Bioimaging רשום של ננו לניטור האבחון והטיפול

1. הקדמה משלוח סלקטיבית של תרופות מקרומולקולות טיפולית (פפטידים, חלבונים וחומצות גרעין) לאתרים סלולריים רקמה של מחלה פעילה חיידקים וזיהומים מתמשכים ישפרו התגובות התרופות במהלך המחלה 1-3. אחד האתרים הסלולר בפרט הוא מקרופאג שהוא גם נייד מאוד החיסונית מרתק הוא המטרה העיקרית עקבית וירוס הכשל החיסוני האנושי (HIV). 4 חשוב לציין, דלקת macrophage עוסקת גם ביסוד מגוון רחב של הפרעות שכוללות ניווניות, דלקתיות, זיהומיות מחלות סרטניות, וניידות של התא התקדמות אתרים ביסוד המחלה של פציעות רקמה 5-9. חשוב לציין, השימוש מקרופאגים בדם מובל כמו סמים, מקרומולקולה, ונושאות אות צברה תשומת לב האחרונות עבור פוטנציאל translational שלה. עם זאת, מכשול משמעותי במימוש הפוטנציאל הטיפולי הוא המוח דם מחסום (BBB) ​​בין מחסומי רקמות אחרות, כי הם בלתי חדירים למגוון של מקרומולקולות וחלבונים. אלה, המחסומים, בכל זאת, מתירים מעבר לתא. בסך הכל זה צפוי כי במהלך הטבעי של המחלה מקרופאגים היקפי מחסומים לעקוף יכול לשאת תרופות שגובשה, סמנים, ופפטידים לאתרים של זיהום או דלקת. עם זאת, טכנולוגיות כגון להישאר רק בפיתוח. זוהי דרך יצירות שלנו כי התא בתיווך המסירה ניתן לפתח יישומים אבחוניים וטיפוליים וכן יישומים כגון נתמכים על ידי מודלים מעבדה חיה של מחלות אנושיות 10-12. 2. Nanomaterial ההכנות ההכנה של ננו עבור משלוח תרופות ומחקרים biodistribution הוא הנושא של כתב היד מקביל בעניין זה (במקביל כתב היד הפניה). כל הנהלים לייצור nanoparticle גבישי מתבצעות ברדס זרימה למינרית. משטחים כל לחטא לפני השימוש באלכוהול 70%. זה כולל משטח עבודה, החיצוני של כפפות וכל נשפך. כל מכוסים פתרון של אלכוהול 70% לשכפל מיד עם מגבונים. כפפות מבוטלים לאחר השימוש ולא שחוקים בעת הזנת כל אזור מעבדה אחרות. , Excipient סמים, מים סטריליים עם / המכילות חומרים כימיים כלשהם / כל לייצור עמוסי סמים חלקיקים מובאים רק לאזורים לעבוד בעת הצורך עבור פרוצדורות. Pipettes עטוף סטרילי משמשים רק ומושלכים לאחר השימוש לתוך מיכל פסולת Biohazard. המכשיר מוכן רטוב הוא ולחטא עם אלכוהול לפני ואחרי השימוש. אזור עבודה היא לנקות מיד לפני ואחרי עם אלכוהול 70%. פתרון Nanoparticle נבדק עבור pyrogen בהתאם להנחיות ה-FDA על מנת להעריך את העדרו של רעלן פנימי חיידקים החלקיקים פתרונות תרופה המשמשת עבור בעלי חיים. בקצרה, Nanoformulations המועמד לשימוש ב-vivo משוכפלים על ידי החלפת הליבה סמים או טיפה עם חלקיקים בגודל זהה או פיסת הסתובבו של תחמוצת ברזל פאראמגנטי (SPIO) לפני ציפוי עם פעילי שטח המתאים. זה ואחריו אמצעי תשלום גודל, צורה, cytotoxicity כדי לקבוע אם מערכת מודל SPIO יש את אותן התכונות כמו התרופה מועמד nanoformulated. לבסוף, טוען מבחני תא מבוצעות על ידי הדגירה עם nanoformultation מועמד מודל SPIO על מנת לקבוע את relaxivity בתוך התאים באמצעות רוחות מורכב של תאים שכותרתו תלוי בג'ל אגר. פאנטום מוכנים בשלושה עותקים ומוכנים בכל סדרה של ריכוזים על מנת לכמת את relaxivity בשל ספיגת SPIO בתאים. זה מספק מדד רגישות קובע אם nanoformulations עלול להשפיע על מצב חמצון, ומכאן את הנראות של SPIO ב דימות תהודה מגנטית (MRI) סריקות. 