Розглядається можливість поліпшення візуалізації внутрішньої структури печінки на оптичних когерентних томограммах шляхом підвищення їх контрастності за допомогою введення наночастинок діоксиду титану в різних суспензіях і при різних методах доставки частинок в біотканини. отримано значення контрасту внутрішніх структур печінки in vitro

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Геніна Е. А., Кіндер С. А., Башкатов А. Н., Тучин В. В.


Contrasting in Optical Coherence Tomography Imaging of Liver by Nanoparticles

Possibility of improvement of inner liver structure visualization in optical coherent tomograms by increasing their contrast due to administration of titanium dioxide nanoparticles in various suspensions and at various methods of delivering of the particles into the tissue is considered. Values ​​of contrast of inner liver structures in vitro are obtained


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2011


    Журнал: Известия Саратовського університету. Нова серія. серія Фізика


    Наукова стаття на тему 'Контрастування зображень в оптичної когерентної томографії печінки за допомогою наночастинок'

    Текст наукової роботи на тему «Контрастування зображень в оптичної когерентної томографії печінки за допомогою наночастинок»

    ?УДК 535: 53.06

    Контрастуванням ЗОБРАЖЕНЬ В ОПТИЧНОЇ КОГЕРЕНТНОЇ ТОМОГРАФІЇ ПЕЧІНКИ ЗА ДОПОМОГОЮ НАНОЧАСТИНОК

    Е. А. Геніна, С. А. Кіндер, А. Н. Башкатов, В. В. Тучин

    Саратовський державний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглядається можливість поліпшення візуалізації внутрішньої структури печінки на оптичних когерентних томограммах шляхом підвищення їх контрастності за допомогою введення наночастинок діоксиду титану в різних суспензіях і при різних методах доставки частинок в біотканини. Отримано значення контрасту внутрішніх структур печінки in vitro.

    Ключові слова: оптична когерентна томографія, наночастинки, контраст, печінку.

    Contrasting in Optical Coherence Tomography Imaging of Liver by Nanoparticles

    E. A. Genina, S. A. Kinder, A. N. Bashkatov, V. V. Tuchin

    Possibility of improvement of inner liver structure visualization in optical coherent tomograms by increasing their contrast due to administration of titanium dioxide nanoparticles in various suspensions and at various methods of delivering of the particles into the tissue is considered. Values ​​of contrast of inner liver structures in vitro are obtained.

    Key words: optical coherent tomography, nanoparticles, contrast, liver.

    Вступ

    За останній час в ході досліджень було доведено ефективне застосування оптичної когерентної томографії (ОКТ) в таких напрямках клінічної практики, як гінекологія, гастроентерологія, урологія, дерматологія, офтальмологія, отоларингологія, стоматологія тощо [1-3]. ОКТ є неінвазивний метод візуалізації внутрішньої структури оптично неоднорідних об'єктів, заснований на принципах нізкокогерентной интерферометрии, що використовує світло ближнього інфрачервоного (ІК) діапазону (0.75-1.3 мкм) [1,2]. ОКТ дозволяє вивчати внутрішню мікроструктуру покривних тканин організму: шкіри і слизових оболонок на глибину до 2 мм з просторовим дозволом 10-15 мкм без порушення цілісності биотканей [1-5]. У той же час в результаті оптичної неоднорідності біологічних тканин відбувається багатократне розсіяння зондуючого випромінювання, що в значній мірі обмежує глибину зондування і контрастування окремих структур [6, 7]. В даний час для вирішення цієї проблеми ши-

    роко використовуються такі прийоми, як компресія м'яких тканин [5, 8] і оптичне просвітлення. При оптичному просвітління в біотканини вводяться речовини, які знижують светорассеяніє в біотканинах в результаті узгодження показників заломлення структурних елементів тканин і навколишнього їхнього середовища. До таких речовин відносяться деякі імерсійним рідини: гліцерин, пропіленгліколь, концентровані розчини глюкози, завдяки яким досягається оптичне просвітлення биотканей [5,9-13].

    Крім іммерсійних рідин для зміни оптичних властивостей біологічних тканин останнім часом стали застосовуватися нанорозмірів-ні частки, наприклад: золоті наноскорини, наностержні, нанокубікі, а також наночастинки срібла, діоксиду титану та інші [14-19].

