שימוש פנטום אנזים יחיד דינמי רב-תא ללימודים של סוכני תהודה מגנטית Hyperpolarized
Summary
A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.
Abstract
הדמיה של מצעים hyperpolarized ידי תהודה מגנטית נראה מבטיח קליני גדול להערכת תהליכים ביוכימיים קריטיים בזמן אמת. עקב אילוצי יסוד שקבעו מדינת hyperpolarized, טכניקות הדמיה ושחזור אקזוטיות נמצאות בשימוש נפוץ. מערכת מעשית לאפיון של שיטות הדמיה דינמית, רב-ספקטרלי נדרש אנושות. מערכת כזו חייבת reproducibly לשחזר את הדינמיקה הכימית הרלוונטית של רקמות נורמליות ופתולוגיים. מצע השימוש הנרחב ביותר עד כה הוא hyperpolarized [1- 13 C] -pyruvate להערכת מטבוליזם הסרטן. אנו מתארים מערכת פנטום אנזים מבוסס שמתווך ההמרה של פירובט כדי לקטט. התגובה היא יזמה על ידי הזרקה של סוכן hyperpolarized לתאים מרובים בתוך הרפאים, שכל אחד מהם מכיל ריכוזים שונים של חומרים כימיים כי לשלוט על קצב התגובה. תאים מרובים נחוצים על מנת להבטיח כי הר"ירצפים גינג בנאמנות ללכוד את ההטרוגניות המרחבית המטבולית של רקמת גוף. מערכת זו תסייע הפיתוח ותיקוף אסטרטגיות הדמיה מתקדמות על ידי מתן דינמיקה כימית שאינן זמינים מרווחות רפאים קונבנציונליים, כמו גם מלא שחזור זה לא אפשרי in vivo.
Introduction
ההשפעה הקלינית של תהודה מגנטית hyperpolarized (MRI) של 13 תרכובות C שכותרתו תלויה באופן מכריע ביכולתה למדוד את שיעורי המרה כימיים באמצעות הדמית ספקטרוסקופיות ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית בזמן אמת 1-5. במהלך רצף פיתוח ואימות, המרה כימית דינמי מושגת באמצעות כלל in vivo או במודלים במבחנה 6-9 המציעים מלא שחזור מוגבלים. לבדיקה חזקה והבטיח איכות, מערכת מבוקרת יותר השומרת על ההמרה הכימית אנדמית מדידה זו תהיה בחירה מועדפת. אנו להתוות שיטה להשיג המרה זו באופן לשחזור באמצעות רפאי אנזים יחידים דינמיים.
רוב המחקרים עם hyperpolarized 13 סוכני C להתמקד הדמית מצעי hyperpolarized בסביבה ביולוגית מתפקדת. זוהי הבחירה הברורה אם המטרה היא ללמוד ביולוגיאל מעבדת או לקבוע פוטנציאל להשפעה על טיפול קליני. עם זאת, אם אפיון של כמה אלגוריתם עיבוד מדידת מערכת או נתונים רצויים, מודלים ביולוגיים יש חסרונות רבים כגון השתנות במרחב ובזמן טמונה 10. עם זאת, רוחות רפאים סטטי קונבנציונליות חסרות את המרה הכימית שמניעה את העניין הקליני הראשוני MRI של מצעי hyperpolarized, ולא ניתן להשתמש בם כדי לאפיין זיהוי של שיעורי המרה או פרמטרים דינמיים אחרים 11. שימוש במערכת אנזים אחד אנו יכולים לספק המרה כימית לשליטה לשחזור, המאפשר בדיקה קפדנית של אסטרטגיות הדמיה דינמיות.
מערכת זו מופנית חוקרים מטעמו מפתחים אסטרטגיות הדמיה מצעים hyperpolarized ומאחלים לאפיין ביצועים להשוואה נגד גישות חלופיות. אם מדידות סטטי הן נקודת הסיום הרצויה ואז סטטי 13 המטבוליט-הנקרא C פנטומי wiיהיה להספיק 11. בצד השני אם אפיון ביולוגי מורכב יותר הוא קריטי השיטה (משלוח, וצפיפות תאית, וכו ') ולאחר מכן מודלים ביולוגיים בפועל יהיו צורך 12-14. מערכת זו היא אידיאלית עבור הערכה של אסטרטגיות הדמיה כי מטרתנו היא לספק מדד כמותי של שיעורי המרה כימית לכאורה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדמיה בזמן אמת של מטבוליטים hyperpolarized יש אתגרים ייחודיים רבים עבור עיצוב רצף, אימות, ובקרת איכות. היכולת לפתור ההטרוגניות spatiotemporal רפאים מציעה פוטנציאל קליני משמעותי, אבל מונע שיטות QA ואימות הקשורים MRI קונבנציונלי. רצפי הדמיה מורכבים או אלגוריתמי שיקום יכולים להיות תלו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק CPRIT (RP140021-P5) וכן בפרס אימון מחקר ג'וליה ג'ונס מתיוס Cancer Research Scholar CPRIT (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).
