JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
생체공학

Hurtig Scan elektronspinresonans åbner nye muligheder for Imaging Fysiologisk vigtige parametre<em> In 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

En ny elektronspinresonans (EPR) metode, hurtige scanning EPR (RS-EPJ), der er påvist for 2D spektral rumlig billeddannelse, som er overlegen i forhold til den traditionelle kontinuert bølge (CW) teknik og åbner nye steder for in vivo imaging. Resultaterne demonstreres ved 250 MHz, men teknikken er anvendelig ved alle frekvenser.

Abstract

Vi demonstrerer en overlegen metode til 2D spektral-rumlige billeddannelse af stabile radikale reportermolekyler ved 250 MHz under anvendelse af hurtig-scan elektron-paramagnetisk resonans (RS-EPR), der kan give kvantitative oplysninger under in vivo-betingelser på oxygenkoncentration, pH, redox status og koncentration af signalmolekyler (dvs. OH •, NO •). RS-EPR teknik har en højere følsomhed, forbedret rumlig opløsning (1 mm), og kortere erhvervelse tid i sammenligning med standarden kontinuert bølge (CW) teknik. En række stiplede konfigurationer er blevet testet, med rumlig opløsning varierer fra 1 til 6 mm, og spektral bredde af reportermolekyler varierer fra 16 uT (160 mg) til 5 mT (50 G). En cross-loop bimodal resonator afkobler excitation og detektion, hvilket reducerer støjen, mens den hurtige scanning effekt giver mere magt til at være input til spin, før mætning, hvilket øger EPR-signalet. Dennefører til en væsentligt højere signal-til-støj-forhold end i konventionelle CW EPR eksperimenter.

Introduction

I forhold til andre medicinsk billedbehandling modaliteter, elektronspinresonans imaging (EPRI) er unikt i stand til kvantitativt billede fysiologiske egenskaber, herunder pH 1-3, PO2 4-7, temperatur 8, perfusion og levedygtighed af væv 9, mikroviskositet og let diffusion af små molekyler 10 og oxidativ stress 11. Skøn over den lethed af disulfid spaltning af glutathion (GSH) i væv og celler 12,13 kan rapportere om redox status. Til in vivo-billeddannelse, er EPR i frekvensområdet mellem 250 MHz og 1 GHz valgt, fordi disse frekvenser tilvejebringe tilstrækkelig dybde af vævspenetration (op til flere cm) for at danne billeder af små dyr, hvor intensiteter ikke er mindsket med dielektriske tab effekter. Højere frekvenser, såsom 9,5 GHz 14 (X-bånd) og 17 GHz (K u -Band) 15,16 kan anvendes til billeddannelse af hud og hår eller enkeltceller, henholdsvis. Succesen med EPRI ved alle frekvenser afhænger paramagnetiske spin-prober, som er specifikke for væv, så at deres placering og skæbne i miljøet kan afbildes.

Hvis miljøet af en elektron spin-sonde er rumligt heterogen, EPR spektrum er summen af ​​bidrag fra alle steder. Spektral-rumlige billeddannelse opdeler prøvens volumen i et array af små rumlige segmenter og beregner EPR spektrum for hver af disse segmenter 17. Dette tillader kortlægning af det lokale miljø ved at måle den rumlige variation i EPR-spektret. Magnetfeltgradienter anvendes til at kode geografisk information i EPR-spektre, som kaldes fremspring. Den spektrale-rumlige billede er rekonstrueret fra disse fremskrivninger 18,19.

I RS-EPR magnetfeltet scannes gennem resonans i en tid, der er kort i forhold til elektron spin-relaksationstider (figur 2) 20,21. D econvolution af den hurtige-scan signal giver absorptionsspektret, hvilket svarer til den første integral af det konventionelle første-derivat CW spektrum. signal hurtig-scan detekteres i kvadratur, således at begge absorptions- og spredningsegenskaber komponenter af spinsystem respons måles. Dette er hovedsagelig indsamler dobbelte mængde data pr tidsenhed. Mætning af signalet i en hurtig scanning eksperiment sker ved højere beføjelser end for CW, så højere magter kan anvendes uden bekymring for mætning. 20,22 Mange flere gennemsnit kan gøres per tidsenhed i sammenligning med CW. Højere magt, direkte kvadratur påvisning og flere gennemsnit per tidsenhed kombineres for at give hurtig scanning et bedre signal-til-støj-forhold (SNR), især ved høje gradient fremspring, der definerer rumlig adskillelse, hvilket fører til højere kvalitet billeder. For at opnå omtrent samme SNR for et billede af et fantom krævede ca. 10 gange så lang tid for CW som til hurtig scanning 23.

telt "> Den øgede SNR tillader også eksperimenter ved 250 MHz med lave koncentration af spin trap addukter dannet ved omsætningen af OH med 5-tert-butoxycarbonyl-5-methyl-1-pyrroline- N-oxid (BMPO-OH), som ville være usynlige for CW metode 24. Dinitroxides forbundet med en disulfid linker er følsomme for spaltning med glutathion, og så kan rapportere om cellulær redox-status. eksisterer Equilibrium, afhængig af koncentrationen af glutathion til stede mellem de di- og mono-radikal former. observere disse ændringer kræver indfangning af hele 5 mT bredt spektrum, og der kan opnås meget hurtigere med hurtig scanning EPR forhold til stepping magnetfeltet i en CW eksperiment.

Et komplet system for hurtig scanning består af fire dele: spektrometer, hovedfeltet magnet, den hurtige scanning coil driver, og den hurtige scanning tværs loop resonator. Spektrometeret og hovedfeltet magnet funktion den samme som i en CW eksperiment, indstilling af main Zeeman feltog indsamle data fra resonator. Den hurtige scanning spole driver genererer sinusformet scanning strøm, der går ind specialdesignede hurtige scan spoler på den hurtige scanning tværs loop resonator. De hurtige scan spoler på den hurtige scanning cross-loop resonator generere et stort homogent magnetfelt, som er fejet ved frekvenser mellem 3 og 15 kHz.

Protocol

1. Opsætning af den hurtige Scan Coil driver ved 250 MHz Beregning af Rapid Scan Eksperimentelle Betingelser Bemærk: Den vigtigste parameter i RS-EPJ er scan sats, α, som er produktet af scanningen frekvens og scan bredde (ligning 3). For smalle scan bredder, er hurtigere scan satser anvendt, og til bredere sweep bredder, bruges langsommere scan satser. Følgende instruktioner træder gennem sidstnævnte tilfælde og vise, hvordan at nå frem til de eksperimentelle spole driver para…

Representative Results

Produktet fra eksperimentet er et sæt af fremspring, der er rekonstrueret i todimensionale (en spektral, en rumlig) billeder med en falsk farveskala til at repræsentere signalamplitude. Dyb blå betegner baseline, hvor intet signal er til stede, grøn er lav amplitude og rød er højest. Skiver langs x-aksen (spektral dimension) afbilder EPR-signalet (EPR overgang) på et magnetfelt akse. Langs y-aksen (rumlige dimension), adskillelse mellem signaler svarer til den fysiske rumlige adsk…

Discussion

Rapid-scan signaler har højere frekvenskomponenter end CW, og kræver en større resonator båndbredde afhængigt linjebredder, relaksationstider, og hastigheden af ​​den hurtigtvirkende scanninger. Den båndbredde, der kræves for et givet eksperiment er baseret på linjebredde og scanningshastighed på magnetfeltet (ligning 2). Afhængigt af relaksationstiden for sonden under undersøgelse (T 2 og T 2 *), og skanningshastigheden, kan oscillationer vises på bagkanten af signalet. For nitroxi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Delvis støtte for dette arbejde ved NIH tilskud NIBIB EB002807 og CA177744 (GRE og SSE) og P41 EB002034 til GRE, Howard J. Halpern, PI, og ved University of Denver er taknemmeligt anerkendt. Mark Tseytlin blev støttet af NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. Forfatterne er taknemmelige for Valery Khramtsov, nu på University of West Virginia, og Illirian Dhimitruka ved Ohio State University til syntese af de pH-følsomme TAM radikaler, og Gerald Rosen og Joseph Kao ved University of Maryland til syntese af mHCTPO , PROXYL, BMPO og nitronyl radikaler.

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

Keywords: Rapid-scan EPR ImagingRSEPRIElectron Paramagnetic ResonanceOxygen ConcentrationPHRedox StatusSignaling MoleculesBiomedical Research암 연구학Tumor EnvironmentContinuous Wave EPRRapid-scan Experimental ConditionsResonator BandwidthRapid-scan Coil DriverN-15 PDTBMPOHydrogen PeroxideUV Irradiation
check_url/kr/54068?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image