    Використання контрастують наночастинок призводить до посилення ОКТ-сигналу від внутрішніх неоднорідностей біологічних тканин за рахунок розсіювання зондуючого випромінювання назад [14-16].

    У даній роботі були розглянуті контрастують властивості наночастинок діоксиду титану в різних суспензіях і при різних методах доставки частинок в тканину печінки.

    1. Методи і матеріали

    У роботі використовувався нанопорошок ТЮ2 (634662-100G, $ 1§ша-АМпсЬ Со., США), що складається з суміші рутильной і анатазной форм діоксиду титану з розміром наночастинок <100 нм. Для поліпшення проникнення частинок в тканину печінки використовувалися суспензії наночастинок в фізіологічному розчині (водний 0.9 мг / мл розчин №С1) і поліетиленгліколь з молекулярною вагою 300 (ПЕГ-300) (202371-250G, Sigma-A1drich Со., США). Концентрація наночасток в суспензії становила 0.5 г / мл.

    Для посилення проникності тканин печінки застосовувалося ультразвукове (УЗ) вплив. Як джерело ультразвуку використовувався УЗ випромінювач Dinatron 125 фта1топ ^, США).

    © Геніна Е. А., Кіндер С. А., Башкатов А. Н., Тучин В. В., 2011

    Частота УЗ - 1 МГц, щільність потужності -1.5 Вт / см2 в безперервному режимі. Час опромінення становила 5 і 10 хв.

    Зразки биоткани розміром 3x3x1 см3 вирізалися з інтактною яловичої печінки. Верхня щільна оболонка була вилучена. Зразки поміщалися в чашки Петрі і змочувалися фізіологічним розчином для запобігання висихання в процесі дослідження. Зразки поділялися на чотири серії по чотири зразки в кожній: 1) інтактні зразки; 2) зразки, на поверхню яких тонким шаром наносилася суспензія ТІ02 в фізіологічному розчині і проводилася обробка УЗ послідовно протягом 5 хв, а потім, після видалення суспензії, ще 5 хв;

    3) зразки, на поверхню яких тонким шаром наносилася суспензія ТіО2 в ПЕГ-300 на 30 хв;

    4) зразки, на поверхню яких тонким шаром наносилася суспензія ТіО2 в ПЕГ-300 і проводилася обробка УЗ аналогічно серії 2.

    Контроль за транспортом наночастинок в тканини печінки здійснювався за допомогою оптичного когерентного томографа Thorlabs Spectral Radar OCT (OCP93O, Thorlabs, США) на довжині хвилі 930 нм. ОКТ сканування проводилось до обробки, після 5-хвилинного і після 10-хвилинного опромінення УЗ зразків з 2-5 серій.

    Контраст зображення неоднорідностей на малюнку оцінювався за формулою

    Ri + R2

    (1)

    де Я і ^ 2 - відповідно амплітуди ОКТ сигналу на А-скане в області неоднорідності на її верхній і нижній межах (рис. 1).

    z, мкм

    2. Результати та їх обговорення

    У серії рис. 2-5 представлені результати ОКТ сканування зразка интактной печінки (рис. 2), зразків, оброблених суспензиями ТіО2 в фізіологічному розчині (рис. 3) і ПЕГ-300 (рис. 4, 5) На малюнках вертикальна і горизонтальна риси відповідають 500 мкм.

    Мал. 2. ОКТ зображення зразка интактной печінки (зразок з серії 1)

    Структура тканини печінки на ОКТ зображенні (рис. 2) досить однорідна. Нерозрізненість внутрішньої структури зразка на зображенні пов'язана з тим, що показники заломлення тканини печінки (1.39 [20]) і стінок судин, які пронизують печінку (1.36-1.38 [20]) в діапазоні довжин хвиль, на якому відбувається сканування, досить близькі. Глибина зондування биоткани становить близько 300-400 мкм. У верхній частині зображення спостерігається невелике підвищення інтенсивності сигналу, відповідне, очевидно, ущільнення тканини. Однак контрастність цієї неоднорідності на зображенні интактной тканини невелика. Результат оцінки контрасту, розрахованого за формулою (1), представлений в таблиці.

