Numérisation rapide résonance paramagnétique électronique ouvre de nouvelles voies pour l'imagerie physiologiquement Paramètres importants<em> In Vivo</em
Summary
Une méthode, rapide balayage EPR (RS-EPR) nouvelle résonance paramagnétique électronique (EPR), est mise en évidence pour la 2D imagerie spatiale spectrale qui est supérieure à la technique traditionnelle onde continue (CW) et ouvre de nouveaux espaces pour l' imagerie in vivo. Les résultats sont démontrés à 250 MHz, mais la technique est applicable à toute fréquence.
Abstract
Nous démontrons une méthode supérieure d'imagerie 2D spectral-spatial des molécules rapporteurs radicalaires stables à 250 MHz à l' aide d' électrons paramagnétique résonance rapide balayage (RS-EPR), qui peut fournir des informations quantitatives dans des conditions in vivo de la concentration en oxygène, le pH, le potentiel redox le statut et la concentration des molécules de signalisation (ie, OH •, NO •). La technique RS-EPR a une sensibilité plus élevée, une meilleure résolution spatiale (1 mm), et la réduction du temps d'acquisition par rapport à la technique standard onde continue (CW). Une variété de configurations de fantômes ont été testées, avec une résolution spatiale variant de 1 à 6 mm, et la largeur spectrale des molécules rapporteuses allant de 16 pT (160 mg) à 5 mT (50 G). Un croisement en boucle résonateur bimode découple excitation et de détection, réduisant ainsi le bruit, tandis que l'effet de balayage rapide permet une plus grande puissance d'être entrées dans le système de spin avant saturation, ce qui augmente le signal RPE. Ceconduit à un taux sensiblement plus élevé signal à bruit que dans les expériences CW EPR classiques.
Introduction
Par rapport à d' autres modalités d'imagerie médicale, l' imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPRI) est uniquement en mesure de quantitativement l' image des propriétés physiologiques , y compris pH 1-3, pO 2 4-7 température 8, la perfusion et la viabilité des tissus 9, microviscosité et la facilité de diffusion de de petites molécules 10 et stress oxydatif 11. Estimation de la facilité de clivage du disulfure de glutathion (GSH) dans les tissus et les cellules 12,13 peut présenter sur l' état d'oxydo – réduction. Pour l' imagerie in vivo, l' EPR dans la gamme de fréquences comprise entre 250 MHz et 1 GHz est choisie car ces fréquences donnent une profondeur suffisante de pénétration des tissus (jusqu'à plusieurs cm) pour générer des images pour les petits animaux dans lesquels les intensités ne sont pas diminuées par des effets de perte diélectrique. Des fréquences plus élevées, telles que 9,5 GHz 14 (bande X) et 17 GHz (bande K u) 15,16 peuvent être utilisés pour l' imagerie de la peau et des cheveux ou des cellules individuelles, respectivement. Le succès de l'EPRI à toutes les fréquences dépend des sondes de spin paramagnétique qui sont spécifiques pour les tissus de sorte que leur emplacement et sort peut être imagé.
Si l'environnement d'une sonde de spin électronique est spatialement hétérogène, le spectre RPE est la somme des contributions de tous les endroits. L' imagerie spectrale spatiale divise le volume de l'échantillon dans une matrice de petits segments spatiaux et calcule le spectre RPE pour chacun de ces segments 17. Ceci permet la cartographie de l'environnement local, en mesurant la variation spatiale dans le spectre RPE. gradients de champ magnétique sont utilisés pour coder l'information spatiale en spectres EPR, qui sont appelées projections. L'image spectrale spatiale est reconstruite à partir de ces projections 18,19.
En RS-EPR le champ magnétique est balayée par la résonance dans un temps qui est court par rapport à des temps de relaxation de spin électronique (Figure 2) 20,21. ré econvolution du signal de balayage rapide donne le spectre d'absorption, ce qui est équivalent à la première intégrale du spectre CW premier dérivé classique. Le signal de balayage rapide est détecté en quadrature, de sorte que les deux éléments d'absorption et de dispersion de la réponse du système de spin sont mesurés. Ceci est essentiellement la collecte de deux fois la quantité de données par unité de temps. Saturation du signal dans une expérience de balayage rapide se produit à des puissances plus élevées que pour la CW, donc des puissances plus élevées peuvent être utilisées sans se soucier de la saturation. 20,22 Beaucoup plus moyennes peuvent être effectués par unité de temps par rapport à CW. Plus de puissance, la détection directe de quadrature et plus en moyenne par unité de temps se combinent pour donner scan rapide un meilleur rapport (SNR) signal-bruit, en particulier à des projections élevées de gradient qui définissent la séparation spatiale, conduisant à des images de qualité. Pour atteindre environ le même SNR pour une image d'un fantôme nécessaire environ 10 fois plus longtemps pour CW que pour le balayage rapide 23.
Tente "> L'augmentation de SNR permet également des expériences à 250 MHz avec des adduits de piégeage concentration de spin faible formés par la réaction de OH avec du 5-tert-butoxycarbonyl-5-méthyl-1-pyrroline- N – oxyde (BMPO-OH) qui serait Dinitroxides invisibles à la méthode CW 24. connectés à un groupe de liaison disulfure sont sensibles au clivage par le glutathion, et peuvent donc rendre compte de l' état redox cellulaire. l' équilibre existe, dépendant de la concentration de glutathion présente, entre les formes di- et un radical mono. l'observation de ces changements nécessite la capture de l'ensemble de 5 mT large spectre, et peut être réalisé beaucoup plus rapidement avec le balayage rapide EPR par rapport à intensifier le champ magnétique dans une expérience CW.Un système complet de balayage rapide se compose de quatre parties: le spectromètre, l'aimant de champ principal, le conducteur de la bobine de balayage rapide, et le balayage rapide contre-boucle résonateur. Le spectromètre et le fonctionnement de l'aimant de champ principal le même que dans une expérience CW, définissant le champ de Zeeman principalet la collecte des données à partir du résonateur. Le conducteur de la bobine de balayage rapide génère le courant de balayage sinusoïdal qui va dans les bobines de balayage rapides spécialement conçus sur le balayage rapide contre-boucle résonateur. Les bobines de balayage rapide du balayage transversal résonateur à boucle rapide génèrent un champ magnétique homogène, qui est balayée à des fréquences comprises entre 3 et 15 kHz.
Protocol
Representative Results
Discussion
signaux Rapid-scan ont des composantes de fréquence que CW, et nécessitent une largeur de bande de résonateur plus grande en fonction des largeurs de ligne, les temps de relaxation, et la vitesse des rapides-scans. La bande passante requise pour une expérience donnée est basée sur la largeur de raie et la vitesse de balayage du champ magnétique (équation 2). En fonction des temps de relaxation de la sonde à l'étude (T 2 et T 2 *) et la vitesse de balayage, les oscillations peuvent app…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Prise en charge partielle de ce travail par le NIH accorde NIBIB EB002807 et CA177744 (GRE et SSE) et P41 EB002034 au GRE, Howard J. Halpern, PI, et par l'Université de Denver est appréciée. Mark Tseytlin a été soutenu par le NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. Les auteurs remercient Valery Khramtsov, maintenant à l'Université de Virginie-Occidentale, et Illirian Dhimitruka à l'Ohio State University pour la synthèse des radicaux TAM sensibles au pH et à Gerald Rosen et Joseph Kao à l'Université du Maryland pour la synthèse de l'mHCTPO , PROXYL, BMPO et les radicaux 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 |
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