biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosis10.24931/2413-9432-2023-12-3-16-20bioph-604Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESФото и спектральный флуоресцентный анализ области травмы спинного мозга на животных моделяхPhoto and spectral fluorescence analysis of the spinal cord injury area in animal modelsУденеевА. М.UdeneevA. M.

Москва

Moscow

Andrey.udeneew@mail.ruКалягинаН. А.KalyaginaN. A.

Москва

Moscow

РепсВ. Ф.RepsV. F.

Пятигорск

Pyatigorsk

КозловаВ. В.KozlovaV. V.

Пятигорск

Pyatigorsk

ПигуноваЛ. А.PigunovaL. A.

Пятигорск

Pyatigorsk

ПоздняковД. И.PozdnyakovD. I.

Пятигорск

Pyatigorsk

СкобельцинА. С.SkobeltsinA. S.

Москва

Moscow

ЛощеновВ. Б.LoschenovV. B.

Москва

Moscow

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИРоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute MEPhI)Russian FederationНациональный исследовательский ядерный университет МИФИ; Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наукРоссияNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute MEPhI); Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationПятигорский Государственный Научно-Исследовательский Институт Курортологии филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральный научно-клинический центр медицинской реабилитации и курортологии Федерального медико-биологического агентства» (Пятигорского ГНИИК ФФГБУ ФНКЦ МРиК ФМБА России); Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный медицинский университет» МЗ РФРоссияPyatigorsk State Research Institute of Balneology the branch of the Federal State Budgetary Institution «Federal Scientific and Clinical Center for Medical Rehabilitation and Balneology of the Federal Medical and Biological Agency» (Pyatigorsk GNIIK FFGBU FNCC MRIK FMBA of Russia); Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – Branch of the Volgograd State Medical University of the Ministry of Health of the Russian FederationRussian FederationПятигорский Государственный Научно-Исследовательский Институт Курортологии филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральный научно-клинический центр медицинской реабилитации и курортологии Федерального медико-биологического агентства» (Пятигорского ГНИИК ФФГБУ ФНКЦ МРиК ФМБА России)РоссияPyatigorsk State Research Institute of Balneology the branch of the Federal State Budgetary Institution «Federal Scientific and Clinical Center for Medical Rehabilitation and Balneology of the Federal Medical and Biological Agency» (Pyatigorsk GNIIK FFGBU FNCC MRIK FMBA of Russia)Russian Federation2023231020231231520Copyright © Уденеев А.М., Калягина Н.А., Репс В.Ф., Козлова В.В., Пигунова Л.А., Поздняков Д.И., Скобельцин А.С., Лощенов В.Б., 20232023Уденеев А.М., Калягина Н.А., Репс В.Ф., Козлова В.В., Пигунова Л.А., Поздняков Д.И., Скобельцин А.С., Лощенов В.Б.Udeneev A.M., Kalyagina N.A., Reps V.F., Kozlova V.V., Pigunova L.A., Pozdnyakov D.I., Skobeltsin A.S., Loschenov V.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/604

Цель работы – проследить  динамику изменения флуоресцентных  сигналов  в приповерхностных слоях  тканей  травмированных участков спины лабораторных животных, что позволит, по косвенным признакам, оценить информативность флуоресцентной диагностики для последующего возможного диагностического мониторинга фотодинамической терапии спинного мозга. Модельными животными были крысы Вистар. Моделировалось два типа контузий: пневмоконтузия и контузия падающим грузом. Флуоресцентные измерения  проводились  фотографическим   и  спектрометрическим   методом с  препаратами  метиленовый  синий  и  индоцианин зеленый. Для фоторегистрации  флуоресцентного  ответа  использовался  стробоскопический флуоресцентный  имиджер с длиной волны возбуждения 630 нм. Спектральные  измерения проводились  с помощью спектрометра  ЛЕСА-01-БИОСПЕК, с возбуждением He-Ne  лазером  (632,8 нм). Показано,  что  оба  метода  позволяют  оценивать  величину  флуоресценции  метиленового  синего  и индоцианина зелёного в исследуемых тканях, а фотографический метод позволяет также получить пространственное распределение флуоресценции. Общая тенденция, обнаруженная в полученных данных – более интенсивная и равномерная флуоресценции дорсальной области крыс метиленовым синим, и менее интенсивное, но более контрастное распределение индоцианина зелёного. Представленные методы неинвазивны, что делает их привлекательными для диагностического использования. Однако из-за малой глубины приема сигнала состояние позвоночника можно определить лишь косвенно, по состоянию приповерхностных слоев тканей, накапливающих фотосенсибилизатор.

