JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

Hızlı Tarama Elektron Paramagnetik Rezonans Görüntüleme Fizyolojik Önemli Parametreler için Yeni bulvarlar açar<em> İn Vivo</em

Published: September 26, 2016
doi:
10.3791/54068
, , , , , , ,
1Department of Chemistry and Biochemistry,University of Denver, 2Magnetic Imaging Group, Applied Physics Division, Physical Measurements Laboratory,National Institute of Standards and Technology, 3Department of Radiology, Geisel School of Medicine,Dartmouth University, 4Department of Biochemistry,West Virginia University, 5Department of Electrical and Computer Engineering,University of Denver, 6Department of Engineering,University of Denver

Summary

Yeni bir elektron para-manyetik rezonanstır (EPR) yöntemi, hızlı tarama EPR (RS-EPR), geleneksel bir sürekli dalga (CW) teknikten üstün ve in vivo görüntüleme için yeni alanları açar 2B spektral mekansal görüntüleme için gösterilmiştir. Sonuçlar 250 MHz'de gösterilmiş, ancak teknik herhangi bir frekansta uygulanabilir.

Abstract

Bu oksijen yoğunluğu, pH, redoks ile in vivo koşullarında sayısal bilgiler sağlayabilir hızlı tarama elektron paramanyetik rezonans (RS-EPR) kullanılarak 250 MHz'de kararlı bir radikal haberci moleküllerinin 2B spektral mekansal görüntüleme üstün bir yöntem ortaya koymaktadır durumu ve sinyal moleküllerinin konsantrasyonu (yani, OH, • NO). RS-EPR tekniği standart sürekli dalga (CW) tekniğine göre daha yüksek bir hassasiyet, gelişmiş uzaysal çözünürlüğü (1 mm) ve kısa edinme süresi vardır. Fantom yapılandırmaları çeşitli 1 ila 6 mm arasında değişen uzamsal çözünürlük ve 16 μT (160 mg), 5 mt (50 g) arasında değişen haberci moleküllerinin spektrum genişliği ile test edilmiştir. Hızlı tarama efekti EPR sinyali artan, daha fazla güç doygunluk önce spin sisteminin giriş olmasını sağlar iken bir çapraz döngü bimodal rezonatör, uyarma ve algılama, gürültü azaltma decouples. BuGeleneksel CW EPR deneylerde belirgin şekilde daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı yol açmaktadır.

Introduction

Diğer tıbbi görüntüleme yöntemleri ile karşılaştırıldığında, elektron paramanyetik rezonans görüntüleme (EPRI) kantitatif görüntü difüzyon pH 1-3, pO2 4-7 sıcaklığı 8, perfüzyon ve dokuların 9 canlılığı, microviscosity ve kullanım kolaylığı da dahil olmak üzere fizyolojik özelliklerini benzersiz yapabiliyor küçük moleküller 10 ve oksidatif stres 11. Dokuda glutatyon (GSH) ve hücreler 12,13 ile disülfid bölünme kolaylığı Tahmini redoks durumuna ilişkin rapor edebilirsiniz. Bu frekanslar yoğunlukları dielektrik kayıp etkilerle azalmadı edildiği küçük hayvanlar için görüntüler oluşturmak için (birkaç cm kadar) doku penetrasyonu yeterli derinlikte sağlar, çünkü in vivo görüntüleme için, 250 MHz, 1 GHz frekans aralığında EPR seçilir. Örneğin 9.5 GHz 14 (x-bant) ve 17 GHz (K U -BAND) 15,16 gibi daha yüksek frekanslar, cilt ve saç ya da tek hücre görüntüleme için kullanılabilir, sırasıyla. tüm frekanslarda EPRI başarısı konumları ve kader yansıması, böylece dokular için spesifik olan paramanyetik spin sondası bağlıdır.

bir elektron spin sondası çevre mekansal heterojen ise, EPR spektrumu bütün yerlerden katkısının toplamına eşittir. Spektral-uzamsal görüntüleme küçük mekansal kesimleri bir diziye numunenin hacmi böler ve bu segmentlerin 17 her biri için EPR spektrumu hesaplar. Bu EPR spektrumunda mekansal değişimi ölçerek yerel çevrenin haritalama sağlar. Manyetik alan gradiyentleri projeksiyonları denir EPR spektrumları, içine uzamsal bilgiyi kodlamak için kullanılır. Spektral ve mekansal görüntü bu projeksiyonlar 18,19 den yeniden yapılmıştır.

