ראפיד סריקת אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה פותחת אפיקים חדשים עבור פרמטרים חשובים מבחינת פיזיולוגית ההדמיה<em> In vivo</em
Summary
תהודה מגנטית אלקטרונית חדשה (EPR) שיטה, מהירה סריקה EPR (RS-EPR), מודגם הדמיה מרחבית רפאים 2D אשר עדיפה על גל מתמשך המסורתית (CW) טכניקה ופותח מקומות חדשים בתחום ההדמיה vivo. תוצאות הם הפגינו ב 250 MHz, אבל הטכניקה ישימה בתדירות כלשהי.
Abstract
אנו מדגימים שיטה מעולה של הדמיה ספקטרלית-מרחבית 2D של מולקולות כתב רדיקליות יציבות ב 250 MHz באמצעות מהירה אלקטרוני סורק-פאראמגנטיים תהודה (RS-EPR), אשר יכול לספק מידע כמוני בתנאי vivo ב על ריכוז חמצן, pH, חיזור מצב וריכוז של מולקולות איתות (כלומר, OH •, NO •). טכניקת RS-EPR יש רגישות גבוהה יותר, רזולוציה מרחבית משופרת (1 מ"מ), וזמן רכישה קצר בהשוואת גל מתמשך הסטנדרטית (CW) הטכניקה. מגוון תצורות פאנטום נבדקו, עם רזולוציה מרחבית משתנה מ -1 עד 6 מ"מ, רוחב ספקטרלי של מולקולות הכתב החל 16 μT (160 מ"ג) עד 5 MT (50 G). מהוד bimodal צולבת לולאה decouples עירור וגילוי, הפחתת הרעש, בעוד השפעת הסריקה המהירה מאפשרת יותר כוח להיות קלט למערכת הספין לפני הרוויה, הגדלת אות EPR. זֶהמוביל יחס אות לרעש גבוה משמעותי בניסויי CW EPR קונבנציונליים.
Introduction
ביחס שיטות הדמיה רפואיות אחרות, הדמיה פאראמגנטיים תהודה אלקטרונים (EPRI) הוא מסוגל באופן ייחודי תמונה כמותית המאפיינים הפיזיולוגיים כולל pH 1-3, PO 2 4-7, טמפרטורה 8, זלוף ואת הכדאיות של רקמות 9, microviscosity וקלות דיפוזיה של מולקולות קטנות 10 ו חמצוני מתח 11. הערכת וקלות מחשוף דיסולפיד ידי גלוטתיון (GSH) ב רקמות ותאים 12,13 יכול לדווח על מצב חיזור. עבור הדמיה in vivo, EPR בתחום התדרים בין 250 מגה-הרץ ו -1 GHz נבחר בגלל תדרים אלה מספקים עומק מספיק של חדירה לרקמות (עד כמה ס"מ) כדי לייצר הדמיות לבעלי חיים קטנים שבו עוצמות הם לא פחתה על ידי אפקטים הפסד דיאלקטרי. בתדרים גבוהים יותר, כגון 9.5 GHz 14 (X-band) ו -17 ג'יגה-הרץ (K u -band) 15,16 יכול לשמש הדמיה של העור והשיער או תאים בודדים, בהתאמה. ההצלחה של EPRI בכל התדרים תלויה בדיקות ספין פאראמגנטיים ומתאימות עבור רקמות, כך שהמיקום שלו וגורלו עלול להיות צלמו.
אם הסביבה של חללית ספין אלקטרון היא הטרוגני מרחבית, ספקטרום EPR הוא הסכום של תרומות מכל המקומות. הדמיה ספקטרלית-מרחבי מחלק את של נפח הדגימה לתוך מערך של מגזרים מרחבית קטנים ומחשבת את ספקטרום EPR עבור כל אחד מהתחומים אלה 17. זה מאפשר מיפוי של הסביבה המקומית, מדידת וריאציה המרחבית בספקטרום EPR. הדרגתיים שדה מגנטיים משמשים לקידוד מידע מרחבים לתוך ספקטרום EPR, אשר נקראים תחזיות. תמונת הרפאים-מרחבים הוא משוחזרת תחזיות אלה 18,19.
