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

LET OP: (Phantom Design) Twee 3 ml kamers werden gefreesd uit Ultem en voorzien van PEEK buis (1,5875 mm OD en 0,762 mm ID) voor injectie en uitlaat. De kamers werden geplaatst in een 50 ml centrifugebuis gevuld met water (figuur 1). Om signaal vides gecreëerd door luchtbellen te vermijden, werden de kamers en de lijnen vooraf gevuld met gedemineraliseerd water (dH 2 O). 1. Oplossing Voorbereiding Bereid 1 L bufferoplossing (81,3 mM Tris pH 7,6, 203,3 …

Representative Results

Slice-selectieve 2D-beelden werden verkregen met behulp van een momentopname radEPSI volgorde. Metaboliet beelden werden gereconstrueerd met behulp van gefilterde back-projectie. De metaboliet beelden waren goed afgestemd proton beelden, zoals gezien in figuur 2. In dit systeem gehyperpolariseerd lactaat signaal echter alleen mogelijk door enzymatische omzetting gehyperpolariseerd pyruvaat. In figuur 4 is de onderste kamer, waarbij hogere LDH concentrati…

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….

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