RS-EPR manyetik alan (Şekil 2) 20,21 elektron spin gevşeme süreleri kısa akrabası olan bir süre içinde rezonans ile taranır. D Hızlı tarama sinyalinin econvolution geleneksel birinci türev CW spektrumun birinci integrali eşdeğer absorpsiyon spektrumu verir. eğirme sistemi tepkisinin hem emme ve dağıtma bileşenleri ölçülür, böylece hızlı tarama sinyali, kareleme tespit edilir. Bu temelde iki birim zamanda veri miktarını topluyor. Yüksek güçler doygunluğu için endişe olmadan kullanılabilir böylece hızlı bir tarama deneyinde sinyalin Doygunluk, CW için daha yüksek güçlerde olur. 20,22 Çok daha fazla ortalama CW kıyasla birim zamanda yapılabilir. Yüksek güç, doğrudan dördün algılama ve birim zamanda daha fazla ortalama yüksek kalitede görüntülere lider, özellikle mekansal ayrılık tanımlayan yüksek gradyan projeksiyonları, Hızlı tarama daha iyi bir sinyal-gürültü oranı (SNR) vermek için birleştirir. Hızlı tarama 23 gibi CW için sürece yaklaşık 10 kez gerekli bir hayalet bir görüntü için aynı SNR hakkında elde etmek.

tert "> yüksek SNR ayrıca OH reaksiyonu ile oluşturulmuş düşük konsantrasyonda spin tuzağına ilave maddeleri ile 250 MHz'de deneyler sağlar 5-ters-bütoksikarbonil-5-metil-1-pyrroline- N-oksit (BMPO-OH) olacaktır bir disülfıd bağlayıcı ile bağlı CW yöntemine 24 görünmez. Dinitroxides glutatyon ile bölünmeye karşı duyarlı olan ve bu nedenle hücresel redoks durumuna ilişkin rapor edebilirsiniz. Denge var, di ve mono-radikal formlar arasında, glutatyon mevcut konsantrasyonuna bağlıdır. bu değişiklikleri gözlemleyerek tüm 5 mT geniş spektrumlu yakalama gerektirir ve bir CW deneyde manyetik alan adım kıyasla hızlı tarama EPR ile çok daha hızlı elde edilebilir.

spektrometre, ana alan mıknatıs, hızlı tarama bobin sürücü ve hızlı tarama çapraz döngü rezonatör: Tam bir hızlı tarama sistemi dört bölümden oluşmaktadır. Ana Zeeman alan ayarı spektrometresi ve CW deneyde aynı ana alan mıknatıs işlevi,ve rezonatör veri toplama. Hızlı tarama bobin sürücü hızlı tarama çapraz döngü rezonatör üzerinde özel olarak tasarlanmış hızlı tarama bobinleri gider sinüzoidal tarama akımı üretir. Hızlı tarama çapraz döngü rezonatör üzerinde hızlı tarama bobinleri 3 ve 15 kHz arası frekanslarda süpürüldü bir büyük homojen bir manyetik alan üretir.

Protocol

250 MHz'de Hızlı Tarama Bobin Driver 1. Kur Hızlı Tarama Deneysel Koşullar hesaplanması Not: RS-EPR en önemli parametre tarama sıklığına ve tarama genişliği (Denklem 3) ürünüdür tarama hızı, α vardır. Dar tarama genişlikleri için, hızlı tarama hızları kullanılır ve geniş süpürme genişlikleri için, yavaş tarama hızları kullanılır. Aşağıdaki yönergeler ikinci durumda adım ve 7 mT tarama genişliği ve 6.8 kHz tarama frekansı deneysel bobin…

Representative Results

Deney ürün sinyal genliği temsil etmek yanlış bir renk skalası ile görüntüleri (tek spektral bir mekansal) iki boyutlu olarak yeniden inşa edilir projeksiyonlar kümesidir. hiçbir sinyal mevcut olduğu Masmavi taban çizgisini gösterir, yeşil düşük genlikli ve kırmızı en yüksek olmasıdır. x ekseni (spektral boyutta) boyunca dilimler manyetik alan eksen üzerinde EPR sinyali (EPR geçiş) tasvir. y ekseni (mekansal boyut) boyunca, sinyaller arasındaki ayrım rezenat…