The purpose of the work is to follow the dynamics of changes in fluorescent signals in the near-surface layers of tissue of injured areas of the back of laboratory animals, which will allow, by indirect evidence, to evaluate the information content of fluorescence diagnosis for subsequent possible diagnostic monitoring of photodynamic therapy of the spinal cord. The model animals were Wistar rats. Two types of contusions were modeled: pneumo-contusion and contusion by a falling load. Methylene blue and indocyanine green were used as photosensitizers. Fluorescence measurements were carried out by imaging and spectrometric methods. A stroboscopic fluorescence imager with an excitation wavelength of 630 nm was used to acquire fluorescence images. The LESA-01-BIOSPEC  spectrometer with a He-Ne laser excitation allowed to obtain spectra. It was shown that both methods make it possible to estimate the fluorescence value of methylene blue and indocyanine green in the tissues under study. Moreover, the photographic method also allows to obtain the spatial distribution of fluorescence. The general trend found in the data is a more intense and uniform fluorescence of the dorsal region of rats with methylene blue and a less intense, but more contrasting distribution of indocyanine green. The presented methods are non-invasive, which makes them attractive for diagnostic use. However, due to the shallow depth of signal reception, the condition of the spine can be determined only indirectly, by the condition of the near-surface layers of tissue that accumulate the photosensitizer.

