Måling af spin-Lattice afslapning magnetisk felt afhængighed af Hyperpolariseret [1-13C] pyruvat
Summary
Vi præsenterer en protokol til at måle den magnetiske felt afhængighed af spin-gitter afslapningstid på 13C-beriget forbindelser, hyperpolariseret ved hjælp af dynamisk nuklear polarisering, ved hjælp af hurtig felt-cyklet relaxometri. Konkret har vi demonstreret dette med [1-13C] pyruvat, men protokollen kunne udvides til andre hyperpolariserede substrater.
Abstract
Den grundlæggende grænse for in vivo -billedbehandlings anvendelser af hyperpolariserede 13C-berigede forbindelser er deres begrænsede spin-Lattice-afslapnings tider. Forskellige faktorer påvirker afslapnings raterne, såsom buffer sammensætning, opløsning pH, temperatur og magnetfelt. I denne sidste betragtning, kan spin-gitter afslapning tid måles på kliniske Feltstyrker, men på lavere områder, hvor disse forbindelser er dispenseret fra polarisator og transporteres til MRI, afslapning er endnu hurtigere og vanskeligt at måle. For at have en bedre forståelse af mængden af magnetisering tabt under transport, vi brugte hurtig felt-cykling relaxometri, med magnetisk resonans påvisning af 13C kerner på ~ 0,75 T, at måle den nukleare magnetisk resonans dispersion af spin-Lattice afslapning tid af hyperpolariseret [1-13C] pyruvat. Opløsning dynamisk nuklear polarisering blev anvendt til fremstilling af hyperpolariserede prøver af pyruvat i en koncentration på 80 mmol/L og fysiologisk pH (~ 7,8). Disse løsninger blev hurtigt overført til en hurtig Mark-cykling relaxometer, således at lempelse af prøven magnetisering kunne måles som en funktion af tid ved hjælp af en kalibreret lille flip vinkel (3 °-5 °). At kort T1 dispersion af C-1 af pyruvat, vi indspillede data for forskellige afslapnings felter spænder mellem 0,237 MT og 0,705 T. Med disse oplysninger fastsatte vi en empirisk ligning for at estimere spin-Lattice-lempelsen af det hyperpolariserede substrat inden for det nævnte område af magnetfelter. Disse resultater kan bruges til at forudsige mængden af magnetisering tabt under transport og til at forbedre eksperimentelle designs for at minimere signaltab.
Introduction
Magnetisk resonans spektroskopisk billeddannelse (MRSI) kan producere rumlige kort over metabolitter, der påvises ved spektroskopisk billeddannelse, men dets praktiske anvendelse er ofte begrænset af dets relativt lave følsomhed. Denne lave følsomhed af in vivo magnetisk resonans billeddannelse og spektroskopi metoder stammer fra den lille grad af nuklear magnetisering opnåelige ved krops temperaturer og rimelige magnetiske Feltstyrker. Denne begrænsning kan dog overvindes ved brug af dynamisk nuklear polarisering (DNP) for i høj grad at forbedre in vitro-magnetisering af flydende substrater, som efterfølgende injiceres i vivo metabolisme ved hjælp af mrsi1,2 , 3 , 4. DNP er i stand til at øge magnetisering af de fleste kerner med ikke-nul nukleare spin og er blevet brugt til at øge in vivo mrsi følsomhed af 13C-beriget forbindelser såsom pyruvat5,6, bicarbonat 7,8, fumarat9, laktat10, Glutamin11, og andre med mere end fire ordrer af størrelsesorden12. Dets anvendelser omfatter billeddannelse af vaskulær sygdom13,14,15, organ perfusion13,16,17,18, kræft detektion1,19,20,21,22, tumor iscenesættelse23,24, og kvantificering af terapeutisk respons2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
Langsom spin-Lattice afslapning er afgørende for in vivo detektion med MRSI. Spin-Lattice afslapning gange (T1s) på rækkefølgen af snesevis af sekunder er muligt for kerner med lav gyromagnetiske nøgletal inden for små molekyler i opløsning. Flere fysiske faktorer påvirker overførslen af energi mellem en nuklear spin overgang og dets miljø (gitter), der fører til afslapning, herunder magnetfelt styrke, temperatur og molekylær konstellation27. Dipolære afslapning er reduceret i molekyler for kulstof positioner uden protoner direkte knyttet, og deuteration af opløsnings medier kan yderligere reducere intermolekylære dipolære afslapning. Desværre, er opløsningsmidler har begrænsede evner til at udvide in vivo afslapning. Øget afslapning af karbonyler eller carboxylsyrer (såsom pyruvat) kan forekomme ved høje magnetiske Feltstyrker på grund af kemisk Skift Anisotropy. Tilstedeværelsen af Paramagnetiske urenheder fra væskebanen under opløsning efter polarisering kan forårsage hurtig afslapning og skal undgås eller elimineres ved hjælp af chelatorer.
