JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Snabb Scan elektronspinnresonans öppnar nya vägar för Imaging fysiologiskt viktiga parametrar<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

En ny elektronspinnresonans (EPR) metoden, snabba scan EPR (RS-EPR), visas för 2D spektral rumslig avbildning som är överlägsen den traditionella kontinuerlig våg (CW) teknik och öppnar nya arenor för in vivo imaging. Resultaten visas vid 250 MHz, men tekniken är tillämplig vid alla frekvenser.

Abstract

Vi visar en överlägsen metod för 2D spektral-spatial avbildning av stabila radikala reportermolekyler vid 250 MHz med användning av snabb-scan elektronpara-resonans (RS-EPR), som kan ge kvantitativ information under in vivo förhållanden på syrehalt, pH, redox status och koncentration av signalmolekyler (dvs OH •, NO •). RS-EPR teknik har en högre känslighet, förbättrad rumslig upplösning (1 mm), och kortare förvärvstid i jämförelse med standard kontinuerlig våg (CW) teknik. En mängd olika fantom konfigurationer har testats, med rumslig upplösning varierar från 1 till 6 mm, och spektral bredd på de reportermolekyler som sträcker sig från 16 | jT (160 mg) till 5 mT (50 G). En tvär slinga bimodal resonator frikopplar excitation och detektion, minska buller, medan den snabba scannings effekt ger mer kraft att matas till spinnsystemet före mättnad, vilket ökar EPR-signalen. Dettaleder till en väsentligt högre signal-till-brusförhållande än i konventionella CW EPR experiment.

Introduction

I förhållande till andra medicinska avbildningsmetoder, elektronspinnresonans imaging (EPRI) är en unik möjlighet att kvantitativt bild fysiologiska egenskaper inklusive pH 1-3, PO2 4-7 temperatur 8, perfusion och livskraft vävnader 9, microviscosity och enkel diffusion av små molekyler 10 och oxidativ stress 11. Uppskattningen av den enkla disulfid klyvning av glutation (GSH) i vävnader och celler 12,13 kan rapportera om redox status. För in vivo avbildning, är EPR i frekvensområdet mellan 250 MHz och 1 GHz valts eftersom dessa frekvenser ge tillräckligt djup av vävnadspenetration (upp till flera cm) för att generera bilder för små djur i vilka intensiteter inte minskade med dielektriska förlusteffekter. Högre frekvenser, såsom 9,5 GHz 14 (X-bandet) och 17 GHz (K u -Band) 15,16 kan användas för avbildning av hud och hår eller enstaka celler, Respektive. Framgången för EPRI på alla frekvenser beror på paramagnetiska spin-sonder som är specifika för vävnaderna så att deras placering och öde kan avbildas.

Om miljön av en elektronspinnsonden är spatialt heterogen, är EPR spektrum summan av bidragen från alla platser. Spectral-spatial avbildning delar provets volym i en rad små rumsliga segment och beräknar EPR spektrum för vart och ett av dessa segment 17. Detta medger mappning av den lokala miljön genom att mäta den rumsliga variationen i EPR-spektrum. Magnetfältgradienter används för att koda rumslig information i EPR-spektra, som kallas prognoser. Spektral-spatial bild rekonstrueras från dessa projektioner 18,19.

I RS-EPR magnetfältet avsöks genom resonans i en tid som är kort i förhållande till elektronspinnrelaxationstider (Figur 2) 20,21. D econvolution av den snabba-avsökningssignalen ger absorptionsspektrumet, som är ekvivalent med den första integralen av den konventionella första-derivata CW spektrum. Den snabba-avsökningssignalen detekteras i kvadratur, så att både absorptions- och spridnings komponenter i spinnsystemsvaret mäts. Detta är i huvudsak samla dubbelt så mycket data per tidsenhet. Mättnad av signalen i en snabb skanning experiment händer vid högre effekter än för CW, så högre effekter kan användas utan bekymmer för mättnad. 20,22 Många fler medelvärden kan göras per tidsenhet i jämförelse med CW. Högre effekt, direkt kvadratur upptäckt och fler genomsnitt per tidsenhet kombineras för att ge en snabb skanning en bättre signal-brusförhållande (SNR), särskilt vid höga lutning prognoser som definierar rumslig separation, vilket leder till högre bildkvalitet. För att uppnå ungefär samma SNR för en bild av en fantom krävs ungefär 10 gånger så lång tid för CW som för snabb skanning 23.

tält "> Den ökade SNR tillåter också experiment vid 250 MHz med låga koncentration spin trap addukter bildade genom omsättning av OH med 5-tert-butoxikarbonyl-5-metyl-1-pyrroline–N-oxid (BMPO-OH) som skulle vara osynliga för CW-metoden 24. Dinitroxides samband med en disulfid-länk är känsliga för klyvning av glutation, och så kan rapportera om cellulära redox status. Jämvikt existerar, beroende på koncentrationen av glutation närvarande mellan di- och mono-radikal former. observera dessa förändringar kräver infångning av hela 5 mT brett spektrum, och kan uppnås mycket snabbare med snabb avsökning EPR jämfört med steg magnetfältet i en CW experiment.

