Tomografia fotoacústica para imageamento de sangue e lipídios na aorta infrarrenal

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

A tomografia fotoacústica (PAT) é uma modalidade emergente de imagem biomédica que utiliza ondas acústicas geradas pela luz para obter informações composicionais do tecido. O PAT pode ser usado para imagem de sangue e componentes lipídes, o que é útil para uma grande variedade de aplicações, incluindo imagens cardiovasculares e tumorais. Atualmente, as técnicas de imagem utilizadas têm limitações inerentes que restringem seu uso com pesquisadores e médicos. Por exemplo, longos tempos de aquisição, altos custos, uso de contraste prejudicial e mínima à alta invasividade são todos fatores que limitam o uso de diversas modalidades em laboratório e clínica. Atualmente, as únicas técnicas de imagem comparáveis ao PAT são técnicas ópticas emergentes. Mas estes também têm desvantagens, como a profundidade limitada de penetração e a necessidade de agentes de contraste exógenos. O PAT fornece informações significativas de forma rápida, não invasiva e sem rótulos. Quando associado ao ultrassom, o PAT pode ser usado para obter informações estruturais, hemodinâmicas e composicionais do tecido, complementando assim técnicas de imagem usadas atualmente. As vantagens do PAT ilustram suas capacidades de causar impacto tanto no ambiente pré-clínico quanto no clínico.

O PAT é uma modalidade híbrida que utiliza ondas acústicas induzidas por luz para obter informações composicionais do tecido. A propagação acústica é atribuída à expansão termoelástica. Isso ocorre quando ligações químicas específicas em um tecido absorvem a luz, e o aumento da temperatura ambiente faz com que o tecido se expanda. Para elaborar, ligações químicas específicas absorvem a luz, fazendo com que a molécula vibre e converta parte dessa energia vibracional em calor. Essa produção de calor causa a expansão do tecido local, o que induz propagações acústicas que podem ser detectadas por um transdutor de ultrassom. Para induzir o efeito fotoacústico, as condições de confinamento térmico e de estresse devem ser atendidas para minimizar a dissipação de calor e permitir que a pressão termoelasticamente induzida se acumule dentro do tecido. A onda de pressão fotoacústica resultante pode ser caracterizada pela equação (1), que afirma que a onda acústica induzida pela luz (P_o) é regida pelo parâmetro grueneisen dependente da temperatura (Γ), coeficiente de absorção (μ_a),e fluência óptica local (F).

P_o = Γμ_aF Equação 1

Como resultado, cada aumento de mK na temperatura produz caracteristicamente uma onda de pressão de 800 Pascal que pode ser detectada usando um transdutor de ultrassom. Esta absorção de luz seletiva de títulos permite que os usuários direcionem vários componentes biológicos, afinando o comprimento de onda da luz, como o uso de luz de 1100 nm para atingir o sangue e a luz de 1210 nm para atingir lipídios. Além disso, como a luz está sendo usada para induzir a propagação de ondas acústicas, essa técnica pode ser usada para imagens tipicamente mais profundas do que outras técnicas ópticas sem a necessidade de agentes de contraste ou procedimentos invasivos. Este método específico usando luz de comprimento de onda longa na segunda luz de janela quase infravermelha para induzir ondas acústicas fornece inúmeras vantagens ao usuário, permitindo que pat vibracional (ou VPAT) seja potencialmente usado para uma ampla gama de aplicações biomédicas.

O procedimento a seguir descreve os métodos necessários para configurar o VPAT para imagens de sangue e lipídios da aorta infrarenal em camundongos deficientes de apolipoprotein-E (apoE^-/-).

1. Acoplamento laser-ultrassom

1. Obtenha um laser oscilador óptico Nd:YAG pulsado e um sistema de ultrassom. Adquira um gerador de pulso, um cabo BNC e um conector D ligado a dois cabos BNC.
2. Usando a configuração do conector D, conecte o cabo BNC 'Fogo' à porta A do gerador de pulso e 'Q-switch' à porta B do gerador de pulso. Por fim, conecte um cabo BNC da porta C para 'acionar' na parte de trás do sistema de ultrassom.
3. Alinhe o cabo de fibra óptica com o laser e conecte as extremidades de fibra às laterais do transdutor de ultrassom de 40 MHz.
4. Ajuste o atraso das portas A, B e C aos valores listados aqui (Porta A: 0,00000000000000, Porta B: 0.00021440, Porta C: 0.00000910). Defina as portas A e B para o sinal invertido e a porta C ao sinal normal.

