Gebruik van een Multi-compartiment Dynamic enkel enzym Phantom voor Studies van gehyperpolariseerd Magnetic Resonance Agents
Summary
A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.
Abstract
Imaging gehyperpolariseerd substraten door magnetische resonantie toont grote klinische belofte voor evaluatie van kritische biochemische processen in real time. Vanwege fundamentele beperkingen die door het gehyperpolariseerde toestand worden exotische imaging en reconstructietechnieken algemeen gebruikt. Een praktisch systeem voor de karakterisering van dynamische, multispectrale beeldvorming kritisch nodig. Een dergelijk systeem moet reproduceerbaar recapituleren de relevante chemische dynamiek van normale en pathologische weefsels. De meest gebruikte substraat-to-date is gehyperpolariseerd [1- 13 C] -pyruvate voor de beoordeling van kanker metabolisme. We beschrijven een enzym gebaseerde fantoom systeem dat de omzetting van pyruvaat tot lactaat medieert. De reactie wordt geïnitieerd door injectie van het gehyperpolariseerde middel in meerdere kamers in de fantoom, die elk verschillende concentraties van reagentia die de reactiesnelheid te regelen. Meerdere compartimenten zijn nodig om ervoor te zorgen dat imaGing sequenties getrouw vangen ruimtelijke en metabole heterogeniteit weefsel. Dit systeem zal de ontwikkeling en validatie van geavanceerde imaging strategieën te helpen door het verstrekken van chemische dynamiek die niet beschikbaar zijn van conventionele fantomen zijn, alsmede de controle en de reproduceerbaarheid dat in vivo is niet mogelijk.
Introduction
Het klinische effect gehyperpolariseerd magnetic resonance imaging (MRI) van 13C-gelabelde verbindingen kritisch afhankelijk van het vermogen om chemische conversie met real time magnetische resonantie spectroscopie en spectroscopische beeldvorming 1-5 meten. Tijdens sequentie ontwikkeling en verificaties, wordt dynamische chemische omzetting algemeen bereikt door in vivo of in vitro modellen 6-9 die beperkte controle en reproduceerbaarheid. Voor robuuste testen en kwaliteitsborging, zou een meer gecontroleerde systeem dat de chemische omzetting endemisch voor deze meting behoudt de voorkeur. Schetsen we een werkwijze om deze omzetting op een reproduceerbare wijze met een dynamische interne enzym phantom bereiken.
De meeste studies met gehyperpolariseerde 13 C agentia gericht op beeldvorming gehyperpolariseerde substraten in een werkende biologische omgeving. Dit is voor de hand liggende keuze als het doel is om biologische studieal verwerkt of te bepalen potentiële impact op de klinische zorg. Echter, als karakterisering van een aantal meetsysteem of data processing algoritme is gewenst, biologische modellen hebben een groot aantal nadelen zoals inherent ruimtelijke en temporele variabiliteit 10. Echter, conventionele statische fantomen niet de chemische omzetting van het primaire klinische belangstelling voor MRI gehyperpolariseerd substraten drives, en kan niet worden gebruikt om detectie van conversie of andere dynamische parameters 11 te karakteriseren. Met behulp van een enkel enzym systeem dat we kunnen bieden controleerbaar en reproduceerbaar chemische omzetting, waardoor streng onderzoek van de dynamische beeldvorming strategieën.
Dit systeem is gericht op onderzoekers die de ontwikkeling van imaging strategieën voor gehyperpolariseerd substraten en wens om de prestaties te karakteriseren voor de vergelijking tegen alternatieve benaderingen. Als statische metingen de gewenste eindpunt dan statisch 13-C gelabeld metaboliet fantomen will volstaan 11. Aan de andere kant als meer complexe biologische karakterisering is kritisch voor de werkwijze (levering, celdichtheid, etc.) dan zullen de hoeveelheid biologische modellen nodig 12-14. Dit systeem is ideaal voor de bepaling van imaging strategieën die gericht zijn op een kwantitatieve maat schijnbare chemische conversie verschaffen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Real-time beeldvorming van gehyperpolariseerde metabolieten heeft vele unieke uitdagingen voor de reeks, de validatie en kwaliteitscontrole. De mogelijkheid om spatiotemporele en spectrale heterogeniteit op te lossen biedt aanzienlijke klinische potentieel, maar verzet zich tegen QA en validatie methoden in verband met conventionele MRI. Complex imaging sequenties of reconstructie algoritmen kunnen subtiele afhankelijkheden die maken ze moeilijk te karakteriseren of te valideren buiten de beeldvorming experiment hebben….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door CPRIT subsidie (RP140021-P5) en een Julia Jones Matthews Cancer Research Scholar CPRIT onderzoek training award (RP140106, CMW).
