قياس الاسترخاء تدور شعرية الاعتماد المجال المغناطيسي من فرط الاستقطاب [1-13C] بيروفات
Summary
نقدم بروتوكولا لقياس الاعتماد على المجال المغناطيسي من وقت الاسترخاء تدور شعرية من 13مركبات C المخصب، والاستقطاب المفرط عن طريق الاستقطاب النووي الديناميكي، وذلك باستخدام قياس الاسترخاء بسرعة الميدان دورة. على وجه التحديد، لقد أثبتنا هذا مع[1-13C]pyruvate، ولكن يمكن توسيع البروتوكول إلى ركائز أخرى شديدة الاستقطاب.
Abstract
الحد الأساسي في تطبيقات التصوير في الجسم الحي من المركبات الشديدة الاستقطاب 13C المخصب هو أوقات الاسترخاء تدور شعرية محدودة. عوامل مختلفة تؤثر على معدلات الاسترخاء، مثل تكوين العازلة، ودرجة الحموضة الحل، ودرجة الحرارة، والمجال المغناطيسي. في هذا الصدد الأخير، يمكن قياس وقت الاسترخاء تدور شعرية في نقاط القوة المجال السريري، ولكن في الحقول السفلى، حيث يتم الاستغناء عن هذه المركبات من الاستقطاب ونقلها إلى التصوير بالرنين المغناطيسي، والاسترخاء هو أسرع وصعبة لقياس. للحصول على فهم أفضل لكمية المغناطيسية المفقودة أثناء النقل، استخدمنا سريع الميدان ركوب الدراجات relaxometry، مع الكشف عن الرنين المغناطيسي من 13C النوى في ~ 0.75 T، لقياس تشتت الرنين المغناطيسي النووي لل [سبين-كلتيك] استرخاء وقت من [هبربولّد][1-13[ك][بيروفات]. وقد استخدم الاستقطاب النووي الديناميكي للانحلال لإنتاج عينات شديدة الاستقطاب من البيروفات بتركيز قدره 80 مليمول/لتر والأس الهيدروجيني الفسيولوجي (حوالي 7.8). تم نقل هذه الحلول بسرعة إلى مقياس الاسترخاء سريع الدراجات الميدانية بحيث يمكن قياس الاسترخاء من مغنطة عينة كدالة للوقت باستخدام زاوية الوجه الصغيرة معايرة (3 °-5 °). لتعيين تشتت T1 من C-1 من بيروفات، سجلنا بيانات لمجالات الاسترخاء المختلفة التي تتراوح بين 0.237 mT و 0.705 T. مع هذه المعلومات، حددنا معادلة تجريبية لتقدير الاسترخاء تدور شعرية من الركيزة فرط الاستقطاب ضمن مجموعة المذكورة من المجالات المغناطيسية. ويمكن استخدام هذه النتائج للتنبؤ بكمية الممغنطة المفقودة أثناء النقل ولتحسين التصاميم التجريبية لتقليل فقدان الإشارة.
Introduction
التصوير الطيفي بالرنين المغناطيسي (MRSI) يمكن أن تنتج خرائط مكانية من الأيض الكشف عن طريق التصوير الطيفي، ولكن استخدامه العملي غالبا ما يكون محدودا بسبب حساسيته منخفضة نسبيا. هذه الحساسية المنخفضة في التصوير بالرنين المغناطيسي في الجسم الحي وطرق التحليل الطيفي تنبع من درجة صغيرة من المغناطيسية النووية التي يمكن تحقيقها في درجات حرارة الجسم ونقاط القوة المجال المغناطيسي معقولة. ومع ذلك، يمكن التغلب على هذا القيد باستخدام الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP) لتعزيز كبير في المختبر مغنطة من ركائز السائل، والتي يتم حقنها في وقت لاحق للتحقيق في التمثيل الغذائي في الجسم الحي باستخدام MRSI1،2 , 3 , 4.DNP قادرة على تعزيز مغنطة معظم النوى مع تدور النووية غير صفر، وقد استخدمت لزيادة في حساسية MRSI الجسم الحي من 13مركبات C المخصب مثل بيروفات5،6،بيكربونات 7،8، fumarate9، اللاكتات10، الجلوتامين11، وغيرها من قبل أكثر من أربعة أوامر من حجم12. وتشمل تطبيقاته تصوير أمراض الأوعية الدموية13،14،15، ضخ الأعضاء13،16،17،18، السرطان الكشف1،19،20،21،22،تنظيم الورم23،24،والقياس الكمي للاستجابة العلاجية2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
الاسترخاء بطيئة تدور شعرية أمر ضروري للكشف في الجسم الحي مع MRSI. تدور شعرية أوقات الاسترخاء(T1ق) في ترتيب عشرات الثواني ممكنة للنوى مع نسب الدوران المغناطيسي منخفضة داخل جزيئات صغيرة في الحل. العديد من العوامل المادية تؤثر على نقل الطاقة بين انتقال تدور النووية وبيئتها (شعرية) مما يؤدي إلى الاسترخاء، بما في ذلك قوة المجال المغناطيسي، ودرجة الحرارة، والمطابقة الجزيئية27. يتم تقليل الاسترخاء ثنائي القطب في جزيئات لمواقف الكربون مع عدم وجود البروتونات المرفقة مباشرة، وdeuteration من وسائل الإعلام حل يمكن أن تقلل من الاسترخاء ثنائي القطب بين الجزيئية. لسوء الحظ، المذيبات المبتورة لديها قدرات محدودة على تمديد في استرخاء الجسم الحي. زيادة الاسترخاء من كاربونيل أو الأحماض الكربوكسيلية (مثل بيروفات) يمكن أن تحدث في نقاط القوة المجال المغناطيسي عالية بسبب عدم التحامل التحول الكيميائي. وجود الشوائب شبه المغناطيسية من مسار السوائل أثناء الانحلال بعد الاستقطاب يمكن أن يسبب الاسترخاء السريع وتحتاج إلى تجنبها أو القضاء عليها باستخدام chelators.
توجد بيانات قليلة جداً للاسترخاء من 13المركبات التي تحتوي على C في الحقول المنخفضة، حيث الاسترخاء تدور شعرية يمكن أن يكون أسرع بكثير. ومع ذلك، من المهم قياس T1 في الحقول المنخفضة لفهم الاسترخاء أثناء إعداد العامل المستخدم في التصوير الحي، حيث أن عوامل التباين شديدة الاستقطاب عادة ما يتم الاستغناء عنها من جهاز DNP بالقرب من الأرض أو في الميدان. عوامل مادية إضافية مثل تركيز الركيزة 13C المخصب، ودرجة الحموضة الحل، والمخازن المؤقتة ودرجة الحرارة تؤثر أيضا على الاسترخاء، وبالتالي يكون لها تأثير على صياغة العامل. كل هذه العوامل ضرورية في تحديد المعلمات الرئيسية في تحسين عملية حل DNP، وحساب حجم فقدان الإشارة التي تحدث في نقل العينة من جهاز DNP إلى مغناطيس التصوير.
وعادة ما يتم الحصول على قياسات تشتت الرنين المغناطيسي النووي، أي قياسات T1، كدالة للمجال المغناطيسي باستخدام مطياف NMR. للحصول على هذه القياسات، يمكن استخدام طريقة الاغلاق حيث يتم نقل العينة لأول مرة من مطياف للاسترخاء في بعض المجالات التي يحددها موقعها في مجال هامش المغناطيس28،29،30 ثم انتقلت بسرعة مرة أخرى إلى المغناطيس NMR لقياس المغناطيسية المتبقية. من خلال تكرار هذه العملية في نفس النقطة في المجال المغناطيسي ولكن مع فترات متزايدة من الاسترخاء، يمكن الحصول على منحنى الاسترخاء، والتي يمكن تحليلها بعد ذلك لتقدير T1.
نحن نستخدم تقنية بديلة تعرف باسم قياس الاسترخاء السريع للدراجات الميدانية31و32و33 للحصول على بيانات NMRD الخاصة بنا. لقد قمنا بتعديل مقياس الاسترخاء التجاري للدراجات الميدانية (انظر جدول المواد)،لقياسات T1 للحلول التي تحتوي على النوى 13C شديد الاستقطاب. وبالمقارنة مع طريقة المكوك، فإن الدراجات الميدانية تمكن مقياس الاسترخاء هذا من الحصول بشكل منهجي على بيانات NMRD على نطاق أصغر من المجالات المغناطيسية (0.25 مليون متر مربع إلى 1 T). ويتم ذلك عن طريق تغيير بسرعة المجال المغناطيسي نفسه، وليس موقع العينة في المجال المغناطيسي. لذلك، يمكن أن تكون ممغنطة عينة في قوة حقل عالية، “استرخاء” في قوة مجال أقل، ومن ثم قياسها عن طريق الحصول على الحرة التعريفي الاضمحلال في حقل ثابت (وتردد Larmor) لتحقيق أقصى قدر من الإشارة. وهذا يعني أنه يمكن التحكم في درجة حرارة العينة أثناء القياس، ولا يحتاج مسبار NMR إلى ضبطه في كل مجال استرخاء يعزز الاكتساب التلقائي على نطاق المجال المغناطيسي بأكمله.
مع تركيز جهودنا على آثار الاستغناء عن الحلول الشديدة الاستقطاب ونقلها في المجالات المغناطيسية المنخفضة، يقدم هذا العمل منهجية مفصلة لقياس وقت الاسترخاء تدور شعرية من فرط الاستقطاب 13C-بيروفات باستخدام سريع مجال ركوب الدراجات relaxometry للمجالات المغناطيسية في نطاق 0.237 mT إلى 0.705 T. وقد سبق عرض النتائج الرئيسية لاستخدام هذه المنهجية ل[1-13C]pyruvate34 و 13C-المخصب الصوديوم والسيزيوم بيكربونات35 حيث عوامل أخرى مثل التركيز الجذري وحلها درجة الحموضة لديها كما تمت دراستها.
Protocol
Representative Results
Discussion
استخدام DNP لتعزيز اكتساب إشارة هو حل تقني لعدم كفاية إشارة الرنين المغناطيسي المتاحة من النوى 13C بتركيزات محدودة، مثل تلك المستخدمة في حقن الحيوانات، ولكن يطرح تحديات تجريبية أخرى. ويمثل كل قياس للاسترخاء المبين في الشكل 7 مقياساً لعينة معدة بشكل فريد لأنه لا يمكن إع?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا معهد أونتاريو لبحوث السرطان وبرنامج ترجمة التصوير ومجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية في كندا على تمويل هذا البحث. كما نود أن نعترف بالمناقشات المفيدة مع ألبرت تشين، جنرال إلكتريك للرعاية الصحية، تورونتو، كندا، جياني فيرانتي، ستالار s.r.l.، إيطاليا، ووليام ماندر، أكسفورد للأدوات، المملكة المتحدة.
Materials
| [1-13C]Pyruvic Acid | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 677175 | |
| 10mm NMR Tube | Norell, Inc., Morganton NC, USA | 1001-8 | |
| De-ionized water | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | E5134 | |
| HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Includes the following: "DNP-NMR Polarizer" software used to control and monitor the whole DNP polarizer; "RINMR" used to monitor the solid state polarization levels; "HyperTerminal" used to communicate the DNP software with the RINMR software that monitors the solid state polarization level. Also includes the MQC bench top spectrometer to monitor the liquid state polarization in conjunction with it own RINMR software | |
| MATLAB R2017b | MathWorks, Natick, MA | Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid. | |
| OX063 Triarylmethyl radical | Oxford Instruments, Abingdon, UK | ||
| pH meter – SympHony | VWR International, Mississauga, ON., Canada | SB70P | |
| ProHance | Bracco Diagnostics Inc. | Gadoteridol, Gd-HP-DO3A | |
| Pure Ethanol (100% pure) | Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada | P016EAAN | |
| Shim Coil | Developed in-house | ||
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S7653 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S8045 | |
| SpinMaster FFC2000 1T C/DC | Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy | Includes the software "AcqNMR" that is used to set experimental parameters, monitor the tuning and matching of the RF coil, loading different pulse sequences, calibrate flip angle, data acquisition and curve fitting, among other functions. Also includes a depth gauge, some weights and a depth stopper. | |
| Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T7943 |
References
- Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis. 암 연구학. 66 (22), 10855-10860 (2006).
- Witney, T. H., Brindle, K. M. Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).
- Kurhanewicz, J., et al. Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
- Golman, K., et al. Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).
- Golman, K., in ‘t Zandt, R., Thaning, M. Real-time metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).
- Day, S. E., et al. Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (2), 557-563 (2011).
- Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).
- Wilson, D. M., et al. Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. Journal of Magnetic Resonance. 205 (1), 141-147 (2010).
- Gallagher, F. A., et al. Production of hyperpolarized [1,4-13C2]malate from [1,4-13C2]fumarate is a marker of cell necrosis and treatment response in tumors. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 106 (47), 19801-19806 (2009).
- Chen, A. P., et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).
- Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Day, S. E., Lerche, M., Brindle, K. M. 13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine. Magnetic Resonance in Medicine. 60 (2), 253-257 (2008).
- Ardenkjaer-Larsen, J. H., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10158-10163 (2003).
- Ishii, M., et al. Hyperpolarized 13C MRI of the pulmonary vasculature and parenchyma. Magnetic Resonance in Medicine. 57 (3), 459-463 (2007).
- Lau, A. Z., Chen, A. P., Cunningham, C. H. Integrated Bloch-Siegert B(1) mapping and multislice imaging of hyperpolarized (1)(3)C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 67 (1), 62-71 (2012).
- Lau, A. Z., et al. Rapid multislice imaging of hyperpolarized 13C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1323-1331 (2010).
- Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. Molecular imaging with endogenous substances. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).
- Johansson, E., et al. Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).
- Johansson, E., et al. Perfusion assessment with bolus differentiation: a technique applicable to hyperpolarized tracers. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1043-1051 (2004).
- Albers, M. J., et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. 암 연구학. 68 (20), 8607-8615 (2008).
- Chen, A. P., et al. Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1099-1106 (2007).
- Lupo, J. M., et al. Analysis of hyperpolarized dynamic 13C lactate imaging in a transgenic mouse model of prostate cancer. Magnetic Resonance Imaging. 28 (2), 153-162 (2010).
- von Morze, C., et al. Imaging of blood flow using hyperpolarized [(13)C]urea in preclinical cancer models. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).
- Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 66 (2), 505-519 (2011).
- Park, I., et al. Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (6), 1284-1290 (2011).
- Bohndiek, S. E., et al. Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Molecular Cancer Therapeutics. 9 (12), 3278-3288 (2010).
- Witney, T. H., et al. Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate. British Journal of Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).
- Levitt, M. H. . Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance. , (2001).
- Mieville, P., Jannin, S., Bodenhausen, G. Relaxometry of insensitive nuclei: optimizing dissolution dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 210 (1), 137-140 (2011).
- Redfield, A. G. Shuttling device for high-resolution measurements of relaxation and related phenomena in solution at low field, using a shared commercial 500 MHz NMR instrument. Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 753-768 (2003).
- Grosse, S., Gubaydullin, F., Scheelken, H., Vieth, H. -. M., Yurkovskaya, A. V. Field cycling by fast NMR probe transfer: Design and application in field-dependent CIDNP experiments. Applied Magnetic Resonance. 17 (2), 211-225 (1999).
- Kimmich, R., Anoardo, E. Field-cycling NMR relaxometry. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 44 (3-4), 257-320 (2004).
- Guðjónsdóttir, M., Belton, P., Webb, G. . Magnetic Resonance in Food Science: Challenges in a Changing World. , 65-72 (2009).
- Anoardo, E., Galli, G., Ferrante, G. Fast-field-cycling NMR: Applications and instrumentation. Applied Magnetic Resonance. 20 (3), 365-404 (2001).
- Chattergoon, N., Martinez-Santiesteban, F., Handler, W. B., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Scholl, T. J. Field dependence of T1 for hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Contrast Media & Molecular Imaging. 8 (1), 57-62 (2013).
- Martínez-Santiesteban, F. M., Dang, T. P., Lim, H., Chen, A. P., Scholl, T. J. T1 nuclear magnetic relaxation dispersion of hyperpolarized sodium and cesium hydrogencarbonate-13C. NMR in Biomedicine. 30 (9), 3749 (2017).
