سرعة المسح الضوئي الكترون ممغطس الرنين تفتح آفاقا جديدة للالتصوير الناحية الفسيولوجية معلمات هام<em> في فيفو</em
Summary
طريقة جديدة ممغطس الإلكترون الرنين (الثوري) وسريعة مسح الثوري (RS-EPR)، ويتضح لل2D التصوير المكاني الطيفي الذي يتفوق على الأسلوب التقليدي موجة مستمرة (CW) ويفتح مجالات جديدة للتصوير في الجسم الحي. وأظهرت النتائج في 250 ميغاهيرتز، ولكن هذه التقنية قابلة للتطبيق في أي تردد.
Abstract
ونحن لشرح طريقة متفوقة من 2D التصوير الطيفي المكاني للاستقرار الجزيئات مراسل جذرية في 250 ميغاهيرتز باستخدام السريع المسح الإلكترون ممغطس بالرنين (RS-EPR)، والتي يمكن أن توفر معلومات كمية تحت المجراة الظروف على تركيز الأكسجين، ودرجة الحموضة، الأكسدة حالة وتركيز الجزيئات يشير (أي، OH •، NO •). تقنية RS-الثوري لديها حساسية أعلى، وتحسين القرار المكانية (1 مم)، وأقصر وقت الشراء بالمقارنة مع أسلوب قياسي موجة مستمرة (CW). وقد تم اختبار مجموعة متنوعة من التشكيلات الوهمية، مع القرار المكانية متفاوتة 1-6 ملم، والعرض الطيفي للجزيئات مراسل تتراوح بين 16 μT (160 ملغ) إلى 5 طن متري (50 G). ومرنان ذات النسقين عبر حلقة على فصل الإثارة والكشف، والحد من الضوضاء، في حين أن تأثير المسح السريع يتيح المزيد من القوة ليكون مدخلا لنظام الدوران قبل التشبع، وزيادة إشارة الثوري. هذايؤدي إلى ارتفاع كبير في نسبة الإشارة إلى الضوضاء مما كانت عليه في التجارب CW الثوري التقليدية.
Introduction
بالنسبة لطرائق التصوير الطبي أخرى، والإلكترون ممغطس صدى التصوير (معهد بحوث البترول) هو فريد قادر على كميا صورة الخصائص الفسيولوجية بما في ذلك درجة الحموضة 1-3، ص 04-07 فبراير، ودرجة الحرارة 8، نضح وسلامة الأنسجة 9، microviscosity وسهولة نشر الجزيئات الصغيرة 10 و 11 الاكسدة. تقدير سهولة انشقاق ثاني كبريتيد من الجلوتاثيون (GSH) في الأنسجة والخلايا 12،13 يستطيع أن يقدم تقريرا عن حالة الأكسدة. للتصوير في الجسم الحي، يتم اختيار الثوري في مدى التردد بين 250 ميغاهيرتز و 1 غيغاهرتز لهذه الترددات توفر عمق كاف من اختراق الأنسجة (تصل إلى عدة سم) لتوليد صور للحيوانات الصغيرة التي لا تضعف شدة من آثار فقدان عازلة. ترددات أعلى، مثل 9.5 غيغاهرتز 14 (اكس باند) و 17 جيجا هرتز (ك ش باند) 15،16 يمكن استخدامها للتصوير من الجلد والشعر، أو الخلايا وحيدة، على التوالي. نجاح معهد بحوث البترول في جميع الترددات يعتمد على تحقيقات تدور ممغطس التي هي محددة لأنسجة بحيث يمكن تصوير مواقعها ومصير.
وإذا كانت البيئة لتحقيق الإلكترون تدور هي غير متجانسة مكانيا، الطيف EPR هو مجموع مساهمات من جميع المواقع. التصوير الطيفي المكانية يقسم حجم العينة إلى مجموعة واسعة من قطاعات المكانية الصغيرة ويحسب الطيف EPR لكل من هذه القطاعات 17. وهذا يسمح رسم الخرائط من البيئة المحلية عن طريق قياس التباين المكاني في الطيف الثوري. تستخدم تدرجات المجال المغناطيسي لترميز المعلومات المكانية إلى أطياف الثوري، والتي تسمى التوقعات. وأعيد بناؤها على صورة طيفية المكاني من هذه التوقعات 18،19.
في RS-الثوري يتم مسح المجال المغناطيسي من خلال الرنين في الوقت الذي هو قصيرة بالنسبة إلى الأوقات الإلكترون تدور الاسترخاء (الشكل 2) 20،21. د econvolution للإشارة المسح السريع يعطي طيف الامتصاص، وهو ما يعادل تكامل الأول من الطيف CW أولا المشتقة التقليدية. تم الكشف عن إشارة المسح السريع في التربيع، بحيث يتم قياس كل من مكونات الامتصاص وتشتت استجابة النظام زيادة ونقصان. هذا هو جمع أساسا ضعف كمية البيانات في وحدة الزمن. تشبع إشارة في تجربة المسح الضوئي السريع يحدث في القوى أعلى من الأسلحة الكيميائية، بحيث يمكن استخدام أعلى السلطات دون القلق من التشبع. 20،22 العديد من المزيد من المتوسطات يمكن القيام به في وحدة الزمن بالمقارنة مع الأسلحة الكيميائية. ارتفاع القوة، والكشف عن التربيع المباشر والمزيد من المتوسطات في وحدة الزمن تجتمع لتعطي المسح الضوئي السريع أفضل إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR)، وخاصة في التوقعات التدرج العالية التي تحدد الفصل المكاني، مما يؤدي إلى صور ذات جودة أعلى. ولتحقيق حول نفس SNR لصورة شبح المطلوبة حوالي 10 مرات طالما لCW بالنسبة للمسح السريع 23.