    Контраст зображення неоднорідностей на А-сканах ОКТ зображень печінки і глибина зондування при використанні в якості контрастує речовини наночастинок діоксиду титану

    № серії Контраст зображення Глибина зондування, мкм

    1 0.11 + 0.01 350 ± 50

    2 а 0.18 + 0.01 600 ± 50

    б 0.17 + 0.03 600 ± 50

    3 0.15 + 0.02 500 ± 50

    4 а 0.17 + 0.01 700 ± 50

    б 0.18 + 0.02 800 ± 50

    Мал. 1. А-скан ОКТ зображення биоткани. Я і Я - амплітуди ОКТ сигналу на кордонах неоднорідності

    Примітка. Вплив УЗ: а - 5-хвилинне; б - 10-хвилинне.

    фізика

    ll

    а б

    Мал. 3. ОКТ зображення зразків печінки після 5-хвилинного (а) і 10 хвилинного (б) впливу УЗ на поверхню биоткани, покриту суспензією наночастинок ТЮ2 в фізіологічному

    розчині (зразки з серії 2)

    На рис. 3 добре видно, що наночастинки Т1О2 проникли в тканину печінки, про що свідчить збільшення сигналу від глибших шарів биоткани. Показник заломлення ТЮ2 становить в середньому 2.7 [21]. Таким чином, світло відбивається від кордону розділу біотканини-частинка, що дає можливість спостерігати їх зображення чіткіше. На рис. 3, а добре видно неоднорідності всередині тканини печінки. За рахунок впливу УЗ спостерігається проникнення наночастинки ТЮ2 в кровоносні судини і рух їх по судинах в глиб биоткани. Глибина зондування в цьому випадку досягає ~ 600 мкм. Значно підвищується контраст зображення (див. Таблицю).

    У порівнянні з зображеннями зразків печінки на рис. 3, а, на рис. 3, б спостерігається більш рівномірний розподіл наночастинок в биоткани. Це пов'язано з додатковим впливом УЗ. Глибина зондування при цьому не збільшується, контраст також залишається приблизно на тому ж рівні (див. Таблицю).

    Використання ПЕГ-300 в якості основи суспензії дозволяє підвищити глибину зондування биоткани в порівнянні з інтактним станом. У разі, коли суспензія використовувалася без додаткової обробки УЗ, глибина зондування склала ~ 500 мкм (рис. 4, таблиця). При 10-хвилинному впливі УЗ вона досягла 800 мкм (рис. 5, таблиця). Збільшення глибини зондування пов'язано з просвітлює дією ПЕГ-300, оскільки він є іммерсійним агентом з показником заломлення п = 1.41. Проникаючи у внутритканевое простір печінки і змішуючись з внутритканевой рідиною (п = 1.35 [20]) і кров'ю (п = 1.4 [20]), він покращує показники різних компонентів

    Мал. 4. ОКТ зображення зразка печінки після її взаємодії з суспензією наночастинок ТЮ2 в ПЕГ-300 протягом 30 хв (зразок з серії 3)

    биоткани, що призводить до зниження розсіювання поверхневих шарів биоткани і підвищує рівень сигналу, відбитого від глибших шарів. Таким чином, використання ПЕГ-300 сприяє оптичному просвітління биоткани, що поряд з використанням УЗ дозволяє більш точно локалізувати структурні неоднорідності всередині зразків печінки (див. Рис. 5, а, б).

    Виходячи з аналізу отриманих результатів, можна стверджувати, що введення наночастинок діоксиду титану в тканину печінки дозволяє істотно збільшити контраст зображення неоднорідностей всередині биоткани і глибину детектування їх локалізації. Невеликі коливання значень контрасту, мабуть, пов'язані з відмінностями в структурі неоднорідностей, обраних для аналізу. Однак на представлених малюнках добре видно, що контраст зображень об'єктів, що знаходяться на більшій глибині, збільшується при ис-

    12

    науковий відділ

    а б

    Мал. 5. ОСТ зображення зразків печінки після 5- (а) і 10-хвилинного (б) впливу УЗ на поверхню биоткани, покриту суспензією наночастинок ТЮ2 в ПЕГ-300 (зразки з

    серії 4)

    користуванні ПЕГ-300 в якості носія наночастинок в порівнянні з фізіологічним розчином. У той же час комбіноване вплив УЗ і ПЕГ-300 на транспорт наночастинок ТЮ2 призводить до збільшення глибини зондування тканини печінки і ще більшого збільшення контрасту зображення неоднорідностей всередині биоткани.