Флуоресцентная диагностикаспектральный анализметиленовый синийиндоцианин зелёныйобласть спинного мозгаспинальная травмаFluorescence diagnosisspectral analysismethylene blueindocyanine greenparavertebral areaspinal traumaThis work was carried out as part of a state assignment “Development of technology for immunotherapeutic treatment of spinal cord injuries” Registration number: 122041300077-1.ReferencesGBD 2016 Traumatic Brain Injury and Spinal Cord Injury Collaborators. Global, regional, and national burden of traumatic brain injury and spinal cord injury, 1990–2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016 // Lancet Neurol. – 2019. – Vol. 18. – P. 56–87. doi: 10.1016/S1474-4422(18)30415-0.GBD 2016 Traumatic Brain Injury and Spinal Cord Injury Collaborators. Global, regional, and national burden of traumatic brain injury and spinal cord injury, 1990–2016: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016, Lancet Neurol, 2019, vol. 18, pp. 56–87. doi: 10.1016/S1474-4422(18)30415-0.Nompumelelo Simelane N.W., Kruger C.A., Abrahamse H. Photodynamic diagnosis and photodynamic therapy of colorectal cancer in vitro and in vivo // RSC Adv. – 2020. – Vol. 10(68). – P. 41560-41576. doi: 10.1039/d0ra08617g.Nompumelelo Simelane N.W., Kruger C.A., Abrahamse H. Photodynamic diagnosis and photodynamic therapy of colorectal cancer in vitro and in vivo, RSCAdv, 2020, vol. 10(68), pp. 41560-41576. doi: 10.1039/d0ra08617g.Kwiatek S., Kawczyk-Krupka A., Mańka E., Cieślar G., Sieroń A., Stanek A. Can fluorescence and autofluorescence imaging be useful in diagnosis of basal cell cancer? Proposition of algorithms // Photodiagnosis Photodyn Ther. – 2020. – Vol. 30. – P. 101697. doi: 10.1016/j.pdpdt.2020.101697.Kwiatek S., Kawczyk-Krupka A., Mańka E., Cieślar G., Sieroń A., Stanek A. Can fluorescence and autofluorescence imaging be useful in diagnosis of basal cell cancer? Proposition of algorithms, Photodiagnosis Photodyn Ther, 2020, vol. 30, pp. 101697. doi: 10.1016/j.pdpdt.2020.101697.Howley R., Chandratre S., Chen B. 5-Aminolevulinic Acid as a Theranostic Agent for Tumor Fluorescence Imaging and Photodynamic Therapy // Bioengineering (Basel). – 2023. – Vol. 10(4). – P. 496. doi: 10.3390/bioengineering10040496.Howley R., Chandratre S., Chen B. 5-Aminolevulinic Acid as a Theranostic Agent for Tumor Fluorescence Imaging and Photodynamic Therapy, Bioengineering (Basel), 2023, vol. 10(4), pp. 496. doi:10.3390/bioengineering10040496.Loshchenov M., Levkin V., Kalyagina N. et al. Laser-induced fluorescence diagnosis of stomach tumor // Lasers Med Sci. – 2020. – Vol. 35. – P. 1721–1728. https://doi.org/10.1007/s10103-020-02963-x.Loshchenov M., Levkin V., Kalyagina N. et al. Laser-induced fluorescence diagnosis of stomach tumor, Lasers Med Sci, 2020, vol. 35, pp. 1721–1728. https://doi.org/10.1007/s10103-020-02963-x.Ohtani K., Usuda J., Ogawa E., Maehara S., Imai K., et al. Skin fluorescence following photodynamic therapy with NPe6 photosensitizer // Photodiagnosis Photodyn Ther. – 2017. – Vol. 20. – P. 210-214. doi: 10.1016/j.pdpdt.2017.10.001.Ohtani K., Usuda J., Ogawa E., Maehara S., Imai K., et al. Skin fluorescence following photodynamic therapy with NPe6 photosensitizer, Photodiagnosis Photodyn Ther, 2017, vol. 20, pp. 210-214. doi: 10.1016/j.pdpdt.2017.10.001.Kustov D.M., Yakovlev D.V., Moskalev A.S. et al., Intraoperative video-fluorescence navigation by PpIX and tissue saturation measurement during surgical resection of gastric malignant tumor // Materials of International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation. – 2022. – P. 1-1. doi: 10.1109/ICLO54117.2022.9840159.Kustov D.M., Yakovlev D.V., Moskalev A.S. et al., Intraoperative video-fluorescence navigation by PpIX and tissue saturation measurement during surgical resection of gastric malignant tumor, 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2022, pp. 1-1, doi: 10.1109/ICLO54117.2022.9840159.Зайцев А.М., Куржупов М.И., Кушель Ю.В., Филоненко Е.В., Иванова-Радкевич В.