インフラレナル大オルタにおける血液と脂質を画像化する光音響断層撮影

出典:ガーニート・S・サンガとクレイグ・J・ガーゲン, ウェルドン生物医工学研究科, パデュー大学, ウェストラファイエット, インディアナ州

光音響断層撮影(PAT)は、光発生音波を利用して組織から組成情報を得る新たな生物医学的イメージングモダリティです。PATは、血液および脂質成分を画像化するために使用することができ、これは、心血管および腫瘍イメージングを含む多種多様な用途に有用である。現在使用されているイメージング技術には、研究者や医師との使用を制限する固有の制限があります。例えば、長い取得時間、高コスト、有害なコントラストの使用、および高侵襲性への最小限の要因はすべて、実験室および診療所における様々なモダリティの使用を制限する要因である。現在、PATに匹敵する唯一のイメージング技術は、新たな光学技術です。しかし、これらはまた、浸透の限られた深さと外因性造影剤の必要性などの欠点を有する。PAT は、迅速で非侵襲的なラベルのない方法で意味のある情報を提供します。超音波と組み合わせると、PATは組織から構造的、馬力学的、および組成情報を得るために使用することができ、それによって現在使用されているイメージング技術を補完する。PATの利点は前臨床および臨床環境の両方で影響を与える機能を示す。

PATは、光誘起音響波を利用して組織から組成情報を得るハイブリッドモダリティです。音響伝播は熱弾性膨張に起因する。これは、組織内の特定の化学結合が光を吸収し、周囲温度の上昇が組織を拡大させるときに発生します。精巧にするために、特定の化学結合は光を吸収し、分子が振動し、この振動エネルギーの一部を熱に変換します。熱のこの生産は、超音波トランスデューサーによって検出することができる音響伝播を誘発する局所組織膨張を引き起こす。光音響効果を誘導するには、放熱を最小限に抑え、熱弾性誘導圧力が組織内に蓄積されるように、熱閉じ込め条件と応力閉じ込め条件の両方を満たす必要があります。得られた光音響圧力波は、光誘起音響波_(Po)が温度依存性グルエニセンパラメータ(Γ)、吸収係数_(μa)、および局所光フルエンス(F)によって支配されることを示す式(1)によって特徴付けることができる。

P_o = Γμ_aF 方程式 1

その結果、温度の各mK上昇は、特徴的に超音波トランスデューサを使用して検出することができる800パスカル圧力波を生成します。この光の結合選択的吸収により、1100nm光を使用して血液を標的にし、1210nm光を使用して脂質を標的とするなど、様々な生体成分を標的とすることができます。さらに、光は音響波の伝播を誘導するために使用されているので、この技術は、通常、造影剤や侵襲的な手順を必要とせずに、他の光学技術よりも深い構造を画像化するために使用することができます。第2の近赤外窓光に長波長光を使用して音響波を誘導するこの特定の方法は、ユーザに多くの利点を提供し、振動PAT(またはVPAT)を広範囲の生物医学用途に潜在的に使用することを可能にする。

次の手順では、アポリポプロテイン-E欠損(apoE^-/-)マウスにおけるインフラレナル大定の血液および脂質イメージングのためのVPATを設定するために必要な方法について説明します。

1. レーザー超音波カップリング

1. Nd:YAGパルス光パラメトリック発振器レーザーと超音波システムを取得します。パルス発生器、1本のBNCケーブル、2本のBNCケーブルに接続されたDコネクタを取得します。
2. Dコネクタのセットアップを使用して、パルス発生器のポートAに「Fire」BNCケーブルを接続し、パルス発生器のポートBに「Qスイッチ」を接続します。最後に、ポートCからBNCケーブルを取り付け、超音波システムの背面にある「トリガイン」します。
3. 光ファイバケーブルをレーザーに合わせ、40 MHz超音波トランスデューサの側面にファイバーエンドを取り付けます。
4. ポート A、B、および C の遅延を、ここに示す値に調整します(ポート A: 0.000000000、ポート B: 0.00021440、ポート C: 0.00000910)。ポート A と B を反転信号に設定し、ポート C を通常の信号に設定します。