Materials
| BioSpect 7T | Bruker | BioSpec 70/30 USR | 7 Tesla Pre-Clinical MRI Scanner |
| HyperSense | Oxford Instruments | Hypersense DNP Polarizer | Dynamic Nuclear Polarizer for MRI agents |
| 1-13C-Pyrvic Acid | Sigma Aldrich | 677175 | Carbon 13 labled neat pyruvic acid |
| Trityl Radical | GE Healthcare | OX063 | Free radical used in Dynamic Nuclear Polarization |
| NaOH | Sigma Aldrich | S8045 | |
| EDTA | Sigma Aldrich | E6758 | Ethylenediaminetetraacetic acid |
| LDH | Worthingthon | LS002755 | Lactate Dehydrogenase from rabbit muscle |
| NADH | Sigma Aldrich | N4505 | β-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced dipotassium salt |
| Trizma | Sigma Aldrich | T7943 | Trizma® Pre-set crystals |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653 |
References
- Merritt, M. E., et al. Hyperpolarized 13C allows a direct measure of flux through a single enzyme-catalyzed step by NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104. 104, 19773-19777 (2007).
- Rodrigues, T. B., et al. Magnetic resonance imaging of tumor glycolysis using hyperpolarized 13C-labeled glucose. Nature medicine. 20, 93-97 (2014).
- Day, S. E., et al. Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nature medicine. 13, 1382-1387 (2007).
- Keshari, K. R., et al. Hyperpolarized 13C dehydroascorbate as an endogenous redox sensor for in vivo metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, 18606-18611 (2011).
- Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453, 940-943 (2008).
- Larson, P. E., et al. Investigation of tumor hyperpolarized [1-13C]-pyruvate dynamics using time-resolved multiband RF excitation echo-planar MRSI. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 63, 582-591 (2010).
- Cunningham, C. H., Dominguez Viqueira, W., Hurd, R. E., Chen, A. P. Frequency correction method for improved spatial correlation of hyperpolarized 13C metabolites and anatomy. NMR in biomedicine. 27, 212-218 (2014).
- Larson, P. E., et al. Fast dynamic 3D MR spectroscopic imaging with compressed sensing and multiband excitation pulses for hyperpolarized 13C studies. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 65, 610-619 (2011).
- Mayer, D., et al. Application of subsecond spiral chemical shift imaging to real-time multislice metabolic imaging of the rat in vivo after injection of hyperpolarized 13C1-pyruvate. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 62, 557-564 (2009).
- Walker, C. M., et al. A Catalyzing Phantom for Reproducible Dynamic Conversion of Hyperpolarized [1-C-13]-Pyruvate. PloS one. 8, e71274 (2013).
- Levin, Y. S., Mayer, D., Yen, Y. F., Hurd, R. E., Spielman, D. M. Optimization of fast spiral chemical shift imaging using least squares reconstruction: application for hyperpolarized (13)C metabolic imaging. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 58, 245-252 (2007).
- von Morze, C., et al. Simultaneous multiagent hyperpolarized (13)C perfusion imaging. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 72, 1599-1609 (2014).
- Sogaard, L. V., Schilling, F., Janich, M. A., Menzel, M. I., Ardenkjaer-Larsen, J. H. In vivo measurement of apparent diffusion coefficients of hyperpolarized (1)(3)C-labeled metabolites. NMR in biomedicine. 27, 561-569 (2014).
- Patrick, P. S., et al. Detection of transgene expression using hyperpolarized 13C urea and diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 73, 1401-1406 (2015).
