
Ethanol | Beantown Chemical, 9 Sagamore Park Road Hudson, NH 03051 |
64-17-5 | |
Gadolinium Oxysulfide Europium doped (Gd2O2S:Eu) particles-~8.0 µm | Phosphor Technologies Inc., Stevenage, England | UKL63/N-R1 | |
LabVIEW | National Instruments, Austin, TX | ||
Motorized Linear Vertical Stage Model (for Z axis) | Motion Control, Smithtown, NY, USA | AT10-60 | |
National instruments c-DAQ 9171 | National Instruments, Austin, TX | NI cDAQ™-9171 | |
One piece acrylic light guide | Produced in Hilltop Technology Laboratory, 51 Parker, Irvine,CA | ||
pH 4 buffer | VWR BDH Chemicals | BDH5024 | |
pH 8 buffer | VWR BDH Chemicals | BDH5060 | |
Phosphate Buffer Solution | MP Biomedicals, Irvine, CA. USA | 2810305 | |
Photo multiplier tubes Model P25PC-16 | SensTech, Surrey, UK | Model P25PC-16 | |
Staphylococcus aureus subsp. aureus Rosenbach | American Type Culture Collection (ATCC), Manassas, VA | ATCC 25923 | |
Tryptic Soy Agar | Teknova, Hollister, CA, USA | T0520 | |
Tryptic Soy Broth | EMD Millipore, Burlington, MA, USA | 1005255000 | |
X-ray source-iMOXS | Institute for Scientific Instruments GmbH, Berlin, Germany | ||
X,Y motorized stage-30 cm x 15 cm x 6 cm travel | Thorlabs Inc., Newton, NJ, USA | LTS300 and LTS150 |