И. Интраоперационная флюоресцентная диагностика при удалении эпендимомы шейно-грудного отдела позвоночника // Фотодинамическая терапия и фотодиагностика. – 2014. – № 3(2). – С. 24-27.Zaytcev A.M., Kurzhupov M.I., Kushelj J.V., Filonenko E.V., Ivanova-Radkevich V.I. Intraoperative fluorescence diagnosis for removal of cervical and thoracic ependymoma, Photodynamic therapy and photodyagnosis, 2014, no 3(2), pp. 24-27 (In Russ.).Wainwright J.V., Endo T., Cooper J.B., Tominaga T., Schmidt M.H. The role of 5-aminolevulinic acid in spinal tumor surgery: a review // J Neurooncol. – 2019. – Vol. 141(3). – P. 575-584. doi: 10.1007/s11060-018-03080-0.Wainwright J.V., Endo T., Cooper J.B., Tominaga T., Schmidt M.H. The role of 5-aminolevulinic acid in spinal tumor surgery: a review, J Neurooncol, 2019, vol. 141(3), pp. 575-584. doi: 10.1007/s11060-018-03080-0.Krause Molle Z., Gierga K., Turowski B., Steiger H.J., Cornelius J.F., Rapp M., Sabel M., Kamp M.A.. 5-ALA-Induced Fluorescence in Leptomeningeal Dissemination of Spinal Malignant Glioma // World Neurosurg. – 2018. – Vol. 110. – P. 345-348. doi: 10.1016/j.wneu.2017.10.069.Krause Molle Z., Gierga K., Turowski B., Steiger H.J., Cornelius J.F., Rapp M., Sabel M., Kamp M.A.. 5-ALA-Induced Fluorescence in Leptomeningeal Dissemination of Spinal Malignant Glioma, World Neurosurg, 2018, vol. 110, pp. 345-348. doi:10.1016/j.wneu.2017.10.069.Mattogno P.P., Menna G., Pennisi G., Corbi L., Sturiale C.L., Polli F.M., Olivi A., Della Pepa G.M. Comparison of Effectiveness, Feasibility, Indications, and Limitations of Different Intraoperative Dyes in Spinal Neuro-Oncologic Surgery. A Systematic Review // World Neurosurg. – 2022. – Vol. 168 – – P. 146-153. doi: 10.1016/j.wneu.2022.09.117.Mattogno P.P., Menna G., Pennisi G., Corbi L., Sturiale C.L., Polli F.M., Olivi A., Della Pepa G.M. Comparison of Effectiveness, Feasibility, Indications, and Limitations of Different Intraoperative Dyes in Spinal Neuro-Oncologic Surgery. A Systematic Review, World Neurosurg, 2022, vol. 168, pp. 146-153. doi: 10.1016/j.wneu.2022.09.117.Cheng Y.T., Lett K.M., Schaffer C.B. Surgical preparations, labeling strategies, and optical techniques for cell-resolved, in vivo imaging in the mouse spinal cord // Exp Neurol. – 2019. – Vol. 318. – P. 192-204. doi: 10.1016/j.expneurol.2019.05.010.Cheng Y.T., Lett K.M., Schaffer C.B. Surgical preparations, labeling strategies, and optical techniques for cell-resolved, in vivo imaging in the mouse spinal cord, Exp Neurol, 2019, vol. 318, pp. 192-204. doi:10.1016/j.expneurol.2019.05.010.Bakhsheshian J., Strickland B.A., Mack W.J., Zlokovic B.V. Investigating the blood-spinal cord barrier in preclinical models: a systematic review of in vivo imaging techniques // Spinal Cord. – 2021. – Vol. 59(6). – P. 596-612. doi: 10.1038/s41393-021-00623-7.Bakhsheshian J., Strickland B.A., Mack W.J., Zlokovic B.V. Investigating the blood-spinal cord barrier in preclinical models: a systematic review of in vivo imaging techniques, Spinal Cord, 2021, vol. 59(6), pp. 596-612. doi:10.1038/s41393-021-00623-7.Goyal D., Kumar H. In Vivo and 3D Imaging Technique(s) for Spatiotemporal Mapping of Pathological Events in Experimental Model(s) of Spinal Cord Injury // ACS Chem Neurosci. – 2023. – Vol. 14(5). – P. 809-819. doi: 10.1021/acschemneuro.2c00643.Goyal D., Kumar H. In Vivo and 3D Imaging Technique(s) for Spatiotemporal Mapping of Pathological Events in Experimental Model(s) of Spinal Cord Injury, ACS Chem Neurosci, 2023, vol. 14(5), pp. 809-819. doi: 10.1021/acschemneuro.2c00643.Chin P.T., Welling M.M., Meskers S.C., Valdes Olmos R.A., Tanke H., van Leeuwen F.W. Optical imaging as an expansion of nuclear medicine: Cerenkov-based luminescence vs fluorescence-based luminescence // Eur J Nucl Med Mol Imaging. – 2013. – Vol. 40(8). – P. 1283-91. doi: 10.1007/s00259-013-2408-9.Chin P.T., Welling M.M., Meskers S.C., Valdes Olmos R.A., Tanke H., van Leeuwen F.W. Optical imaging as an expansion of nuclear medicine: Cerenkov-based luminescence vs fluorescence-based luminescence, Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2013, vol. 40(8), pp. 1283-91. doi: 10.1007/s00259-013-2408-9.Wagnieres G.A., Star W.M., Wilson B.C., In vivo fluorescence spectroscopy and imaging for oncological applications // Photochem. Photobiol. – 1998. – Vol. 68. – P. 603–632.Wagnieres G.A., Star W.M., Wilson B.C., In vivo fluorescence spectroscopy and imaging for oncological applications, Photochem. Photobiol, 1998, vol. 68, pp. 603–632.Udeneev A., Kulichenko A., Kalyagina N., Shiryaev A., Pisareva T., Plotnikova A., Linkov K., Zavodnov S., Loshchenov M. Comparison of chlorin-e6 detection efficiency by video systems with excitation wavelengths of 405 nm and 635 nm // Photodiagnosis Photodyn Ther. – 2023. – Vol. 43. – P. 103729. doi: 10.1016/j.pdpdt.2023.103729.Udeneev A., Kulichenko A., Kalyagina N., Shiryaev A., Pisareva T., Plotnikova A., Linkov K., Zavodnov S., Loshchenov M. Comparison of chlorin-e6 detection efficiency by video systems with excitation wavelengths of 405 nm and 635 nm, Photodiagnosis Photodyn Ther, 2023, vol. 43, pp. 103729. doi: 10.1016/j.pdpdt.2023.103729.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.