Ett komplett snabb scan-systemet består av fyra delar: spektrometern, huvudområdet magnet, den snabba scannings spole, och den snabba skanningen tvär slinga resonator. Spektrometern och huvudområdet magnetfunktion på samma sätt som i en CW experiment, att ställa in huvud Zeeman fältoch samla in data från resonatorn. Den snabba skanningen spole alstrar sinus scan ström som går in i specialdesignade snabba skannings spolar på snabb skanning tvär slinga resonator. Den snabba skannings spolar på den snabba skanningen tvär slinga resonator generera ett stort homogent magnetfält, som sveps vid frekvenser mellan 3 och 15 kHz.

Protocol

1. Inställning av Rapid Scan Coil Driver på 250 MHz Beräkning av Rapid Scan Experimentella förhållanden Obs: Den viktigaste parametern i RS-EPR är avsökningshastighet, α, som är produkten av avsökningsfrekvens och avsökningsbredd (ekvation 3). För smala scan bredder är snabbare svephastigheter används, och för bredare svepbredder, är långsammare skanningshastighet används. Följande instruktioner stega igenom det senare fallet och visar hur man kan komma fram till de …

Representative Results

Produkten av experimentet är en uppsättning projektioner som rekonstrueras i två-dimensionell (en spektral, en rumslig) bilder med en falsk färgskala för att representera signalens amplitud. Djupblå betecknar baslinjen där ingen signal förekommer, är grön låg amplitud och rött högst. Skivor längs x-axeln (spektral dimension) skildrar EPR-signal (EPR övergång) på ett magnetfält axel. Längs y-axeln (rumslig dimension), separation mellan signaler motsvarar den fysiska rum…

Discussion

Snabb-scan signaler har högre frekvenskomponenter än CW, och kräver en större resonator bandbredd beroende på linjebredder, relaxationstider, och hastigheten på den snabba genomsökningar. Den bandbredd som krävs för ett givet experiment är baserad på linjebredden och den avsökningshastighet av magnetfältet (ekvation 2). Beroende på relaxationstider hos proben som studeras (T 2 och T 2 *), och avsökningshastigheten, kan svängningar visas på den bakre kanten av signalen. För nitroxi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Delvis stöd för detta arbete av NIH beviljar NIBIB EB002807 och CA177744 (GRE och SSE) och P41 EB002034 till GRE, Howard J. Halpern, PI, och av University of Denver tacksamma. Mark Tseytlin stöddes av NIH R21 EB022775, NIH K25 EB016040, NIH / NIGMS U54GM104942. Författarna är tacksamma Valery Khramtsov, nu vid University of West Virginia, och Illirian Dhimitruka vid Ohio State University för syntes av pH-känsliga TAM radikaler, och Gerald Rosen och Joseph Kao vid University of Maryland för syntes av mHCTPO , PROXYL, BMPO och nitronyl radikaler.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Dreher, M. R., et al. Nitroxide conjugate of a thermally responsive elastin-like polypeptide for noninvasive thermometry. Med. Phys. 31 (10), 2755-2762 (2004).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Kuppusamy, P., et al. Noninvasive imaging of tumor redox status and its modification by tissue glutathione levels. Cancer Res. 62 (1), 307-312 (2002).
  13. 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).
  14. Plonka, P. M. Electron paramagnetic resonance as a unique tool or skin and hair research. Exp. Dermatol. 18, 472-484 (2009).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Eaton, G. R., Eaton, S. S. . Concepts Magn. Reson. 7, 49-67 (1995).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Mitchell, D. G., Radu, N., Koch, S., et al. . Abstracts of Papers of the American Chemical Society. 242, (2011).
  21. Stoner, J. W., et al. Direct-detected rapid-scan EPR at 250 MHz. J. Magn. Reson. 170 (1), 127-135 (2004).
  22. 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).
  23. Biller, J. R., et al. Imaging of nitroxides at 250 MHz using rapid-scan electron paramagnetic resonance. J. Magn. Reson. 242, 162-168 (2014).
  24. Biller, J. R., et al. Improved Sensitivity for Imaging Spin Trapped Hydroxyl Radical at 250 MHz. Chem. Phys. Chem. 16 (3), 528-531 (2015).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Bobko, A. A., et al. Redox-sensitive mechanism of no scavenging by nitronyl nitroxides. Free Radical Biol. Med. 36 (2), 248-258 (2004).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Biller, J. R., et al. Electron spin-lattice relaxation mechanisms of rapidly-tumbling nitroxide radicals. J. Magn. Reson. 236, 47-56 (2013).
  39. 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).

Tags

Rapid-scan EPR ImagingRSEPRIElectron Paramagnetic ResonanceOxygen ConcentrationPHRedox StatusSignaling MoleculesBiomedical ResearchCancer ResearchTumor EnvironmentContinuous Wave EPRRapid-scan Experimental ConditionsResonator BandwidthRapid-scan Coil DriverN-15 PDTBMPOHydrogen PeroxideUV Irradiation
check_url/54068?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Biller, J. R., Mitchell, D. G., Tseytlin, M., Elajaili, H., Rinard, G. A., Quine, R. W., Eaton, S. S., Eaton, G. R. Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo. J. Vis. Exp. (115), e54068, doi:10.3791/54068 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image