3. שיטות ונהלים: הכנת בעלי חיים זריקות / צנתרים. בהתאם הזמן של עניין, הזריקות עשויה לדרוש השימוש קטטר להזריק את החיה בתוך ה-MRI. צנתרים מוכנים באמצעות מחט לא מגנטי הרחבה צינורות בקוטר מינימלי כדי למזער את שטח מת בקו ההזרקה. קטטר צריך להיות prefilled עם פתרון או המכיל את nanomaterial להיות מוזרק או מלוחים, בהתאם לשטח המת, נפח מקובל הכולל של הזריקה. אם אפשר, הזריקה עלולה להיות מלווה בהתרגשות מלוחים פיזיולוגיים. אם פעמים חריפה אינם מרחיקת לכת, סריקה מראש ניתן לבצע, ואת הזריקה ניתן לעשות זאת מחוץ המגנט בזמן קבוע מראש לפני מעקב סריקות אמצעים biodistribution. מוחדרים צנתרים בדרך כלל לתוך הווריד זנב עבור IV זריקות. הרדמה וניטור. לפני הסריקה, החיה ממוקם לחדר כדי לגרום הרדמה. תא זה prefilled עם 1.5% isoflurane ב 70% nתחמוצת itrous וחמצן 30% על מנת להאיץ את התחלתה של הרדמה ב החיה לצמצם את משך הזמן הנדרש על מנת להבטיח כי בעל החיים לא יתעורר עם הסרת מבית הבליעה. לאחר החיה בהרדמה מלאה, החיה היא להסיר את החדר והניח לתוך מחזיק stereotactic מצויד כדי לפקח על קצב הנשימה ואת הטמפרטורה של בעל החיים תוך כדי אספקת isoflurane במהלך הגדרת וסריקה. בעלי חיים ושיקולים התאמה: הקמה כוללת חומר סיכה העין כדי להגן מפני כיבים בקרנית. החיה היא עטופה קלות עם גזה ואת גזה הוא מודבק במקום כדי להקטין את איבוד החום במהלך סריקה כדי לספק לחץ חיובי נגד לפקח על הנשימה. בעלי חיים מצוידים ברים שן מתכוונן, המאפשר יישור אנכיים ואופקיים של הראש. הדבר חשוב במיוחד עבור תחום ה-MRI גבוהה, כמו זווית הראש לכיוון הזנב, מקורי יגרום קשיים נוספים עם inhomogeneity השדה המגנטי עקב רגישות מגנטי. Inhomogeneity השדה המגנטי הוא מזיקות לאיכות גבוהה T 2 * MRI וכן 1 H ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית (1 H MRS) תהודה מגנטי דיפוזיה דימות מותח (DTI). בנוסף מיצוב נכונה של זווית הראש לכיוון הזנב, מקורי, סיבובים של הראש יש להימנע עד כדי כך אינו ריאלי. המאפשר סיבוב של בעל חיים בתוך המגנט תספק פיצוי סיבובים קלים, אשר עלולה להתרחש מחיה לחיה. זה יכול להיות ממוזער עוד יותר על ידי מיקום זהיר של הראש ותשומת לב זוות לפני הכנסת בעל חיים לתוך מערכת ה-MRI. כיול shimming: לאחר החיה הוא בעל סליל ואת השטח ממוקם כראוי על הראש, העמדה הראשונית של בעל החיים נקבעת על ידי readout חד ממדית בזמן אמת לכיוון הזנב, מקורי. אות היא מוגבלת לאזור סביב הסליל משטח המשמש הקבלה, להגביל את הצורך בפרשנות של צורות גל ציין. לאחר עמדתו הראשונית נקבע, תמונה 3-מטוס Localizer נלקח כדי לקבוע את המיקום המדויק של החיה בתוך הסורק כדי לאפשר תנועה