Meget lidt data findes til afslapning af 13C-holdige forbindelser på lave Marker, hvor spin-Lattice afslapning kunne være betydeligt hurtigere. Det er dog vigtigt at måle T1 ved lave felter for at forstå afslapning under forberedelsen af den agens, der anvendes til in vivo-billeddannelse, da de hyperpolariserede kontrastmidler sædvanligvis udleveres fra DNP-apparatet i nærheden af eller ved jordens Feltet. Yderligere fysiske faktorer såsom 13C-beriget substratkoncentration, opløsning pH, buffere og temperatur påvirker også afslapning, og derfor har en effekt på formuleringen af agenten. Alle disse faktorer er afgørende for fastlæggelsen af nøgleparametre i optimering af DNP-opløsnings processen og beregning af omfanget af signaltab, der opstår ved transport af prøven fra DNP-apparatet til billed magneten.
Nukleare magnetisk resonans dispersion (NMRD) målinger, dvs T1 målinger, som en funktion af magnetfelt er typisk erhvervet ved hjælp af en NMR Spectrometer. For at opnå disse målinger kan der anvendes en fjerningsmetode, hvor prøven først føres ud af spektrometeret for at slappe af på et hvilket som helst område, som bestemmes af dens position i magnetfeltet på magneten28,29,30 og derefter hurtigt overføres tilbage til NMR magnet til at måle sin resterende magnetisering. Ved at gentage denne proces på samme sted i magnetfeltet, men med stigende perioder med afslapning, kan der opnås en afslapnings kurve, som derefter kan analyseres for at anslå T1.
Vi bruger en alternativ teknik kendt som hurtig Field-cykling relaxometry31,32,33 at erhverve vores nmrd data. Vi har ændret en kommerciel Mark-cykling relaxometer (Se tabel over materialer), for T1 målinger af opløsninger, der indeholder hyperpolariseret 13C kerner. Sammenlignet med shuttle metode, felt-cykling gør det muligt for denne relaxometer til systematisk at erhverve NMRD data over en mindre række magnetiske felter (0,25 mT til 1 T). Dette opnås ved hurtigt at ændre selve magnetfeltet, ikke prøve placeringen i magnetfeltet. Derfor kan en prøve være magnetiseret ved en høj feltstyrke, “afslappet” på et lavere feltstyrke, og derefter måles ved erhvervelse af en gratis-induktion-forfald på et fast felt (og Larmor frekvens) for at maksimere signalet. Det betyder, at prøvetemperaturen kan styres under målingen, og NMR-sonden behøver ikke at justeres ved hvert afslapnings felt for at fremme automatisk erhvervelse over hele magnetfelt området.
Fokusering vores indsats på virkningerne af dispensering og transport af hyperpolarized løsninger på lave magnetiske felter, dette arbejde præsenterer en detaljeret metode til at måle spin-gitter afslapning tid af hyperpolariseret 13C-pyruvat ved hjælp af hurtig felt-cykling relaxometri for magnetiske felter i intervallet 0,237 mT til 0,705 T. De vigtigste resultater af brugen af denne metode er tidligere blevet præsenteret for [1-13c] pyruvat34 og 13c-beriget natrium og cæsium bicarbonat35 , hvor andre faktorer såsom radikal koncentration og opløsnings-ph har også blevet undersøgt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Brugen af DNP til at forbedre signal erhvervelse er en teknisk løsning på utilstrækkelig magnetisk resonans signal til rådighed fra 13C kerner ved begrænsede koncentrationer, som dem, der anvendes i dyre injektioner, men præsenterer andre eksperimentelle udfordringer. Hver afslapnings måling vist i figur 7 repræsenterer en måling af en unikt forberedt prøve, fordi den ikke kan repolariseres efter opløsning til remåling. Dette fører uundgåeligt til eksperimentel varia…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Ontario Institute for Cancer Research, Imaging Translation program og Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada til finansiering af denne forskning. Vi vil også gerne anerkende nyttige diskussioner med Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canada, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italien og William Mander, Oxford Instruments, UK.
Materials
| [1-13C]Pyruvic Acid | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 677175 | |
| 10mm NMR Tube | Norell, Inc., Morganton NC, USA | 1001-8 | |
| De-ionized water | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | E5134 | |
| HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Includes the following: "DNP-NMR Polarizer" software used to control and monitor the whole DNP polarizer; "RINMR" used to monitor the solid state polarization levels; "HyperTerminal" used to communicate the DNP software with the RINMR software that monitors the solid state polarization level. Also includes the MQC bench top spectrometer to monitor the liquid state polarization in conjunction with it own RINMR software | |
| MATLAB R2017b | MathWorks, Natick, MA | Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid. | |
| OX063 Triarylmethyl radical | Oxford Instruments, Abingdon, UK | ||
| pH meter – SympHony | VWR International, Mississauga, ON., Canada | SB70P | |
| ProHance | Bracco Diagnostics Inc. | Gadoteridol, Gd-HP-DO3A | |
| Pure Ethanol (100% pure) | Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada | P016EAAN | |
| Shim Coil | Developed in-house | ||
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S7653 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S8045 | |
| SpinMaster FFC2000 1T C/DC | Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy | Includes the software "AcqNMR" that is used to set experimental parameters, monitor the tuning and matching of the RF coil, loading different pulse sequences, calibrate flip angle, data acquisition and curve fitting, among other functions. Also includes a depth gauge, some weights and a depth stopper. | |
| Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T7943 |
References
- Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis. Cancer Research. 66 (22), 10855-10860 (2006).