Discussion

Hızlı tarama sinyalleri CW daha yüksek frekans bileşenleri ve Çizgi genişlikleri gevşeme sürelerine bağlı olarak daha büyük bir rezonatör bant genişliği, ve hızlı tarama hızı gerektirir. Belirli bir deney için gereken bant genişliği çizgi genişliği ve manyetik alan (Denklem 2) tarama hızına dayanır. Çalışmanın altında prob gevşeme süreleri bağlı (T 2 ve T 2 *), ve tarama hızı, salınımlar sinyalin firar kenarında görünebilir. 250 MHz'de T 2 …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

NIH tarafından bu işin kısmi destek GRE, Howard J. Halpern, PI NIBIB EB002807 ve CA177744 (GRE ve SSE) ve P41 EB002034 verir ve Denver Üniversitesi tarafından minnetle kabul edilmektedir. Mark Tseytlin NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942 tarafından desteklenmiştir. Yazarlar mHCTPO sentezi için pH duyarlı TAM radikallerin sentezi için Ohio State Üniversitesi'nde şimdi Batı Virginia Üniversitesi Valery Khramtsov, ve Illirian Dhimitruka minnettarız ve Maryland Üniversitesi'nde Gerald Rosen ve Joseph Kao , PROXYL, BMPO ve nitronyl radikalleridir.