למיקום המדויק הנדרש עבור הסריקה (ים) של עניין. זה ואחריו הסתגלות של הומוגניות של השדה המגנטי, או "shimming" מגנט. הדבר נעשה על ידי מיפוי חלוקת שדה החישוב של תיקון המרחבי נקבע במדויק על בסיס התגובות נמדדת סדרה של אלקטרומגנטים או "סלילים פחית" בתוך המערכת נועדה להתאים את ההומוגניות השדה. Shimming מושגת באמצעות רצף רב שיפוע הד תוכנת המיפוי פותחה על ידי ד"ר התרינגטון 13. אזורים של הומוגניות מתאימים לאזור נבדק על ידי כל שיטת הדמיה בודדים. לאחר shimming תושלם, אנו יכולים לרכוש את הסריקה (ים) של עניין מן החיה. 4. Data Acquisition ברזולוציה גבוהה T 2 * MRI משוקלל. Biodistribution של חלקיקים SPIO ובו ניתן לקבוע על ידי איתור אזורים של אובדן האות ברזולוציה גבוהה 3D T 2 * MRI משוקלל. האזור של המוח נקבע מן סריקות Localizer ורשם על סריקות Localizer או סריקות נוספות לפי הצורך. AT 2 * סריקת MRI משוקלל עם רזולוציה של 150 מיקרון איזוטרופיים היא רכשה אז. צבע ברזולוציה גבוהה 3D נזכר הד סריקת MRI של הראש העכבר נרכש באמצעות כלוב 25 מ"מ נפח סליל עם פרמטרים רכישת זמן הד = 5 ms, זמן החזרה = 50 מילישניות, הד 30%, זווית להעיף = 35 מעלות, ממוצע = 2, שדה הראיה = 20 x 20 x 20 מ"מ עם רזולוציה של 128 x 128 x 128 (voxel גודל = 150 x 150 x 150 מיקרומטר 3), זמן הרכישה הכולל = 30 דקות. דימות מותח דיפוזי (DTI): טנזור תמונות דיפוזיה הם מדדים כמותיים של הכיוון ואת העוצמה של דיפוזיה של מים בתוך התאים של הרקמה. כתוצאה מכך, את השלב של האות הוא רגיש מאוד בתנועה, כמו סריקות הם רגישים או "משוקלל" עבור תנועה מים מיקרוסקופיות. כתוצאה מכך, רכישות ירייה אחת הם הרצויה כדי למנוע משמרות שלב בין רכישות מגרימת מריחות האות; ו gating הנשימה הדרוש כדי למנוע תנועה ברוטו במהלך הרכישה האות. לכן, נשימה סגורה ספין הד משוקלל דיפוזיה הד מישוריים הדמיה (EPI) רצף MR הוא מועסק. שוב, shimming באזור סריקות הוא מאוד חשוב, כמו מחוץ תהודה תופעות במהלך האבולוציה של האות גורמת misregistration תדירות האות, ולפיכך עמדה, במישור של התמונה. EPI פרמטרים הרכישה כללה 14 פרוסות, רוחב פס 200 KHz, 96 x 96 רכישת מטוס אפס מלא עד 256 x 256, וכן פרוסה בעובי 0.5 מ"מ. קידוד דיפוזיה משמש היתה תוכנית מאוזנת, קוטביות rotationally-משתנה לסירוגין icosahedral (12 directions) 14,15. התוכנית קידוד נועד להפחית רקע דיפוזיה הדרגתי הזיווגים 16. שקלול דיפוזיה b-s גורם = 800 מ"מ -2, δ = 4 ms, Δ = 15 מילישניות, Gdmax = 40 G / ס"מ, 200 μs זמן לעלות, 7 ממוצעים לרכישת b = 0, 3 ממוצעים עבור כל קידוד = 800 b כיוון, זמן הרכישה הכולל של 20-40 דקות, תלוי בקצב הנשימה. לוקליזציה 1 H ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית (1 H MRS): 1 H גברת ניתן להשיג אזורים במוח שנקבעו על תמונות שנרכשו במהלך הפגישה הדמיה אותו. במקומות אנטומיים נמצאים על תמונות לרשום את האזור של עניין לרכישת ספקטרום. לאחר