El rápido escaneo de electrones resonancia paramagnética abre nuevas vías para Imaging fisiológicamente parámetros importantes<em> En Vivo</em
Summary
Un método nuevo de resonancia paramagnética electrónica (EPR), rápidos de escaneo de EPR (RS-EPR), se demuestra para la imagen espacial espectral 2D que es superior a la técnica tradicional de onda continua (CW) y abre nuevos lugares para formación de imágenes in vivo. Los resultados se demostraron a 250 MHz, pero la técnica es aplicable a cualquier frecuencia.
Abstract
Se demuestra un método superior de 2D imágenes espectrales-espacial de moléculas informadoras radicales estables a 250 MHz usando un rápido-scan de electrones paramagnético-resonancia (RS-EPR), que puede proporcionar información cuantitativa en condiciones in vivo de la concentración de oxígeno, pH, redox el estado y la concentración de moléculas de señalización (es decir, OH •, • NO). La técnica de RS-EPR tiene una sensibilidad más alta, una mejor resolución espacial (1 mm), y tiempo de adquisición más corto en comparación con la técnica estándar de onda continua (CW). Una variedad de configuraciones de trazos se han probado, con una resolución espacial que varía de 1 a 6 mm, y la anchura espectral de las moléculas informadoras que van de 16 mT (160 mg) a 5 mT (50 G). Un resonador bimodal-loop cruz desacopla de excitación y de detección, reduciendo el ruido, mientras que el efecto de exploración rápida permite un mayor poder de ser de entrada al sistema de giro antes de la saturación, el aumento de la señal de EPR. Estaconduce a una proporción sustancialmente más alta de señal a ruido que en los experimentos de CW EPR convencionales.
Introduction
En relación con otras modalidades de imagen médica, resonancia paramagnética electrónica (EPRI) es el único capaz de imagen cuantitativamente las propiedades fisiológicas incluyendo el pH 1-3, PO 2 4-7 de 8 de temperatura, la perfusión y la viabilidad de los tejidos 9, microviscosidad y la facilidad de difusión de pequeñas moléculas 10 y estrés oxidativo 11. Estimación de la facilidad de la escisión de disulfuro de glutatión (GSH) en el tejido y las células 12,13 puede informar sobre el estado redox. Para formación de imágenes in vivo, EPR en la gama de frecuencias entre 250 MHz y 1 GHz se elige debido a que estas frecuencias proporcionan suficiente profundidad de penetración en el tejido (de hasta varios cm) para generar imágenes para pequeños animales en los que las intensidades no están disminuidos por los efectos de pérdida dieléctrica. Las frecuencias más altas, tales como 9,5 GHz 14 (X-banda) y 17 GHz (K u -band) 15,16 se pueden usar para formación de imágenes de la piel y del cabello o células individuales, Respectivamente. El éxito de EPRI en todas las frecuencias depende de sondas de espín paramagnéticas que son específicos para los tejidos de modo que su ubicación y el destino pueden obtenerse imágenes.
Si el ambiente de una sonda de espín del electrón es espacialmente heterogénea, el espectro de EPR es la suma de las contribuciones de todos los lugares. Imágenes espectrales-espacial divide el volumen de la muestra en una matriz de pequeños segmentos espaciales y calcula el espectro de EPR para cada uno de estos segmentos 17. Esto permite el mapeo del entorno local mediante la medición de la variación espacial en el espectro de EPR. gradientes de campo magnético se usan para codificar la información espacial en los espectros de EPR, que se llaman proyecciones. La imagen espectral-espacial se reconstruye a partir de estas proyecciones 18,19.
En RS-EPR el campo magnético es escaneado a través de resonancia en un tiempo que es corto en relación a los tiempos de relajación espín electrónico (Figura 2) 20,21. re econvolution de la señal de rápido-scan da el espectro de absorción, que es equivalente a la primera integral del espectro de CW primero derivado convencional. La señal de rápido-scan se detecta en cuadratura, de manera que se miden ambos componentes de absorción y dispersión de la respuesta del sistema de centrifugado. Esto es esencialmente recogiendo el doble de la cantidad de datos por unidad de tiempo. La saturación de la señal en un experimento de exploración rápida que ocurre a potencias más altas que para CW, por lo potencias superiores se pueden usar sin la preocupación por la saturación. 20,22 Muchos más promedios se pueden hacer por unidad de tiempo en comparación con CW. Mayor potencia, detección de cuadratura directa y más medias por unidad de tiempo se combinan para dar una rápida exploración de una mejor relación (SNR) de señal a ruido, especialmente en una proyección de alto gradiente que definen la separación espacial, dando lugar a imágenes de mayor calidad. Para lograr aproximadamente la misma SNR para una imagen de un fantasma necesaria sobre 10 veces más largo para CW como para la rápida exploración 23.
tienda "> El aumento de la SNR también permite experimentos a 250 MHz con aductos de trampa concentración de giro bajas formadas por la reacción de OH con 5-terc-butoxicarbonil-5-metil-1-pyrroline- N-óxido (BMPO-OH), que sería invisibles para el método CW 24. Dinitroxides conectados con un enlazador disulfuro son sensibles a la escisión por el glutatión, y así pueden informar sobre el estado redox celular. existe equilibrio, depende de la concentración de glutatión presente, entre las formas di- y mono-radical. la observación de estos cambios requiere la captura de todo el amplio espectro 5 mT, y se puede lograr mucho más rápido con EPR rápida exploración en comparación con la intensificación del campo magnético en un experimento de CW.Un sistema completo de exploración rápida consiste en cuatro partes: el espectrómetro, el imán principal de campo, el conductor de la bobina de exploración rápida, y la rápida exploración de resonador de lazo cruz. El espectrómetro y la función de imán de campo principal de la misma como en un experimento de CW, estableciendo el campo Zeeman principaly la recogida de los datos de la resonador. El conductor de la bobina de exploración rápida genera la corriente senoidal de exploración que va en bobinas de escaneo rápidas especialmente diseñadas sobre la rápida exploración de circuito resonador cruz. Las bobinas de exploración rápidos en la rápida resonador de bucle transversal exploración generan un gran campo magnético homogéneo, que se barrió a frecuencias entre 3 y 15 kHz.
Protocol
Representative Results
Discussion
señales de rápido-scan tienen componentes de frecuencia más altas que CW, y requieren un ancho de banda de resonador más grande dependiendo de anchuras de línea, tiempos de relajación, y la velocidad de los rápidos-scan. El ancho de banda necesario para un experimento dado se basa en la anchura de línea y la velocidad de barrido del campo magnético (Ecuación 2). En función de los tiempos de relajación de la sonda en estudio (T 2 y T 2 *), y la velocidad de barrido, las oscilaciones pued…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Apoyo parcial de esta obra por el NIH subvenciones NIBIB EB002807 y CA177744 (GRE y SSE) y EB002034 P41 a GRE, Howard J. Halpern, PI, y por la Universidad de Denver se agradece. Marcos Tseytlin fue apoyado por el NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. Los autores agradecen a Valery Khramtsov, ahora en la Universidad de Virginia Occidental, y Illirian Dhimitruka en la Universidad Estatal de Ohio para la síntesis de los pH radicales TAM sensibles, y para Gerald Rosen y Joseph Kao en la Universidad de Maryland para la síntesis de la mHCTPO , PROXYL, BMPO y radicales nitronil.
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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