Materials

4-oxo-2,2,6,6-tetra(2H3)methyl-1-(3,3,5,5-2H4,1-15N)piperdinyloxyl (15N PDT) CDN Isotopes  M-2327 98% atom 15N, 98 % atom D, Quebec Canada
4-1H-3-carbamoyl-2,2,5,5-tetra(2H3)methyl-3-pyrrolinyloxyl (15N mHCTPO) N/A N/A Synthesized at U.Maryland and described in Reference 29
3-carboxy-2,2,5,5-tetra(2H3)methyl-1-(3,4,4-2H3,1-15N)pyrrolidinyloxyl (15N Proxyl) N/A N/A Synthesized at U.Maryland and described in reference 25
4 mm Quartz EPR Tubes Wilmad Glass 707-SQ-100M
4-oxo-2,2,6,6-tetra(2H3)methyl-1-(3,3,5,5-2H4)piperdinyloxyl (14N PDT) CDN Isotopes D-2328 98% atom D, Quebec Canada
pH sensitive trityl radical (aTAM4) Ohio State University N/A Synthesized at Ohio State University and described in reference 26
Potassum Phosphate, Monobasic J.T. Baker Chemicals 1-3246
6 mm Quartz EPR Tubes Wilmad Glass Q-5M-6M-0-250/RB
8 mm Quartz EPR Tubes Wilmad Glass Q-7M-8M-0-250/RB
5-tert-butoxycarbonyl-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide (BMPO)  N/A N/A Synthesized at U.Maryland and described in reference 30
Hydrogen Peroxide Sigma Aldrich H1009 SIGMA 30%
16 mm Quartz EPR tube Wilmad Glass 16-7PP-11QTZ
Medium Pressure 450 W UV lamp Hanovia 679-A36 Fairfield, NJ
L-Glutathione, reduced Sigma Aldrich G470-5
Nitronyl NA N/A Synthesized at U.Maryland and described in reference 31
Sodium Hydroxide  J.T. Baker Chemicals 1-3146
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bobko, A. A., et al. In vivo monitoring of pH, redox status, and glutathione using L-band EPR for assessment of therapeutic effectiveness in solid tumors. Magn. Reson. Med. 67 (6), 1827-1836 (2012).
  2. Utsumi, H., et al. Simultaneous molecular imaging of redox reactions monitored by overhauser-enhanced MRI with 14N-and 15N-labeled nitroxyl radicals. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 103 (5), 1463-1468 (2006).
  3. Khramtsov, V. V., Grigor’ev, I. A., Foster, M. A., Lurie, D. J., Nicholson, I. Biological applications of spin pH probes. Cell. Mol. Bio. 46 (8), 1361-1374 (2000).
  4. Halpern, H. J., et al. Oxymetry Deep in Tissues with Low-Frequency Electron-Paramagnetic Resonance. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 91 (26), 13047-13051 (1994).
  5. Matsumoto, S., et al. Low-field paramagnetic resonance imaging of tumor oxygenation and glycolytic activity in mice. J. Clin. Invest. 118 (5), 1965-1973 (2008).
  6. Velan, S. S., Spencer, R. G. S., Zweier, J. L., Kuppusamy, P. Electron paramagnetic resonance oxygen mapping (EPROM): Direct visualization of oxygen concentration in tissue. Magn. Reson. Med. 43 (6), 804-809 (2000).
  7. Elas, M., et al. Electron paramagnetic resonance oxygen image hypoxic fraction plus radiation dose strongly correlates with tumor cure in FSA fibrosarcomas. Int. J. Radiat. Oncol. 71 (2), 542-549 (2008).
  8. Dreher, M. R., et al. Nitroxide conjugate of a thermally responsive elastin-like polypeptide for noninvasive thermometry. Med. Phys. 31 (10), 2755-2762 (2004).
  9. Gallez, B., Mader, K., Swartz, H. M. Noninvasive measurement of the pH inside the gut by using pH-sensitive nitroxides. An in vivo EPR study. Magn. Reson. Med. 36 (5), 694-697 (1996).
  10. Halpern, H. J., et al. Diminished aqueous microviscosity of tumors in murine models measured with in vivo radiofrequency electron paramagnetic resonance. Cancer Res. 59 (22), 5836-5841 (1999).
  11. Elas, M., Ichikawa, K., Halpern, H. J. Oxidative Stress Imaging in Live Animals with Techniques Based on Electron Paramagnetic Resonance. Radiat. Res. 177 (4), 514-523 (2012).
  12. Kuppusamy, P., et al. Noninvasive imaging of tumor redox status and its modification by tissue glutathione levels. Cancer Res. 62 (1), 307-312 (2002).
  13. Khramtsov, V. V., Yelinova, V. I., Glazachev, Y. I., Reznikov, V. A., Zimmer, G. Quantitative determination and reversible modification of thiols using imidazolidine biradical disulfide label. J. Biochem. Biophys. Methods. 35 (2), 115-128 (1997).
  14. Plonka, P. M. Electron paramagnetic resonance as a unique tool or skin and hair research. Exp. Dermatol. 18, 472-484 (2009).
  15. Halevy, R., Shtirberg, L., Shklyar, M., Blank, A. Electron Spin Resonance Micro-Imaging of Live Species for Oxygen Mapping. J. Vis. Exp. (42), e122 (2010).
  16. Halevy, R., Tormyshev, V., Blank, A. Microimaging of oxygen concentration near live photosynthetic cells by electron spin resonance. Biophys J. 99 (3), 971-978 (2010).
  17. Eaton, G. R., Eaton, S. S. . Concepts Magn. Reson. 7, 49-67 (1995).
  18. Maltempo, M. M. Differentiaon of spectral and spatial components in EPR imaging using 2-D image reconstruction algorithms. J. Magn. Reson. 69, 156-161 (1986).