ב- RS-EPR השדה המגנטי נסרק באמצעות תהודה בתוך זמן כי היא יחסית קצרה פעמים הרפיה ספין האלקטרון (איור 2) 20,21. D econvolution של האות המהירה הסריקה נותן את ספקטרום הספיגה, שהוא שווה ערך ל האינטגרל הראשון של הספקטרום ראשון נגזר CW הקונבנציונלי. האות המהירה הסריקה מזוהית נצב, כך ששני רכיבי הקליטה ופיזור של תגובת מערכת הספין נמדדים. זה בעצם אוסף פעמים את כמות הנתונים ליחידה זמן. הרוויה של האות בניסוי סריקה מהיר קורית סמכויות גבוהות יותר עבור CW, ולכן ניתן להשתמש כוחות עליונים ללא חשש רוויה. 20,22 ממוצעים רבים ניתן לעשות יותר ליחידה זמן בהשוואת CW. כוח עליון, זיהוי נצב ישיר ועוד ממוצעים ליחידה זמן לשלב לתת סריקה מהירה, יחס אות לרעש (SNR), במיוחד שיפוע גבוה תחזיות מגדירי פרדה מרחבית, המוביל באיכות גבוהה תמונות טוב יותר. כדי להשיג בערך באותו יחס אות לרעש עבור תמונה של רוח רפאים נדרש כ -10 פעמים, כל עוד עבור CW ובאשר סריקה מהירה 23.
אוהל "> ה- SNR גדל גם מאפשר ניסויים ב 250 MHz עם adducts מלכודת ספין ריכוז נמוך נוצר על ידי תגובה של OH עם 5-טרט-butoxycarbonyl-5-מתיל-1-pyrroline- -oxide N (BMPO-OH) אשר יהיה סמוי מן שיטת CW 24. Dinitroxides מחובר עם מקשר דיסולפיד רגיש מחשוף ידי גלוטתיון, ולכן יכול לדווח על מצב חיזור הסלולר. שיווי משקל קיים, תלוי בריכוז של הווה גלוטתיון, בין צורות דוּ וחד-רדיקליים. התבוננות שינויים אלה דורש ללכוד של ספקטרום 5 mT הרחב במלואו, והוא יכול להיות מושגת הרבה יותר מהר עם EPR סריקה מהירה לעומת דריכת השדה המגנטי ניסוי CW.מערכת סריקה מהירה מלאה מורכבת מארבעה חלקים: ספקטרומטר, מגנט השדה הראשי, נהג סליל הסריקה המהיר, ואת המהוד צולב לולאת סריקה המהירה. ספקטרומטר ופונקצית מגנט השדה הראשי הזהה בניסוי CW, הגדרת שדה זימן הראשיואיסוף הנתונים מן המהוד. נהג סליל הסריקה המהיר מייצר זרם סריקת סינוסי שהולך לפקעות סריקה מהירות במיוחד על המהוד צולב לולאת סריקה המהירה. הסלילים סריקה מהירה על מהוד צולבות לולאה סריקה מהירה ליצירת שדה מגנטי הומוגני גדול, אשר נסחף בתדרים בין 3 ל 15 קילוהרץ.
Protocol
Representative Results
Discussion
אותות Rapid-סריקה יש רכיבי תדר גבוהים יותר CW, ודורשים רוחב פס מהוד גדול תלוי linewidths, פעמי הרפיה, ואת המהירות של סריקות המהירות. רוחב הפס הנדרש בניסוי נתון מבוסס על linewidth ואת קצב הסריקה של השדה המגנטי (משוואה 2). בהתאם פעמי ההרפיה של החללית נחקרת (T 2 ו- T 2 *), ואת קצב ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תמיכה חלקית של עבודה זו על ידי NIH מענקים NIBIB EB002807 ו CA177744 (GRE ו SSE) ו P41 EB002034 כדי GRE, הווארד ג 'הלפרן, PI, ועל ידי אוניברסיטת דנבר היא הודתה בהכרת תודה. מארק Tseytlin נתמכה על ידי NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. המחברים מודים ולרי Khramtsov, עכשיו באוניברסיטת וירג'יניה המערבית, ואת Illirian Dhimitruka באוניברסיטת אוהיו לסינתזה של רדיקלים TAM pH רגיש, וכדי ג'רלד רוזן יוסף קאו באוניברסיטת מרילנד לסינתזה של mHCTPO , proxyl, BMPO ורדיקלים 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).