خيمة "> وزيادة SNR يسمح أيضا تجارب على 250 ميغاهرتز مع انخفاض تركيز تدور adducts فخ التي شكلتها رد فعل OH مع 5 ثالثي butoxycarbonyl-5-ميثيل-1-pyrroline- -oxide N (BMPO-OH) الذي سيكون غير مرئية للطريقة CW 24. Dinitroxides على اتصال مع رابط ثاني كبريتيد لديهم حساسية للانشقاق من الجلوتاثيون، وهكذا يمكن أن يقدم تقريرا عن حالة الأكسدة الخلوية. وجود التوازن، تعتمد على تركيز الجلوتاثيون الحاضر، بين أشكال عرق وأحادية جذري. ملاحظة هذه التغييرات تتطلب القبض على 5 طن متري بأكمله واسعة، ويمكن أن يتحقق بشكل أسرع بكثير مع المسح الضوئي السريع الثوري مقارنة يخطو الحقل المغناطيسي للأرض في تجربة الأسلحة الكيميائية.ويتكون نظام المسح الضوئي السريع كاملة من أربعة أجزاء: مطياف، المغناطيس الملعب الرئيسي، والسريع سائق لفائف المسح الضوئي، والمسح الضوئي السريع عبر حلقة مرنان. مطياف وظيفة المغناطيس المجال الرئيسية هي نفسها كما في تجربة الأسلحة الكيماوية، وتحديد مجال زيمان الرئيسيوجمع البيانات من مرنان. سائق لفائف المسح السريع يولد الفحص الحالية الجيبية أن يذهب إلى المصممة خصيصا لفائف المسح الضوئي السريع على الفحص السريع عبر حلقة مرنان. لفائف المسح الضوئي السريع على السريع المسح مرنان عبر حلقة تولد حقل مغناطيسي متجانس واسع، والتي اجتاحت في الترددات بين 3 و 15 كيلو هرتز.
Protocol
Representative Results
Discussion
إشارات السريع المسح على مكونات تردد أعلى من الأسلحة الكيميائية، وتتطلب عرض النطاق الترددي مرنان أكبر اعتمادا على linewidths اوقات الاسترخاء، وسرعة للمسح السريع. ويستند عرض النطاق الترددي اللازم لتجربة معينة على linewidth ومعدل المسح المجال المغناطيسي (المعادلة 2). تبعا لاوق?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
دعم جزئي لهذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة منح NIBIB EB002807 وCA177744 (GRE وSSE) وEB002034 P41 إلى GRE، هوارد J. هالبيرن، PI، وجامعة دنفر ما قدمه من مساعدة. وأيد علامة Tseytlin من المعاهد الوطنية للصحة R21 EB022775، NIH K25 EB016040، المعاهد الوطنية للصحة / NIGMS U54GM104942. الكتاب ممتنون لفاليري Khramtsov، والآن في جامعة غرب فرجينيا، وIllirian Dhimitruka في جامعة ولاية أوهايو لتوليف درجة الحموضة المتطرفين TAM الحساسة، وجيرالد روزين وجوزيف كاو في جامعة ميريلاند لتوليف وmHCTPO ، proxyl، BMPO والمتطرفين nitronyl.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dreher, M. R., et al. Nitroxide conjugate of a thermally responsive elastin-like polypeptide for noninvasive thermometry. Med. Phys. 31 (10), 2755-2762 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kuppusamy, P., et al. Noninvasive imaging of tumor redox status and its modification by tissue glutathione levels. Cancer Res. 62 (1), 307-312 (2002).
- 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).
- Plonka, P. M. Electron paramagnetic resonance as a unique tool or skin and hair research. Exp. Dermatol. 18, 472-484 (2009).
- 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).
- 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).
- Eaton, G. R., Eaton, S. S. . Concepts Magn. Reson. 7, 49-67 (1995).
- 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).
- 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).
- Mitchell, D. G., Radu, N., Koch, S., et al. . Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 242, (2011).
- Stoner, J. W., et al. Direct-detected rapid-scan EPR at 250 MHz. J. Magn. Reson. 170 (1), 127-135 (2004).
- 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).
- Biller, J. R., et al. Imaging of nitroxides at 250 MHz using rapid-scan electron paramagnetic resonance. J. Magn. Reson. 242, 162-168 (2014).
- Biller, J. R., et al. Improved Sensitivity for Imaging Spin Trapped Hydroxyl Radical at 250 MHz. Chem. Phys. Chem. 16 (3), 528-531 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bobko, A. A., et al. Redox-sensitive mechanism of no scavenging by nitronyl nitroxides. Free Radical Biol. Med. 36 (2), 248-258 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- Biller, J. R., et al. Electron spin-lattice relaxation mechanisms of rapidly-tumbling nitroxide radicals. J. Magn. Reson. 236, 47-56 (2013).
- 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).