2. Preparação animal e Aquisição de Imagens

1. Anestesiar um apoE^-/- mouse usando 3% de isoflurano em uma câmara de indução de anestesia. Uma vez que o animal é anestesiado mova o rato para um cone de nariz para entregar 1-2% de isoflurane.
2. Aplique lubrificação ocular nos olhos dos animais para evitar a dessacação da córnea. Grave as patas do rato em eletrodos embutidos no estágio aquecido para monitorar a respiração e a frequência cardíaca do animal. Por fim, insira sonda retal para monitorar a temperatura corporal.
3. Aplique creme depilatório para remover o cabelo do abdômen do animal. Limpe depois dos 30 s com uma gaze.
4. Coloque o transdutor de ultrassom no abdômen do animal e localize a aorta infrarenal. A veia renal esquerda e a trifurcação aórtica na artéria traseira são dois marcos que ajudarão o usuário a localizar esta área.
5. Execute o laser para a saída de luz de 1100 nm para atingir o sangue seguido de luz de 1210 nm para atingir o lipídio. Use óculos de segurança a laser apropriados quando o laser estiver em uso.

Aqui, foram utilizados métodos VPAT para a realização de imagens lipídicas e sanguíneas específicas in vivo. Ao acoplar um sistema de laser e ultrassom, a luz foi entregue ao tecido e as ondas acústicas resultantes foram detectadas. A imagem de ultrassom permitiu-nos obter informações estruturais da aorta infrarenal (Figura 1a) que podem ser usadas para melhor interpretar informações composicionais VPAT. Especificamente, uma luz de 1100 nm foi usada para imagem de sangue dentro da aorta (Figura 1b), e uma luz de 1210 nm foi usada para imagem de acúmulo de gordura subcutânea e periaórtica(Figura 1c). A partir das imagens de ultrassom e VPAT, pode-se ver que a gordura subcutânea segue a geometria da pele, a gordura periaórtica segue o contorno da aorta, e o sinal sanguíneo se origina de dentro da aorta. Esses resultados confirmam que, de fato, o VPAT pode ser usado para imagem de sangue e acúmulo de lipídios in vivo.

Figura 1: Ultrassom (esquerda), VPAT de sangue (meio) e imagens lipídicas VPAT (direita) de ApoE^-/-. A gordura subcutânea (setas brancas), gordura periaórtica (setas laranjas) e sangue (setas vermelhas) é claramente visível.

VPAT é um método rápido, não invasivo e sem rótulos para imagem de sangue e acúmulo de lipídios in vivo. Ao fornecer luz laser pulsada ao tecido, as propagações acústicas foram induzidas a obter densidade relativa e localizar componentes biológicos. Quando acoplado com imagens de ultrassom, composicionais, bem como informações estruturais e hemodinâmicas do tecido, podem ser resolvidas. Uma limitação atual desta técnica é sua profundidade de penetração, que é de aproximadamente 3 mm para imagens baseadas em lipídios. Embora isso seja melhor do que as técnicas ópticas atuais, melhorias nas técnicas de entrega de luz melhorariam a profundidade de penetração. Uma maneira de melhorar isso é desenvolvendo um transdutor fotoacoustic que maximiza a entrega de luz para região de interesse, redirecionando a luz refletida de volta ao tecido. Embora o VPAT seja uma técnica de imagem que ainda está em sua infância, ela tem recebido muito interesse nos últimos anos, tornando provável que essa técnica seja usada em mais laboratórios e clínicas no futuro.

O protocolo descrito pode ser usado para uma grande variedade de aplicações tanto no espaço pré-clínico quanto no clínico. Três aplicações potenciais de VPAT incluem a utilização da técnica para 1) estudo de progressão da doença baseada em lipídios, 2) avaliar terapêuticas promissoras e 3) melhorar o diagnóstico de doenças à base de lipídios. A capacidade de rastreamento de informações estruturais, hemodinâmicas e composicionais torna a VPAT uma tecnologia atraente para estudar como o lipídio vascular se acumula em modelos de pequenos animais(Figura 1). Além disso, como o VPAT é um método não invasivo, pode ser aplicado para avaliar os efeitos da terapêutica em estudos longitudinais. Isso poderia especificamente reduzir o custo da pesquisa, diminuindo o número de animais necessários para a validação terapêutica. Finalmente, a capacidade do VPAT de fornecer informações composicionais torna-se uma técnica atraente para a imagem de diferentes tipos de placas em pacientes que sofrem de doenças ateroscleróticas como doença arterial carótida e periférica. Um dos desafios atuais na medicina cardiovascular é prever quais placas são propensas à ruptura e, portanto, têm potencial para induzir infarto do miocárdio e derrames isquêmicos. Portanto, o VPAT também pode desempenhar um papel importante na caracterização de placas vulneráveis versus estáveis, devido à sua capacidade de diferenciar componentes biológicos. Em conjunto, a VPAT tem potencial para causar um impacto significativo tanto na pesquisa quanto na prática clínica da medicina.

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