Tomographie photoacoustique pour l'imagerie du sang et des lipides dans l'aorte infrarénale

Source: Gurneet S. Sangha et Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

La tomographie photoacoustique (PAT) est une modalité émergente de l'imagerie biomédicale qui utilise des ondes acoustiques générées par la lumière pour obtenir des informations de composition à partir de tissus. LE PAT peut être utilisé pour l'image du sang et des composants lipidiques, ce qui est utile pour une grande variété d'applications, y compris l'imagerie cardiovasculaire et tumorale. Les techniques d'imagerie actuellement utilisées ont des limites inhérentes qui limitent leur utilisation auprès des chercheurs et des médecins. Par exemple, les longs délais d'acquisition, les coûts élevés, l'utilisation de contrastes nocifs et l'invasivité minimale à élevée sont tous des facteurs qui limitent l'utilisation de diverses modalités en laboratoire et en clinique. À l'heure actuelle, les seules techniques d'imagerie comparables au PAT sont les techniques optiques émergentes. Mais ceux-ci ont également des inconvénients, tels que la profondeur limitée de pénétration et la nécessité d'agents de contraste exogènes. PAT fournit des informations significatives d'une manière rapide, non invasive, sans étiquette. Lorsqu'il est couplé avec l'échographie, PAT peut être utilisé pour obtenir des informations structurelles, hémodynamiques et compositionnelles à partir de tissus, complétant ainsi les techniques d'imagerie actuellement utilisées. Les avantages du PAT illustrent ses capacités à avoir un impact à la fois dans l'environnement préclinique et clinique.

LE PAT est une modalité hybride qui utilise des ondes acoustiques induites par la lumière pour obtenir des informations de composition à partir de tissus. La propagation acoustique est attribuée à l'expansion thermoélastique. Cela se produit lorsque des liaisons chimiques spécifiques dans un tissu absorbent la lumière, et la hausse de la température ambiante provoque l'expansion du tissu. Pour élaborer, des liaisons chimiques spécifiques absorbent la lumière, faisant vibrer la molécule et convertissent une partie de cette énergie vibratoire en chaleur. Cette production de chaleur provoque l'expansion des tissus locaux, ce qui induit des propagations acoustiques qui peuvent être détectées par un transducteur d'ultrasons. Pour induire l'effet photoacoustique, les conditions thermiques et de confinement de stress doivent être remplies pour réduire au minimum la dissipation de chaleur et pour permettre à la pression thermoélastique-induite de s'accumuler dans le tissu. L'onde de pression photoacoustique résultante peut être caractérisée par une équation (1), qui indique que l'onde acoustique induite par la lumière (P_o) est régie par le paramètre Deténéisen dépendant de la température (en), le coefficient d'absorption_(a), et la fluence optique locale (F).

P_o -_aF Equation 1

En conséquence, chaque élévation de température de mK produit typiquement une onde de pression de 800 Pascal qui peut être détectée à l'aide d'un transducteur d'ultrason. Cette absorption sélective de la lumière permet aux utilisateurs de cibler divers composants biologiques en auningant la longueur d'onde de la lumière comme l'utilisation de 1100 nm de lumière pour cibler le sang et 1210 nm de lumière pour cibler les lipides. En outre, puisque la lumière est utilisée pour induire la propagation des ondes acoustiques, cette technique peut être utilisée pour imager généralement des structures plus profondes que d'autres techniques optiques sans avoir besoin d'agents de contraste ou de procédures invasives. Cette méthode spécifique utilisant la lumière longue longueur d'onde dans la deuxième lumière de fenêtre proche infrarouge pour induire des ondes acoustiques fournit de nombreux avantages à l'utilisateur, permettant à pat vibratoire (ou VPAT) d'être potentiellement utilisé pour un large éventail d'applications biomédicales.

La procédure suivante décrit les méthodes nécessaires pour mettre en place VPAT pour l'imagerie sanguine et lipidique de l'aorte infrarénale chez les souris déficientes en apolipoprotéine-E (apoE^-/-).

1. Couplage à ultrasons laser

1. Obtenir un laser paramétrique paramétrique optique pulsé Nd:YAG et un système d'échographie. Acquérir un générateur d'impulsions, un câble DE 1 BNC et un connecteur D attaché à deux câbles BNC.
2. À l'aide de la configuration du connecteur D, attachez le câble BNC « Fire » au port A du générateur d'impulsions et le « q-switch » au port B du générateur d'impulsions. Enfin, attachez un câble BNC du port C à « déclencher » à l'arrière du système d'échographie.
3. Alignez le câble de fibre optique avec le laser et attachez les extrémités de fibre aux côtés du transducteur d'ultrason de 40 MHz.
4. Ajuster le retard des ports A, B et C aux valeurs énumérées ici (Port A : 0,000000000, Port B : 0,00021440, Port C : 0,00000910). Définir les ports A et B au signal inversé et au port C au signal normal.

