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Bioengineering

Rapid-Scan-Elektronenspinresonanz eröffnet neue Wege für Imaging Physiologisch Wichtige Parameter<em> In 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

Eine neue Elektronenspinresonanz (EPR) Verfahren, schnelle Scan – EPR (RS-EPR) wird für 2D – spektrale räumliche Abbildung gezeigt , die auf die traditionelle kontinuierliche Welle (CW) Technik überlegen ist , und eröffnet neue Orte für in – vivo – Bildgebung. Die Ergebnisse werden bei 250 MHz gezeigt, aber die Technik ist bei jeder Frequenz anwendbar.

Abstract

Wir zeigen ein überlegenes Verfahren zur 2D – spektral-räumlichen Abbildung von stabilen Rest Reportermoleküle bei 250 MHz unter Verwendung von Rapid-Scan – Elektronen-paramagnetischen-Resonanz (RS-EPR), die quantitative Informationen unter in vivo – Bedingungen auf die Sauerstoffkonzentration liefern kann, pH, Redox Status und die Konzentration der signal~~POS=TRUNC (dh OH •, NO •). Die RS-EPR-Technik eine höhere Empfindlichkeit, eine verbesserte räumliche Auflösung (1 mm) und kürzere Erfassungszeit im Vergleich zu der Standard-Dauerstrich (CW) -Technik. Eine Vielzahl von Phantom Konfigurationen wurden mit räumlicher Auflösung getestet, die 1 bis 6 mm variiert, und die spektrale Breite der Reportermoleküle im Bereich von 16 uT (160 mG) bis 5 mT (50 G). Ein Quer Schleife bimodale Resonator abkoppelt Anregung und Detektion, das Rauschen zu reduzieren, während der schnelle Scan-Effekt mehr Leistung ermöglicht vor der Sättigung Eingabe in das Spin-System sein, das EPR-Signal zu erhöhen. Diesführt zu einer wesentlich Signal-zu-Rausch-Verhältnis höher ist als in herkömmlichen Versuchen CW EPR.

Introduction

Im Vergleich zu anderen medizinischen Bildgebungsverfahren, Elektronenspintomographie (EPRI) ist einzigartig in der Lage , um quantitativ Bild physiologischen Eigenschaften , einschließlich pH 1-3, pO 2 4-7 Temperatur 8, Perfusion und Lebensfähigkeit von Gewebe 9, Mikroviskosität und einfache Verbreitung von kleine Moleküle 10 und oxidativen Stress 11. Die Einschätzung der Leichtigkeit der Disulfid – Spaltung durch Glutathion (GSH) in Gewebe und Zellen 12,13 auf Redox – Status melden. Für in – vivo – Bildgebung, EPR im Frequenzbereich zwischen 250 MHz und 1 GHz gewählt wird , da diese Frequenzen eine ausreichende Tiefe der Gewebepenetration bereitzustellen (bis zu einigen cm) Bilder für kleine Tiere zu erzeugen , in der Intensitäten sind nicht durch dielektrische Verlusteffekte vermindert. Höhere Frequenzen, wie beispielsweise 9,5 GHz 14 (X-Band) und 17 GHz (K u -Band) 15,16 können zur Bildgebung von Haut und Haar oder einzelne Zellen verwendet werden ,, beziehungsweise. Der Erfolg von EPRI bei allen Frequenzen hängt von paramagnetischen Spin-Sonden, die für Gewebe spezifisch sind, so dass ihre Position und Schicksal abgebildet werden kann.

Wenn die Umgebung eines Elektronenspinsonde räumlich heterogen ist, ist das ESR-Spektrum der Summe der Beiträge von allen Standorten. Spectral-räumliche Abbildung teilt das Volumen der Probe in ein Array von kleinen räumlichen Segmente und berechnet das EPR – Spektrum für jedes dieser Segmente 17. Dies ermöglicht die Zuordnung der lokalen Umgebung durch die räumliche Variation in der EPR-Spektrum zu messen. Magnetfeldgradienten verwendet räumliche Informationen in EPR-Spektren zu kodieren, die Projektionen genannt werden. Die spektrale-räumliches Bild wird aus diesen Projektionen 18,19 rekonstruiert.

In RS-EPR wird das Magnetfeld durch Resonanz in einer Zeit abgetastet , die kurz relativ zur Elektronenspin Relaxationszeiten (Abbildung 2) 20,21 ist. D econvolution des Schnellscansignal gibt das Absorptionsspektrum, das mit dem ersten Integral des herkömmlichen ersten Ableitung CW-Spektrum entspricht. Die S-Scan-Signal in Quadratur erfaßt wird, so daß beide Absorptions- und Dispersionskomponenten des Spinsystems Antwort gemessen werden. Dies ist das Sammeln im wesentlichen die doppelte Datenmenge pro Zeiteinheit. Die Sättigung des Signals in einem schnellen Scan Experiment geschieht bei höheren Leistungen als für CW, so höhere Leistungen können für die Sättigung ohne Bedenken verwendet werden. 20,22 Viele weitere Mittelwerte pro Zeiteinheit im Vergleich zu CW getan werden kann. Höhere Leistung, direkte Quadraturerfassung und mehr Mittelwerte pro Zeiteinheit kombinieren schnelle Scan ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu geben, insbesondere bei hohen Gradienten Projektionen, die räumliche Trennung zu definieren, um eine höhere Bildqualität führt. Zu erreichen , etwa die gleiche SNR für ein Bild eines Phantoms etwa 10 mal erforderlich , so lange für CW wie für die schnelle Abtastung 23.