    висновок

    У даній роботі було проведено порівняння контрастують властивостей різних суспензій наночастинок Т1О2, а також способів їх доставки всередину тканин печінки. При використанні суспензій наночастинок діоксиду титану контрастність зображень збільшується в 1.6 ± 0.06 раз. При цьому глибини зондування биоткани істотно розрізняються в залежності від основи суспензії (фізіологічний розчин або ПЕГ-300). При використанні в якості основи суспензії фізіологічного розчину глибина, на якій досить чітко спостерігаються структурні неоднорідності, становить ~ 600 мкм, в той час як при використанні ПЕГ-300 вона досягає ~ 800 мкм, що істотно при зондуванні біологічних об'єктів.

    Результати даного дослідження можуть бути використані при розробці нових і оптимізації існуючих методів діагностики і терапії новоутворень в печінці з використанням наночастинок.

    Дослідження проведено за фінансової підтримки Федеральної цільової програми «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії» на 2009-2013 роки (держ. Контракти № 02.740.11.0484, 02.740.11.0879), Сьомий ра-

    мочно програми Комісії Європейського Союзу PHOTONICS4LIFE (грант № 224014 Network of

    Excellence for Biophotonics).

    Список літератури

    1. Optical Coherence Tomography: Technology and Applications / eds. W. Drexler, J. G. Fujimoto. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. 1330 p.

    2. Fercher A. F., Drexler W., Hitzenberger C. K., Lasser T. Optical coherence tomography - principles and applications // Rep. Prog. Phys. 2003. Vol. 66. P. 239-303.

    3. Sergeev A. М., DolinL. S., ReitzeD. N. Optical tomography of biotissues past, present, and future // Optics & Photonics News. 2001. Vol. 12. P. 28-35.

    4. Wang R. K., Tuchin V V Optical coherence tomography - light scattering and imaging enhancement // Coherent-Domain Optical Methods: Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science. 2 vols. / Ed. V. V. Tuchin. Vol. 2. Boston: Kluwer Academic Publishers, 2004. P. 3-60.

    5. Керівництво по оптичної когерентної томографії / під ред. Н. Д. Гладковою, Н. М. Шаховий, А. М. Сергєєва. М.: Фізматліт, Медкнига, 2007. 296 c.

    6. Fedosseeva М. S., Kirillin М. Yu., Priezzhev A. V., MyllylaR. Estimation of contribution of multiple scattering into the optical coherence tomography signal from layers of different biological tissues // Proc. SPIE. 2005. Vol. 5771. P. 283-290.

    7. Schmitt J. M. Optical coherence tomography: a review // IEEE J. Select Topics Quant. Electron. 1999. Vol. 5. P. 1205-1215.

    8. Агрба П. Д., Кириллин М. Ю., Абелевіч А. І., Загайний-ва Е. В., Каменський В. А. Компресія як метод підвищення інформативності оптичної когерентної томографії биотканей // Опт. і спектр. 2009. Т. 107, № 6. С. 901-906.

    9. Tuchin V V., XuX., WangR. K. Dynamic optical coherence tomography in studies of optical clearing, sedimentation,

    фізика

    13

    and aggregation of immersed blood // Appl. Opt. 2002. Vol. 41, № 1. P. 258-271.

    10. Wang R. K., Elder J. B. Propylene glycol as a contrasting agent for optical coherence tomography to image gastrointestinal tissues // Lasers Surg. Med. 2002. Vol. 30. P. 201-208.

    11. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Tissue optical immersion clearing // Expert Rev. Med. Devices. 2010. Vol. 7, № 6. P. 825-842.

    12. Ghosn M. G., Carbajal E. F., Befrui N. A., Tellez A., Granada J. F., Larin K. V Permeability of hyperosmotic agent in normal and atherosclerotic vascular tissues // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13, № 1. P. 010 505.

    13. Ghosn M. G., Sudheendran N., Wendt M., Glasser A., ​​Tuchin V. V., Larin K. V Monitoring of glucose permeability in monkey skin in vivo using optical coherence tomography // J. Biophotonics. 2010. Vol. 3, № 1-2. P. 25-33.

    14. Kirillin M., Shirmanova M., Sirotkina M., Bugrova M., Khlebtsov B., Zagaynova E. Contrasting properties of gold nanoshells and titanium dioxide nanoparticles for optical coherence tomography imaging of skin: Monte Carlo simulations and in vivo study / / J. Biomed. Opt. 2009. Vol. 14, № 2. P. 021 017.

    15. ZagaynovaE. V., ShirmanovaM. V., KirillinM. Yu., Khlebtsov B. N., Orlova A. G., Balalaeva I. V., Sirotkina M. A., Bugrova M. L., Agrba P D., Kamensky V. A. Contrasting properties of gold nanoparticles for optical coherence

    tomography: phantom, in vivo studies and Monte Carlo simulation // Phys. Med. Biol. 2008. Vol. 53. P. 4995-5009.

    16. Kim CS, Wilder-SmithP, Ahn Y.-C., LiawL.-H., ChenZ., Kwon Y J. Enhanced detection of early-stage oral cancer in vivo by optical coherence tomography using multimodal delivery of gold nanoparticles / / J. Biomed. Opt. 2009. Vol. 14, № 3. Р 034008.

    17. Геніна Е. А., Долотов Л. Є., Терентюк Г. С., Башкатов А. Н., Маслякова Г. Н., Тучин В. В., Ярославський І. В., Альтшулер Г. Б. Фракційна лазерна мікроабляція шкіри для посилення її проникності для наночастинок // Квант. електроніка. 2011. Т. 41, № 5. С. 396-401.

    18. BillaudP, Huntzinger J.-R., CottancinE., Lerme J., Pella-rin M., ArnaudL., Broyer M., DelFatti N., Valee F. Optical extinction spectroscopy of single silver nanoparticles // Eur. Phys. J. D. 2007. Vol. 43. P. 271-274.

    19. Попов А. П., приїжджаючи А. В., Ладеман Ю., Мюллой-ля Р. Вплив багаторазового розсіювання світла на наночастицах діоксиду титану, імплантованих в при-поверхових шар шкіри, на пропускання випромінювання в різних діапазонах довжин хвиль // Квант. електроніка. 2007. Т. 37, № 1. С. 17-21.

    20. Тучин В. В. Лазери і волоконна оптика в біомедичних дослідженнях. М .: Физматлит, 2010. 488 с.

    21. URL: Refractive index database: http: //refractiveindex.inf o /? Group = CRYSTALS&material = TiO2 (дата звернення: 28.11.2011).

    УДК 535.4

    ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ МІКРОЦИРКУЛЯЦІЇ КРОВІ В ОБЛАСТІ НІГТЬОВОГО ЛОЖА З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ ЛАЗЕРНОЇ СПЕКЛ-візуалізації

    Д. Н. Агафонов, П. А. Тимошина, М. А. Віленський,

    І. В. Федосов, В. В. Тучин

    Саратовський державний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто можливість застосування методу аналізу просторового контрасту лазерних спеклів для дослідження параметрів мікроциркуляції в нігтьовому ложі, а також їх динаміки з використанням градуювальних даних, отриманих у вимірах на фантомі биоткани. З цією метою проведено дослідження оптимальних умов формування і реєстрації спекл-зображень і створено програмне забезпечення, що реалізує адаптивний алгоритм. Дані мікроскопічних досліджень капілярів нігтьового ложа були використані для контролю результатів спекл-візуал-зації.

    Ключові слова: контраст лазерних спеклів, LASCA, капіляроскопія, фантом.

    The Study of Nail Bed Microcirculation by Laser Speckle-Imaging Technique

    D. N. Agafonov, P. A. Timoshina, M. A. Vilensky,

    I. V. Fedosov, V. V. Tuchin

    The applicability of laser speckle contrast analysis technique for study of nail bed microcirculation parameters was investigated. Parameters and their dynamics were considered using calibration data obtained with biotissue phantom. Optimal conditions of formation and registration of speckle images were discussed and program for adaptive operation and processing was presented. The data of microscopic observations of nail bed capillary network was used to verify the results of speckle visualization. Key words: laser speckle contrast, LASCA, capillaroscopy, phantom.

    © Агафонов Д. Н., Тимошина П. А., Віленський М. А., Федосов І. В., Тучин В. В., 2011


    Ключові слова: Оптичної когерентної ТОМОГРАФІЯ /НАНОЧАСТИНКИ /КОНТРАСТ /Печінку /OPTICAL COHERENT TOMOGRAPHY /NANOPARTICLES /CONTRAST /LIVER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити