JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

Быстрое сканирование электронного парамагнитного резонанса открывает новые возможности для обработки изображений Физиологически Важные параметры<em> В 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

Метод новый метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), быстрое сканирование ЭПР (RS-ЭПР), демонстрируется для 2D спектральной пространственной визуализации , которая превосходит традиционные непрерывного излучения (CW) техники и открывает новые места для визуализации в естественных условиях. Результаты продемонстрированы на частоте 250 МГц, однако данный метод применим при любой частоте.

Abstract

Мы демонстрируют превосходный метод 2D спектрально-пространственной визуализации стабильных радикалов репортерных молекул на частоте 250 МГц с использованием быстрого сканирования электронно-парамагнитного резонанса (RS-ЭПР), который может предоставить количественную информацию в условиях , в естественных условиях от концентрации кислорода, рН, окислительно – восстановительного статус и концентрация сигнальных молекул (то есть, ОН •, • NO). Методика RS-EPR имеет более высокую чувствительность, улучшенную пространственную разрешающую способность (1 мм) и более короткое время сбора данных по сравнению со стандартной непрерывной волны (CW) технике. Разнообразие конфигураций фантомных были протестированы, с пространственным разрешением от 1 до 6 мм, и шириной спектра молекул репортера в пределах от 16 мкТл (160 мг) до 5 мТл (50 г). Перекрестная петля бимодальный резонатор разъединяет возбуждения и обнаружения, снижения шума, в то время как быстрый эффект сканирования позволяет больше мощности для ввода в спиновой системе до насыщения, увеличивая сигнал ЭПР. Этаприводит к значительно более высоким отношением сигнала к шуму, чем в обычных экспериментах CW ЭПР.

Introduction

По сравнению с другими методами медицинской визуализации, электронного парамагнитного резонанса (EPRI) обладает уникальной возможностью количественно изображения физиологические свойства , включая рН 1-3, РО2 4-7, температура 8, перфузии и жизнеспособности тканей 9, микровязкости и легкость диффузии малые молекулы 10 и окислительного стресса 11. Оценка легкости дисульфида расщепления глутатиона (GSH) в тканях и клетках 12,13 могут сообщать о состоянии окислительно – восстановительной. Для визуализации в естественных условиях, ЭПР в диапазоне частот от 250 МГц до 1 ГГц , выбран потому , что эти частоты обеспечивают достаточную глубину проникновения в ткани (до нескольких см) , чтобы генерировать изображения для мелких домашних животных , в которых интенсивности не уменьшалось диэлектрическими эффектами потери. Более высокие частоты, такие как 9,5 ГГц 14 (Х-диапазона) и 17 ГГц (K U -полоее) 15,16 могут быть использованы для получения изображения кожи и волос или отдельных клетокСоответственно. Успех EPRI на всех частотах зависит от парамагнитных спиновых зондов, которые являются специфическими для тканей, так что может быть изображаемых их местонахождение и судьба.

Если среда спина электрона зонда пространственно неоднородны, спектр ЭПР является суммой вкладов от всех мест. Спектрально-пространственная визуализация делит объем образца в массив небольших пространственных сегментов и вычисляет спектр ЭПР для каждого из этих сегментов 17. Это позволяет отображение локальной среды путем измерения пространственных изменений в спектре ЭПР. Магнитные градиенты поля используются для кодирования пространственной информации в спектрах ЭПР, которые называются проекции. Спектрально-пространственное изображение восстанавливается из этих проекций 18,19.

В RS-ЭПР магнитное поле сканируется через резонанс во время, коротка по сравнению с временами релаксации спина электрона (рис 2) 20,21. D econvolution сигнала быстродействующего сканирования дает спектр поглощения, что эквивалентно первому интегралу от обычной первой производной спектра CW. Сигнал быстрого сканирования обнаруживается в квадратуре, так что оба поглощения и дисперсии компоненты реакции спиновой системы измеряются. Это, по существу, сбор в два раза объем данных в единицу времени. Насыщение сигнала в быстром эксперименте развертки происходит при больших мощностях , чем для CW, так что высшие силы могут быть использованы без заботы о насыщении. 20,22 Многие другие средние может быть сделано в единицу времени по сравнению с CW. Более высокая мощность, прямое обнаружение квадратурной и больше в среднем за единицу времени объединяются, чтобы дать быстрое сканирование лучший сигнал-шум (SNR), особенно при высоких проекций градиента, которые определяют пространственное разделение, что приводит к более высоким качеством изображения. Для достижения примерно такой же SNR для изображения фантома требуется примерно в 10 раз до тех пор , как для CW для быстрого сканирования 23.

палатка "> Увеличенный SNR также позволяет эксперименты на частоте 250 МГц с низкой ловушки аддуктов концентрации спинов , образующихся в результате реакции ОН с 5-трет-бутоксикарбонил-5-метил-1-pyrroline- N -оксид (BMPO-ОН) , который будет невидимые для метода CW 24. Dinitroxides , связанные с дисульфидным линкером чувствительны к расщеплению глутатиона, и таким образом может сообщать о состоянии клеточного редокс. Равновесие существует, зависит от концентрации глутатиона настоящее время между ди- и моно-радикальных форм. Соблюдение этих изменений требует захват всего 5 мТл широкого спектра, и может быть достигнуто гораздо быстрее с ЭПР быстрое сканирование по сравнению с степпинг магнитного поля в эксперименте CW.

Полная система быстрого сканирования состоит из четырех частей: спектрометр, основное поле магнита, быстрый водитель катушки сканирования, и резонатор кросс-петля быстрое сканирование. Спектрометр и функция главный возбуждающий магнит таким же, как в эксперименте CW, установив основной зеемановскую полеи сбор данных из резонатора. Быстрое сканирование драйвер катушки генерирует ток синусоидальной развертки, который входит в специально разработанных быстрых катушек проверки по резонаторе кросс-петли быстрого сканирования. Быстрые катушки проверки по быстрой развертки резонатора кросс-петлевой генерировать большое однородное магнитное поле, которое будет выброшено на частотах от 3 до 15 кГц.

Protocol

1. Настройка драйвера Быстрое сканирование катушки на частоте 250 МГц Расчет быстрого сканирования экспериментальных условиях Примечание: Наиболее важным параметром в RS-EPR является скорость сканирования, α, которая является произведением частоты развертки и ширины с…

Representative Results

Продукт эксперимента представляет собой набор проекций, которые реконструируются в двумерную (одна спектральная, один пространственный) изображения с ложной цветовой гаммы для представления амплитуды сигнала. Темно-синий обозначает базовый уровень, где сигнал не п?…

Discussion

Сигналы Rapid-сканирования имеют более высокие частотные составляющие, чем CW, и требуют большей пропускной способности резонатора в зависимости от ширин, времен релаксации, а также скорость быстрых-сканов. Полоса пропускания, необходимая для данного эксперимента основан на ширину линии…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Частичная поддержка этой работы NIH предоставляет NIBIB EB002807 и CA177744 (GRE и SSE) и P41 EB002034 к GRE, Howard J. Гальперном, PI и Университетом Денвере с благодарностью. Марк Цейтлин был поддержан NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. Авторы благодарны Валерию Храмцов, в настоящее время в Университете Западной Вирджинии, и Illirian Dhimitruka в Университете штата Огайо для синтеза рН чувствительных радикалов ТАМ, и Джеральд Розен и Джозеф Као в Университете штата Мэриленд для синтеза mHCTPO , proxyl, BMPO и nitronyl радикалы.

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

Referências

  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 ResearchPesquisa do CâncerTumor EnvironmentContinuous Wave EPRRapid-scan Experimental ConditionsResonator BandwidthRapid-scan Coil DriverN-15 PDTBMPOHydrogen PeroxideUV Irradiation
check_url/pt/54068?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image