באזור מזוהה, shimming מבוצע על האזור תואם את היקף הרכישה, בדק באמצעות ספקטרום מים מקומי. ואז, כוחו של פולסים דיכוי מים מותאמים, תדר המים נמדדת על מנת להבטיח על תהודה האות מים, קשת מבחן קצר נרכש לספק בקרת איכות. אם ספקטרה הם באיכות מספקת, הגדרות המערכת, כולל חשמל (RF) בתדר רדיו והגדרות שים, נבדקות. לבסוף, אם האיכות עדיין לא מספיק, Localizer שנייה 3-מטוס מנוהלת על מנת להבטיח כי בעל החיים לא עברה מן סריקות הראשונית. מניסיוננו, זה מספק רמה גבוהה מאוד של שחזור ודיוק עבור רכישות ספקטרוסקופיות. לבסוף, הספקטרום נרכשים בבלוקים קצר עם איפוס של תדר המערכת בין רכישות כדי למנוע תופעות של נדידת השדה המגנטי ולהבטיח שחזור והאיכות של הסריקות הסופי. בתום הרכישה, הדופק יחיד מים ספקטרום בשעה להשיג מגבר קדם מראש משמש התייחסות כמותית משרעת האות. היסטולוגיה ו Blockface הדמיה: לאחר הפגישה סריקת ה-MRI האחרון בסדרה של ניסויים זמן, העכבר perfused, המוח יוסר מוטבע לתוך גוש של אוקטובר, המתחם אשר כבר חשוך באמצעות טיפת דיו בהודו. הבלוק ממוקם לתוך cryostat עבור חיתוך וניתוח היסטולוגית. תמונות Blockface נרכשים באמצעות מצלמה דיגיטלית (Canon EOS 300D Digital Rebel עם EFS 60mm f/2.8 Canon Ultrasonic USM עדשת מאקרו) רכוב על החלק הקדמי של cryostat עם הר מותאם אישית מופעלת על ידי מתג מרוחק. תמונות דיגיטלי נרכשים כל 50 מיקרומטר באמצעות נפח המוח כולו. פרוסות ממוספרות כדי לאפשר רישום בתוך הכרך לאחר עיבוד צביעה היסטולוגית ו. פרוסות blockface הפרט היו מיושרים לשחזר את נפח 3D באמצעות לחסום מתאר להסביר להתעצבן בעמדה של ראש cryostat. נפח המוח אז מפולח באופן אוטומטי באמצעות אלגוריתם באזור מבוסס זרע גדל נתח חבילת התוכנה (AnalyzeDirect, Lexena, KS). 5. ניתוח נתונים איתור SPIO באמצעות MRI: SPIO גורם לאובדן האות T 2 * MRI משוקלל; סמן, וככזה, את החלל אות ה-MRI הוא רגיש, אבל לא ספציפית עבור נוכחות SPIO ברקמות. הרגישות תלויה ברזולוציה מרחבית של סריקת ה-MRI לבין גודל החלקיק SPIO, עם חלקיק בודד בגודל מיקרון מזוהה עם רזולוציה של 100 מיקרון איזוטרופיים. בעבודות אלה, איזוטרופיים 150 מיקרון עם רזולוציה 200 חלקיקים בגודל ננומטרי SPIO משמשים. כדי לספק הן רגישות וספציפיות נוכחות של SPIO במוח, עכברים נסרקו לפני הזרקה של תאים SPIO שכותרתו לאפשר תמונות חיסור לשמש לצורך זיהוי חיובי של תאים במוח בשעה מאוחר יותר נקודות זמן. 3D סריקות MRI היו subimaged משתמש להגדיר את רמת מוגבל שיטה שפותחה במעבדה שלנו כפי שתואר לעיל 17. נפח המוח Subimaged היו אז coregistered, עוצמת האות מנורמל, ואמצעי אחסון מופחתים כדי לזהות אזורים בתוך נפח המוח עם אובדן אות (נוכחות של SPIO), אשר לא היה לאורך שולי לחסל אות חיובי כוזב מכל טעויות רישום subpixel. Coregistration של היסטולוגיה ו-MRI: Coregistration בין היסטולוגיה ו-MRI בוצעה באמצעות תמונה blockface כהפניה משותף. גישה זו מפחיתה את מורכבות