  19. Tseitlin, M., et al. New spectral-spatial imaging algorithm for full EPR spectra of multiline nitroxides and pH sensitive trityl radicals. J. Magn. Reson. 245, 150-155 (2014).
  20. Mitchell, D. G., Radu, N., Koch, S., et al. . Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 242, (2011).
  21. Stoner, J. W., et al. Direct-detected rapid-scan EPR at 250 MHz. J. Magn. Reson. 170 (1), 127-135 (2004).
  22. Tseytlin, M., Biller, J. R., Mitchell, D. G., Yu, Z., Quine, R. W., Rinard, G. A., Eaton, S. S., Eaton, G. R. . EPR Newsletter. 23, 8-9 (2014).
  23. Biller, J. R., et al. Imaging of nitroxides at 250 MHz using rapid-scan electron paramagnetic resonance. J. Magn. Reson. 242, 162-168 (2014).
  24. Biller, J. R., et al. Improved Sensitivity for Imaging Spin Trapped Hydroxyl Radical at 250 MHz. Chem. Phys. Chem. 16 (3), 528-531 (2015).
  25. Burks, S. R., Bakhshai, M. A., Makowsky, M. A., Muralidharan, S., Tsai, P., Rosen, G. M., Kao, J. Y. 2H, 15N-Substituted nitroxides as sensitive probes for electron paramagnetic resonance imaging. J. Org. Chem. 75, 6463-6467 (2010).
  26. Dhimitruka, I., Bobko, A. A., Hadad, C. M., Zweier, J. L., Khramtsov, V. V. Synthesis and characterization of amino derivatives of persistent trityl radicals as dual function pH and oxygen paramagnetic probes. J. Am. Chem. Soc. 130 (32), 10780-10787 (2008).
  27. Elajaili, H. B., et al. Electron spin relaxation times and rapid scan EPR imaging of pH-sensitive amino-substituted trityl radicals. Magn. Reson. Chem. 53 (4), 280-284 (2015).
  28. Elajaili, H., Biller, J. R., Rosen, G. M., Kao, J. P. Y., Tseytlin, M., Buchanan, L. B., Rinard, G. A., Quine, R. W., McPeak, J., Shi, Y., Eaton, S. S., Eaton, G. R. Imaging Disulfides at 250 MHz to Monitor Redox. J. Magn. Reson. , (2015).
  29. Tseitlin, M., Rinard, G. A., Quine, R. W., Eaton, S. S., Eaton, G. R. Deconvolution of sinusoidal rapid EPR scans. J. Magn. Reson. 208 (2), 279-283 (2011).
  30. Halpern, H. J., Peric, M., Nguyen, T. D., Spencer, D. P., Teicher, B. A., Lin, Y. J., Bowman, M. K. Selective isotopic labeling of a nitroxide spin label to enhance sensitivity for T2 oxymetry. J. Magn. Reson. 90, 40-51 (1990).
  31. Tsai, P., et al. Esters of 5-carboxyl-5-methyl-1-pyrroline N-oxide: A family of spin traps for superoxide. J. Org. Chem. 68 (20), 7811-7817 (2003).
  32. Biller, J. R., et al. Frequency dependence of electron spin relaxation times in aqueous solution for a nitronyl nitroxide radical and perdeuterated-tempone between 250 MHz and 34 GHz. J. Magn. Reson. 225, 52-57 (2012).
  33. Rosen, G. M., et al. Dendrimeric-containing nitronyl nitroxides as spin traps for nitric oxide: Ssynthesis, kinetic, and stability studies. Macromolecules. 36 (4), 1021-1027 (2003).
  34. Bobko, A. A., et al. Redox-sensitive mechanism of no scavenging by nitronyl nitroxides. Free Radical Biol. Med. 36 (2), 248-258 (2004).
  35. Roshchupkina, G. I., et al. In vivo EPR measurement of glutathione in tumor-bearing mice using improved disulfide biradical. Free Radical Bio. Med. 45 (3), 312-320 (2008).
  36. Mitchell, D. G., et al. Use of Rapid-Scan EPR to Improve Detection Sensitivity for Spin-Trapped Radicals. Biophysical Journal. 105 (2), 338-342 (2013).
  37. Bobko, A. A., Dhimitruka, I., Zweier, J. L., Khramtsov, V. V. Trityl radicals as persistent dual function pH and oxygen probes for in vivo electron paramagnetic resonance spectroscopy and imaging: Concept and experiment. J. Am. Chem. Soc. 129 (23), (2007).
  38. Biller, J. R., et al. Electron spin-lattice relaxation mechanisms of rapidly-tumbling nitroxide radicals. J. Magn. Reson. 236, 47-56 (2013).
  39. Redler, G., Barth, E. D., Bauer, K. S., Kao, J. P. Y., Rosen, G. M., Halpern, H. J. In vivo electron paramagnetic resonance imaging of differential tumor targeting using cis-3,4-di(acetoxymethoxycarbonyl)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxyl. Magn. Reson. Med. 71 (4), 1650-1656 (2013).

Tags

Rapid-scan EPR ImagingRSEPRIElectron Paramagnetic ResonanceOxygen ConcentrationPHRedox StatusSignaling MoleculesBiomedical ResearchRecherche en cancérologieTumor EnvironmentContinuous Wave EPRRapid-scan Experimental ConditionsResonator BandwidthRapid-scan Coil DriverN-15 PDTBMPOHydrogen PeroxideUV Irradiation
check_url/fr/54068?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Biller, J. R., Mitchell, D. G., Tseytlin, M., Elajaili, H., Rinard, G. A., Quine, R. W., Eaton, S. S., Eaton, G. R. Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo. J. Vis. Exp. (115), e54068, doi:10.3791/54068 (2016).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image