- Witney, T. H., Brindle, K. M. Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).
- Kurhanewicz, J., et al. Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
- Golman, K., et al. Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).
- Golman, K., in ‘t Zandt, R., Thaning, M. Real-time metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).
- Day, S. E., et al. Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (2), 557-563 (2011).
- Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).
- Wilson, D. M., et al. Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. Journal of Magnetic Resonance. 205 (1), 141-147 (2010).
- Gallagher, F. A., et al. Production of hyperpolarized [1,4-13C2]malate from [1,4-13C2]fumarate is a marker of cell necrosis and treatment response in tumors. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 106 (47), 19801-19806 (2009).
- Chen, A. P., et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).
- Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Day, S. E., Lerche, M., Brindle, K. M. 13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine. Magnetic Resonance in Medicine. 60 (2), 253-257 (2008).
- Ardenkjaer-Larsen, J. H., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10158-10163 (2003).
- Ishii, M., et al. Hyperpolarized 13C MRI of the pulmonary vasculature and parenchyma. Magnetic Resonance in Medicine. 57 (3), 459-463 (2007).
- Lau, A. Z., Chen, A. P., Cunningham, C. H. Integrated Bloch-Siegert B(1) mapping and multislice imaging of hyperpolarized (1)(3)C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 67 (1), 62-71 (2012).
- Lau, A. Z., et al. Rapid multislice imaging of hyperpolarized 13C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1323-1331 (2010).
- Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. Molecular imaging with endogenous substances. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).
- Johansson, E., et al. Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).
- Johansson, E., et al. Perfusion assessment with bolus differentiation: a technique applicable to hyperpolarized tracers. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1043-1051 (2004).
- Albers, M. J., et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Research. 68 (20), 8607-8615 (2008).
- Chen, A. P., et al. Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1099-1106 (2007).
- Lupo, J. M., et al. Analysis of hyperpolarized dynamic 13C lactate imaging in a transgenic mouse model of prostate cancer. Magnetic Resonance Imaging. 28 (2), 153-162 (2010).
- von Morze, C., et al. Imaging of blood flow using hyperpolarized [(13)C]urea in preclinical cancer models. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).
- Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 66 (2), 505-519 (2011).
- Park, I., et al. Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (6), 1284-1290 (2011).
- Bohndiek, S. E., et al. Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Molecular Cancer Therapeutics. 9 (12), 3278-3288 (2010).
- Witney, T. H., et al. Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate. British Journal of Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).
- Levitt, M. H. . Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance. , (2001).
- Mieville, P., Jannin, S., Bodenhausen, G. Relaxometry of insensitive nuclei: optimizing dissolution dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 210 (1), 137-140 (2011).
- Redfield, A. G. Shuttling device for high-resolution measurements of relaxation and related phenomena in solution at low field, using a shared commercial 500 MHz NMR instrument. Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 753-768 (2003).
- Grosse, S., Gubaydullin, F., Scheelken, H., Vieth, H. -. M., Yurkovskaya, A. V. Field cycling by fast NMR probe transfer: Design and application in field-dependent CIDNP experiments. Applied Magnetic Resonance. 17 (2), 211-225 (1999).
- Kimmich, R., Anoardo, E. Field-cycling NMR relaxometry. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 44 (3-4), 257-320 (2004).
- Guðjónsdóttir, M., Belton, P., Webb, G. . Magnetic Resonance in Food Science: Challenges in a Changing World. , 65-72 (2009).
- Anoardo, E., Galli, G., Ferrante, G. Fast-field-cycling NMR: Applications and instrumentation. Applied Magnetic Resonance. 20 (3), 365-404 (2001).
- Chattergoon, N., Martinez-Santiesteban, F., Handler, W. B., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Scholl, T. J. Field dependence of T1 for hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Contrast Media & Molecular Imaging. 8 (1), 57-62 (2013).
- Martínez-Santiesteban, F. M., Dang, T. P., Lim, H., Chen, A. P., Scholl, T. J. T1 nuclear magnetic relaxation dispersion of hyperpolarized sodium and cesium hydrogencarbonate-13C. NMR in Biomedicine. 30 (9), 3749 (2017).