הבעיה העיקרית של תיקון התכווצות סימטרית של פרוסות הרקמה במהלך הכנת מכתים לבעיה שני מימדי כמתואר בעבודות קודמות שלנו 18,19. כאן, MRI לגילוי היסטולוגיה של מקרופאגים SPIO המכיל במוח הראו קורלציה מרחבית מצוינת, עם אומדן צפוי נפח על ידי הפסד של אות MRI ו רגישות רבה יותר לתאי כמה שמפגינים היסטולוגיה 12. מדויק שיתוף לוקליזציה של שני האותות מספק אחד מידת הדיוק של coregistration ו השתאה של היסטולוגיה בחזרה את הצורות המקוריות של הפרוסות. אזור של (ROI) ניתוח ריבית של DTI: סריקות DTI מנותחים בדרך כלל על ידי בחירה של ROI אנטומי כדי determine את מאפייני הקניה הממוצע של הרקמה בתוך מסד אנטומי מסוים. ניתוח של דיפוזיה משוקלל נתונים מבוצעות באמצעות תוכניות מותאמות אישית נכתב IDL (Interactive Data Language, ITT פתרונות מידע חזותי, Boulder, CO) כפי שתואר לעיל 15,20. ניתוח לייצר מפות של diffusivities טנזור (λ 1, λ 2, λ 3), diffusivity הממוצע (ד 'באב), שם D: av = (λ 1 + λ λ 2 + 3) / 3 ו אנאיזוטרופיה השבר (FA), שם: רוחבי (λ ⊥ = (λ λ 2 + 3) / 2) ו אורכית (λ λ ll = 1) הרכיבים של טנזור הדיפוזיה התקבלו כמתואר במקום אחר 21. לאחר מפות בנויים, ROIs נמשכים על כיסו 2 T-MRI משוקלל עם צבע מקודד λ 1 מפות כיווניות. דוגמאות של האזורים שנבחרו לניתוח במודל עכבר HIV מוצגים באיור 1. ניתוח ספקטרוסקופיות: quantitation של תרכובות מטבוליות לתרום הפסגות של המוח 1 H גברת נקבעת באמצעות אחת מגוון רחב של שיטות מדידה עקומה. מגוון של טכניקות הולם עקומת פותחו. במעבדה שלנו, אנחנו מעסיקים תחום זמן מתאים לשיטה (QUEST) 22 בחבילת 23 jMRUI עיבוד אות כי הוא צירוף ליניארי של ספקטרה המטבוליט הפרט לתרום ספקטרום הסופי. אנו משתמשים בסיס סדרה של 22 מטבוליטים הפרט הגורמים התורמים הפוטנציאליים. ספקטרה בסיס הם מדומה ובדק באמצעות ספקטרום של פתרונות של מטבוליטים בודדות. דוגמה מכך עקומת להתאים מקשת יחיד שמוצג באיור 2. 6. נציג תוצאות דוגמאות DTI ו 1HMRS מוצגות דמויות 1 ו -2. דוגמאות נוספות של 1H MRS 27 תוצאות 24-26 ו DTI ניתן לראות בפרסומים קודמים שלנו. דוגמאות preinjection T 2 * MRI משוקלל עם כיסוי של המיקום של תאים שכותרתו בצהוב מוצג באיור 3. העכבר היה שכותרתו מונוציטים מקרופאגים נגזר מוזרק לווריד הזנב. כעבור חמישה ימים, T 2 * MRI משוקלל נרכשה ומעובד כפי שתואר לעיל. עכבר הוכן על ידי הזרקה של מקרופאגים HIV אדם נגוע אל המוח, אשר נתפסת שורה של מונוציטים מקרופאגים העכבר זוהה נגזר. דוגמאות נוספות הן של זיהוי של תאים שכותרתו coregistration עם היסטולוגיה ניתן לראות בפרסומים קודמים שלנו 10,12. באיור 1. תיאור של אזורים ניתח עבור מדדים DTI. איור 2. הולם Spectroscopic באמצעות QUEST של חבילת עיבוד אותות jMRUI. איור 3. איתור של תאים SPIO שכותרתו נודדות מן הדם ההיקפי לתוך אזור במוח עם דלקת קרום המוח מוקד. עמדות Cell (צהוב) נציג כיסוי פרוסות מתוך T 2 * רכישת MRI משוקלל כמפורט הטקסט.