2. 動物の調製と画像取得

1. 麻酔誘導室で3%のイソフルランを用いて^apoE-/-マウスを麻酔する。動物が麻酔されたら、マウスを鼻コーンに移動して、1〜2%のアイソフルランを送出します。
2. 角膜乾燥を防ぐために、動物の目に目の潤滑を適用します。マウスの足を加熱段階に組み込んだ電極にテープで貼り付け、動物の呼吸と心拍数を監視します。最後に、直腸プローブを挿入して体温を監視します。
3. 動物の腹部から毛を取り除くために脱毛クリームを適用します。ガーゼパッドで30s後に拭き取る。
4. 超音波トランスデューサを動物の腹部に置き、インフラレナル大成を見つけます。左腎静脈と尾動脈への大動脈三色は、ユーザーがこの領域を見つけるのに役立つ2つのランドマークです。
5. レーザーを実行して1100 nmの光を出力し、続いて1210 nmの光をターゲット脂質に出力します。レーザーを使用する場合は、適切なレーザー安全ゴーグルを使用してください。

ここで、VPAT法は、生体内で脂質および血液特異的イメージングを行うために使用された。レーザーと超音波システムを結合することにより、光を組織に送達し、得られた音響波を検出した。超音波イメージングにより、VPAT組成情報をより良く解釈するために使用できるインフラレナル大成(図1a)の構造情報を得ることができます。具体的には、1100nm光を使用して大動脈内の血液を画像化し(図1b)、1210nm光を用いて皮下および腹膜脂肪蓄積を画像化した(図1c)。超音波およびVPAT画像から、皮下脂肪が皮膚の幾何学的形状に従い、骨膜脂肪が大動脈の輪郭に従い、血液信号が大動脈内から発生することがわかります。これらの結果は、実際に、VPATが生体内の血液および脂質蓄積を画像化するために使用できることを確認する。

図1: 超音波(左)、血液VPAT(中央)、および脂質VPAT(右)のApoEの画像^-/-.皮下脂肪(白い矢印)、骨膜炎(オレンジ色の矢印)、血液(赤い矢印)がはっきりと見えます。

VPATは、生体内で血液および脂質蓄積を画像化するための迅速な、非侵襲的、ラベルフリーの方法です。パルスレーザー光を組織に送り出すことで、音響伝播は相対密度を得て生体成分を見つけ出す誘導を行った。超音波イメージングと組み合わせることで、組成、ならびに組織からの構造的および馬力的情報を解決することができる。この技術の現在の制限は、脂質ベースのイメージングのためにおよそ3ミリメートルであるその浸透深さです。これは現在の光学技術よりも優れていますが、光送達技術の改良は浸透の深さを改善します。これを改善する1つの方法は、反射光を組織にリダイレクトしながら、目的の領域への光送達を最大化する光音響トランスデューサを開発することです。VPATはまだ初期段階にあるイメージング技術ですが、近年大きな関心を寄けており、今後、より多くの研究室や診療所で使用される可能性が高い。

記載されたプロトコルは、前臨床および臨床空間の両方で多種多様な適用に使用することができる。3つの潜在的なVPATアプリケーションは、1)脂質ベースの疾患進行を研究する技術を利用すること、2)有望な治療薬を評価し、3)脂質ベースの疾患の診断を改善することを含む。構造的、ヘ動的、および組成情報を追跡する能力により、VPATは血管脂質が小動物モデルにどのように蓄積するかを研究する魅力的な技術になります(図1)。また、VPATは非侵襲的な方法であるため、縦方向の研究における治療薬の効果を評価するために適用することができる。これは特に治療の検証に必要な動物の数を減らすことによって研究のコストを下げる可能性があります。最後に、VPATが組成情報を提供する能力は、頸動脈および末梢動脈疾患のようなアテローム硬化性関連疾患に罹患している患者において、異なるタイプのプラークを画像化する魅力的な技術となる。心血管医学における現在の課題の一つは、どのプラークが破裂しやすいかを予測し、心筋梗塞や虚血性脳卒中を誘発する可能性を秘めていることです。したがって、VPATはまた、生物学的成分を区別する能力のために、脆弱なプラークと安定したプラークを特徴付ける上で重要な役割を果たし得る。一緒に考えて、VPATは医学の研究と臨床の両方に大きな影響を与える可能性を秘めています。

材料一覧