Химическая визуализация имплантационно-ассоциированных инфекций с высоким пространственным разрешением с помощью рентгеновской люминесценции через ткани

В Соединенных Штатах ежегодно вводится около 2 миллионов устройств для фиксации переломов, и 5-10% из них приводят к инфекциям, связанным с имплантатом¹. Эти инфекции труднее лечить антибиотиками на более поздних стадиях из-за гетерогенности и антибиотикорезистентности биопленок ^2,3. Если они диагностированы на ранней стадии, инфекции можно лечить антибиотиками и хирургической обработкой, чтобы предотвратить дополнительные медицинские расходы на вторую операцию по замене оборудования в месте обработанного перелома. Простая рентгенография и другие передовые рентгенографические методы применяются в диагностике ортопедических инфекций, связанных с имплантатом, несращений и связанных с ними осложнений. Хотя эти методы часто используются для получения структурной информации об окружающей кости и ткани на ортопедическом имплантате, они не могут предоставить биохимическую информацию в конкретной среде. Таким образом, мы разработали новый метод химической визуализации рентгеновской люминесценции (XELCI) для неинвазивной визуализации биохимической информации с высоким разрешением в месте имплантации. Диагностика ортопедических инфекций, связанных с имплантацией, обычно проводится одним или комбинацией различных средств. Клинические наблюдения (боль, отек, покраснение, раневые выделения и т.д.) позволяют предположить первые признаки инфекции. В дальнейшем проводятся рентгенологические и лабораторные эксперименты для подтверждения недостаточности прогрессирования заживления костей и выявления патогенного организма ^4,5. Ядерные медицинские методы, такие как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и радионуклеотидные методы, такие как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), используются для лучшей визуализации инфицированного имплантата и связанной с ним инфекции ^6,7. КТ и МРТ выгодны для определения некроза кости и аномалий мягких тканей соответственно, но вызывают помехи на близком расстоянии от металлических имплантатов⁸. Для диагностики имплантационного остеомиелита² широко используются различные рентгеновские методики, такие как ОФЭКТ и ПЭТ, в сочетании с меченными радиоизотопами аналитами, а также контрастными веществами in vivo. Современные приложения объединяют как данные компьютерной томографии, так и данные маркировки из ОФЭКТ или ПЭТ для получения анатомической информации⁹. Хотя один или несколько из этих методов визуализации используются для диагностики инфекции, они не могут обнаружить изменения pH, связанные с инфекцией, на ранней стадии, чтобы начать лечение антибиотиками, чтобы избежать дополнительных медицинских и хирургических расходов.

Основным преимуществом использования системы визуализации, используемой в этом исследовании для мониторинга инфекций, связанных с имплантатом, является ее способность раскрывать биохимическую информацию о микроокружении биопленки со спектральной привязкой. Несмотря на то, что основное внимание уделяется визуализации и картированию рН в инфицированном участке, этот метод может быть изменен для мониторинга других биомаркеров, специфичных для инфекций, связанных с имплантатом. Таким образом, XELCI позволяет понять патофизиологию инфекции. Визуализация с высоким пространственным разрешением позволяет картировать гетерогенность по мере роста инфекции. pH на поверхности, где происходит образование биопленки, очень важен для понимания биохимических изменений. Кроме того, другие изменения микроокружения могут происходить из-за стрессовых реакций бактерий, связанных с антибиотиками^10,11. Благодаря поверхностно-специфической визуализации и визуализации с высоким пространственным разрешением можно контролировать влияние антибиотиков на микроокружение биопленки. Методика также может быть использована для изучения среды биопленки для проведения экспериментов по таргетной доставке лекарств. Мы можем изучить целевое высвобождение лекарств с низким рН или повышение рН, чтобы сделать их более восприимчивыми к работе при более высоком рН.

Тремя специфическими характеристиками этого метода визуализации являются рентгеновское разрешение, специфичность поверхности имплантата и химическая чувствительность (рис. 1A). Эти характеристики можно сравнить с доступными в настоящее время методами визуализации для визуализации инфекций, связанных с ортопедическими имплантатами (рис. 1B). После облучения рентгеновскими лучами частицы люминофора, нанесенные на поверхность имплантата, генерируют красный и ближний инфракрасный (NIR) свет, который может проникать через несколько сантиметров ткани (хотя и с некоторым ослаблением)^12,13. В таблице 1 показаны некоторые особенности разработанной системы визуализации по сравнению с другими способами, которые использовались для измерения рН в биопленках или через ткани.

XELCI — это новый метод визуализации для оптического получения химической информации с высоким пространственным разрешением вблизи имплантированных медицинских устройств в сочетании с возбуждением рентгеновского излучения, как показано на рисунке 2. Здесь используется селективное возбуждение и оптическое детектирование рентгеновских возбудимых люминофорных частиц. Имплантат покрыт двумя слоями, полимерным слоем, включенным в pH-чувствительный краситель, поверх слоя сцинтилляторных частиц. После того, как последовательность сфокусированных рентгеновских лучей облучает имплантат, сцинтилляторный слой генерирует видимый свет (620 нм и 700 нм). Полученный свет проходит через pH-чувствительный слой, модулируя спектр люминесценции в зависимости от pH окружающей среды. Низкий рН обычно связан с инфекцией и образованием биопленки; по мере прогрессирования инфекции рН изменяется от физиологического рН (рН 7,2) до кислого (менее рН 7), а краситель рН в датчике меняет цвет и, следовательно, абсорбцию. Изменение спектра люминесценции показано на рисунке 2E для зеленого красителя рН бромкрезола при рН 7 и рН 4. Проходящий свет через ткани и кости собирается, и спектральное соотношение определяет pH. Чтобы получить рН-изображение, сфокусированный рентгеновский пучок облучает точку за раз в сцинтилляторной пленке и сканирует пучок точка за точкой по образцу. Ранее этот метод применяли для визуализации изменения рН на поверхности ортопедических имплантатов^14,15 и тестировали его для мониторинга изменений рН в интрамедуллярном канале через кость и ткани.

На рисунке 3 ниже показана схема системы визуализации. Основными компонентами системы визуализации являются источник возбуждения рентгеновского излучения с поликапиллярной оптикой, цельный акриловый световод, подключаемый к двум фотоумножителям, моторизованный столик X, Y и Z (ход 30 см x 15 см x 6 см) и компьютер, подключенный для сбора данных. Источник рентгеновского излучения, столик x, y, z и собирающая оптика (колено, световод, фотоэлектронные умножители (ФЭУ)) находятся в рентгенонепроницаемом корпусе, в то время как рентгеновский контроллер, источник питания для ФЭУ, генератор функций, подключенный к плате сбора данных (DAQ) и компьютер, находятся снаружи. Кнопочный, нормально разомкнутый выключатель, расположенный между корпусом и передней частью двери, служит блокировкой. Если дверца закрыта не полностью (переключатель блокировки открыт), источник рентгеновского излучения не включится, и он автоматически выключит источник рентгеновского излучения, если он будет открыт во время работы. Двигатели могут выполнять непрерывное сканирование, а также их можно перемещать в любое дискретное место. Скорость сканирования по оси Y обычно составляет 1-5 мм/с, в то время как размер шага по оси X обычно можно выбрать от 150 до 2000 мкм. Параметры могут быть выбраны в зависимости от требуемого пространственного разрешения. Равномерное время экспозиции подтверждается постоянной скоростью на протяжении всего непрерывного сканирования.

После того, как сфокусированный рентгеновский пучок облучается на частицы рентгеновской люминесценции, генерируемый свет будет проходить через pH-чувствительную пленку, модулируя свет в зависимости от окружающего pH. Проходящий свет будет взаимодействовать (рассеиваться и частично поглощать) с тканью, в то время как ослабление света за счет рассеяния и поглощения будет увеличиваться по мере увеличения толщины ткани. Оптика коллекции включает в себя цельный раздвоенный акриловый световод с отражающим алюминиевым локтем (с изгибом на 90° и полированной отражающей внутренней поверхностью) в начале. Это необходимо для того, чтобы свет коллимировался, как только свет достигает световода. Эти дополнения значительно повысили эффективность сбора света. Для получения дополнительной информации на рисунке 4 показаны машинные чертежи локтя и световода. Колено под углом 90° было изготовлено из алюминия, внутренняя поверхность отполирована до зеркального блеска, а световод обработан акрилом. Мы также прикрепили фильтр синего света широкого диапазона длинных частот (блокирующий свет 350-450 нм) в начале локтя, чтобы гарантировать, что через него будет проходить только красный свет. Конец цельного акрилового световода раздваивается на два потока, ведущих к двум разным ФЭУ. ФЭУ заключены в небольшую светонепроницаемую металлическую коробку, которая контактирует с термоэлектрическим охладителем для охлаждения ФЭУ до ~5 °C. В начале одного из ФЭУ прикреплен фильтр длинных частот узкого диапазона (блокирующий свет 570-640 нм и пропускающий свет 640-740 нм) для измерения только света 700 нм. Таким образом, свет 620 нм и 700 нм можно рассчитать отдельно. ФЭУ настроены в режиме подсчета фотонов и генерируют транзисторно-транзисторные логические (TTL) импульсы для каждого обнаруженного фотона. Система сбора данных подсчитывает импульсы (точка насыщения 20 миллионов импульсов в секунду) с помощью USB-связи. После обработки данных генерируются две отдельные карты интенсивности, и окончательное изображение создается с учетом отношения интенсивности длины волны сигнала (620 нм) к интенсивности эталонной длины волны (700 нм). Это соотношение объясняет различия в общей эффективности сбора света, которые сильно зависят от положения оптики сбора, интенсивности рентгеновского излучения и толщины ткани. Кроме того, пространственно разделенная эталонная область без какого-либо красителя-индикатора pH объясняет спектральные искажения от проникновения в ткань, зависящую от длины волны. Для управления системой обработки изображений используется графический язык программирования, а базовая блок-схема операции показана ниже. Установка визуализации, за исключением компьютера, рентгеновского контроллера и блока сбора данных, заключена в безопасный рентгеновский корпус, чтобы свести к минимуму лучевую нагрузку.