2. Préparation animale et acquisition d'images

1. Anesthésiez un apoE^-/- souris utilisant 3% d'isoflurane dans une chambre d'induction d'anesthésie. Une fois que l'animal est anesthésié déplacer la souris à un cône de nez pour livrer 1-2% isoflurane.
2. Appliquer le lubrifiant pour les yeux des animaux pour prévenir la dessiccation cornéenne. Tapez les pattes de la souris aux électrodes intégrées à l'étape chauffée pour surveiller la respiration et la fréquence cardiaque de l'animal. Enfin, insérez une sonde rectale pour surveiller la température corporelle.
3. Appliquer de la crème dépilatoire pour enlever les poils de l'abdomen de l'animal. Essuyez après 30 s avec un tampon de gaze.
4. Placez le transducteur d'ultrason sur l'abdomen de l'animal et localisez l'aorte infrarénale. La veine rénale gauche et la trifurcation aortique dans l'artère de la queue sont deux repères qui aideront l'utilisateur à localiser cette zone.
5. Exécutez le laser à la sortie 1100 nm de lumière pour cibler le sang suivi de 1210 nm de lumière pour cibler les lipides. Utilisez des lunettes de sécurité laser appropriées lorsque le laser est utilisé.

Ici, les méthodes de VPAT ont été employées pour exécuter l'imagerie spécifique de lipide et de sang in vivo. En couplant un système de laser et d'ultrason, la lumière a été livrée au tissu et les ondes acoustiques résultantes ont été détectées. L'imagerie par ultrasons nous a permis d'obtenir des informations structurelles de l'aorte infrarénale (figure 1a) qui peuvent être utilisées pour mieux interpréter l'information compositionnelle VPAT. Plus précisément, une lumière de 1100 nm a été utilisée pour imager le sang dans l'aorte (Figure 1b), et une lumière de 1210 nm a été utilisée pour l'image de l'accumulation de graisse sous-cutanée et périortique (Figure 1c). À partir des images de l'échographie et du VPAT, on peut voir que la graisse sous-cutanée suit la géométrie de la peau, la graisse périortique suit le contour de l'aorte, et le signal sanguin provient de l'aorte. Ces résultats confirment que, en effet, VPAT peut être utilisé pour l'image du sang et l'accumulation de lipides in vivo.

Figure 1: Ultrasons (à gauche), VPAT sanguin (milieu) et VPAT lipidique (droite) images d'ApoE^-/-. La graisse sous-cutanée (flèches blanches), la graisse périortique (flèches oranges) et le sang (flèches rouges) sont clairement visibles.

VPAT est une méthode rapide, non invasive, sans étiquette pour l'image du sang et de l'accumulation de lipides in vivo. En fournissant de la lumière laser pulsée aux tissus, des propagations acoustiques ont été induites pour obtenir une densité relative et localiser des composants biologiques. Lorsqu'il est couplé avec l'imagerie par ultrasons, la composition, ainsi que l'information structurelle et hémodynamique à partir de tissus, peut être résolue. Une limitation actuelle de cette technique est sa profondeur de pénétration, qui est d'environ 3 mm pour l'imagerie à base de lipides. Bien que ce soit mieux que les techniques optiques actuelles, l'amélioration des techniques de livraison de lumière permettrait d'améliorer la profondeur de pénétration. Une façon d'améliorer cela est de développer un transducteur photoacoustique qui maximise la livraison de la lumière à la région d'intérêt tout en redirigeant la lumière réfléchie de nouveau dans le tissu. Bien que le VPAT soit une technique d'imagerie qui n'en est qu'à ses débuts, il a reçu beaucoup d'intérêt au cours des dernières années, ce qui rend probable que cette technique sera utilisée dans plus de laboratoires et de cliniques à l'avenir.

Le protocole décrit peut être utilisé pour une grande variété d'applications dans l'espace préclinique et clinique. Trois applications potentielles de VPAT incluent l'utilisation de la technique à 1) la progression de la maladie lipidique d'étude, 2) évaluer les thérapeutiques prometteuses, et 3) améliorer le diagnostic des maladies à base de lipides. La capacité de suivre l'information structurelle, hémodynamique et compositionnelle fait de VPAT une technologie attrayante pour étudier comment les lipides vasculaires s'accumulent chez les modèles de petits animaux (Figure 1). En outre, puisque le VPAT est une méthode non invasive, il peut être appliqué pour évaluer les effets de la thérapeutique dans les études longitudinales. Cela pourrait particulièrement réduire le coût de la recherche en diminuant le nombre d'animaux nécessaires à la validation de la thérapie. Enfin, la capacité de VPAT à fournir des informations de composition en fait une technique attrayante pour l'image de différents types de plaques chez les patients qui souffrent de maladies arosclérotiques liées comme la carotide et les maladies artérielles périphériques. L'un des défis actuels en médecine cardiovasculaire est de prédire quelles plaques sont sujettes à la rupture, et ont donc le potentiel d'induire l'infarctus du myocarde et les accidents vasculaires cérébraux ischémiques. Par conséquent, le VPAT peut également jouer un rôle important dans la caractérisation des plaques vulnérables par rapport aux plaques stables, en raison de sa capacité à différencier les composants biologiques. Pris ensemble, vpAT a le potentiel d'avoir un impact significatif dans la recherche et la pratique clinique de la médecine.

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