Zelt "> Die erhöhte SNR ermöglicht auch Experimente bei 250 MHz mit geringer Konzentration Spin – Trap – Addukte , die durch die Reaktion von OH mit 5-tert-Butoxycarbonyl-5-methyl-1-pyrroline- N -Oxid (BMPO-OH) , die gebildet würde unsichtbar für die CW – Methode 24. Dinitroxides mit einem Disulfid – Linkers verbunden sind empfindlich gegenüber Spaltung durch Glutathion, und kann auf die zelluläre Redox – Status so melden. Equilibrium, abhängig von der Konzentration von Glutathion vorhanden, zwischen den di- und mono-Radikal Formen existiert. diese Änderungen beobachten erfordert Erfassung des gesamten 5 mT breites Spektrum und kann viel schneller mit einer schnellen Scan EPR im Vergleich zu Schritt das Magnetfeld in einem CW-Experiment erreicht werden.

Eine vollständige schnelle Scan-System besteht aus vier Teilen: dem Spektrometer, das Hauptfeldmagneten, der schnelle Scan-Spulentreiber und die schnelle Scan Quer Schleifen-Resonator. Das Spektrometer und die Hauptfeldmagneten haben die gleiche Funktion wie in einem CW-Experiment, das Haupt Zeeman-Feld Einstellungund Sammeln der Daten von dem Resonator. Die schnelle Scan-Spulentreiber erzeugt die Sinus Scan Strom, der auf den schnellen Scan Quer Schleifenresonators in speziell entwickelten schnellen Scan-Spulen geht. Die schnellen Abtastspulen auf der schnellen Scanquer loop Resonators erzeugen einen großen homogenen Magnetfeld, das bei Frequenzen zwischen 3 und 15 kHz gewobbelt wird.

Protocol

1. Aufbau des Rapid-Scan-Coil-Treiber bei 250 MHz Berechnung von Rapid Scan Experimentelle Bedingungen Hinweis: Der wichtigste Parameter in RS-EPR ist Abtastrate, α, die das Produkt der Scanfrequenz und Scanbreite (Gleichung 3). Für schmale Scanbreiten, schnellere Abtastraten verwendet werden, und für eine breitere Sweep Breiten, langsamer Abtastraten verwendet werden. Die folgenden Anweisungen Schritt für Schritt durch den letzteren Fall und zeigen, wie bei den experimentellen Spu…

Representative Results

Das Produkt des Experiments ist ein Satz von Projektionen, die in zweidimensionale rekonstruiert werden (eine Spektrallinie, eine räumliche) Bilder mit einer falschen Farbskala Signalamplitude zu repräsentieren. Deep blue bezeichnet Baseline, wo kein Signal vorhanden ist, grün ist geringer Amplitude und Rot ist am höchsten. Scheiben entlang der x-Achse (spektrale Dimension) zeigen das Signal EPR (EPR-Übergang) auf einer Magnetfeldachse. Entlang der y-Achse (räumliche Abmessung), di…

Discussion

Rapid-Scan-Signale haben eine höhere Frequenzkomponenten als CW, und erfordern eine größere Resonatorbandbreite auf Linienbreite abhängig, Ruhezeiten und die Geschwindigkeit der S-Scans. Die Bandbreite für ein bestimmtes Experiment erforderlich ist, basierend auf der Linienbreite und der Abtastgeschwindigkeit des Magnetfeldes (Gleichung 2). In Abhängigkeit von den Relaxationszeiten der Sonde untersucht (T 2 und T 2 *), und die Abtastgeschwindigkeit können Schwingungen an der Hinterkante des …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Teilweise Unterstützung dieser Arbeit durch die NIH gewährt NIBIB EB002807 und CA177744 (GRE und SSE) und P41 EB002034 zu GRE, Howard J. Halpern, PI, und von der University of Denver wird dankbar anerkannt. Mark Tseytlin wurde von NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942 unterstützt. Die Autoren sind dankbar Valery Khramtsov, jetzt an der Universität von West Virginia, und Illirian Dhimitruka an der Ohio State University für die Synthese der pH-empfindliche TAM Radikale und Gerald Rosen und Joseph Kao an der University of Maryland für die Synthese des mHCTPO , PROXYL, BMPO und Nitronyl Radikale.

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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References

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