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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |