Измерение спин-латеттической релаксации Магнитное поле зависимость гиперполяризованных No 1-13C pyruvate
Summary
Мы представляем протокол для измерения зависимости магнитного поля времени релаксации спин-решетки 13C-обогащенных соединений, гиперполяризованных с помощью динамической ядерной поляризации, с использованием быстрого поля циклреционной релаксометрии. В частности, мы продемонстрировали это с помощью1-13C pyruvate, но протокол может быть распространен на другие гиперполяризованные субстраты.
Abstract
Фундаментальным ограничением для применения in vivo изображений гиперполяризованных 13C-обогащенных соединений является их конечное время релаксации спин-решетки. На темпы релаксации влияют различные факторы, такие как состав буфера, рН раствора, температура и магнитное поле. В этом последнем отношении время релаксации спин-решетки может быть измерено на клинических полях, но на нижних полях, где эти соединения отпускаются из поляризатора и транспортируются на МРТ, релаксация еще быстрее и трудно измерить. Чтобы лучше понять количество намагниченности, потерянной во время транспортировки, мы использовали быстрое полевелового релаксометрии, с магнитным резонансным обнаружением 13C ядер при 0,75 Т, для измерения рассеяния ядерного магнитного резонанса спин-решетка релаксации время гиперполяризованной No 1-13C pyruvate. Роспуск динамической ядерной поляризации был использован для производства гиперполяризованных образцов пирувата в концентрации 80 ммоль/л и физиологического рН (7,8 евро). Эти решения были быстро перенесены на быстрый фартетометр для езды на велосипеде, чтобы можно было измерить расслабление намагнительности образца как функцию времени с помощью откалиброванный небольшой флипайный угол (3-5″). Чтобы сопоставить дисперсию Т1 пирувата C-1,мы зафиксировали данные по различным полям релаксации в диапазоне от 0,237 мТ до 0,705 Т. С помощью этой информации мы определили эмпирическое уравнение для оценки релаксации спин-латеттики гиперполяризованного субстрата в пределах упомянутого диапазона магнитных полей. Эти результаты могут быть использованы для прогнозирования количества намагниченности, потерянной во время транспортировки, и для улучшения экспериментальных конструкций, чтобы свести к минимуму потерю сигнала.
Introduction
Магнитно-резонансная спектроскопическая визуализация (МРСИ) может производить пространственные карты метаболитов, обнаруженных спектроскопической визуализацией, но ее практическое применение часто ограничено его относительно низкой чувствительностью. Эта низкая чувствительность методов магнитно-резонансной томографии in vivo и спектроскопии обусловлена небольшой степенью ядерной намагнигализации, достижимой при температуре тела и разумными сильными магнитными полями. Тем не менее, это ограничение может быть преодолено с помощью динамической ядерной поляризации (DNP) значительно повысить в пробирке намагничивание жидких субстратов, которые впоследствии вводят для зондирования метаболизма vivo с помощью MRSI1,2 , 3 , 4. DNP способен повысить намагничивание большинства ядер с ненулевым ядерным спином и был использован для увеличения чувствительности vivo MRSI 13C-обогащенных соединений, таких как пируват5,6, бикарбонат 7,8,фумерат9, лактат10, глутамин11, и другие более чем на четыре порядка величины12. Его применение включает визуализацию сосудистых заболеваний13,14,15,перфузии органов13,16,17,18,рака выявление1,19,20,21,22, инсценировка опухоли23,24,и количественная оценка терапевтического ответа2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
Медленная релаксация спин-решетки имеет важное значение для обнаружения in vivo с ПОМОЩЬю MRSI. Спин-решетка релаксации раз(T1s) на порядок десятков секунд возможны для ядер с низкими гиромагнитными соотношениями в малых молекул в растворе. Несколько физических факторов влияют на передачу энергии между переходом ядерного спина и его окружающей среды (решетки), что приводит к релаксации, в том числе сила магнитного поля, температура, и молекулярной конформации27. Диполярное расслабление уменьшается в молекулах для углеродных позиций без протонов непосредственно прилагается, и deuteration растворения средств массовой информации может еще больше уменьшить межмолекулярную диполярное расслабление. К сожалению, дейтерированные растворители имеют ограниченные возможности для расширения релаксации in vivo. Повышенная релаксация карбосиловых или карбоксилевых кислот (таких как пируват) может происходить при высокой силе магнитного поля из-за химической анисотропии. Наличие парамагнитных примесей от жидких путей во время растворения после поляризации может вызвать быстрое расслабление и их необходимо избегать или устранять с помощью хелаторов.
Существует очень мало данных для релаксации 13C-содержащих соединений на низких полях, где релаксация спин-решетки может быть значительно быстрее. Тем не менее, важно измерить T1 на низких полях, чтобы понять релаксацию во время подготовки агента, используемого для визуализации in vivo, так как гиперполяризованные контрастные агенты обычно выдаются из аппарата DNP вблизи или на земле. Поле. Дополнительные физические факторы, такие как концентрация субстрата, обогащенная С, рН раствора, буферы и температура также влияют на расслабление и, следовательно, оказывают влияние на состав агента. Все эти факторы имеют важное значение для определения ключевых параметров в оптимизации процесса роспуска DNP, а также для расчета величины потери сигнала, которая происходит при транспортировке образца из аппарата DNP к магниту визуализации.
Измерения рассеиваемости ядерного магнитного резонанса (NMRD), т.е. измерения T1, как функция магнитного поля обычно приобретаются с помощью спектрометра ЯМР. Для приобретения этих измерений, челночный метод может быть использован, где образец впервые курсирует из спектрометра, чтобы расслабиться в каком-то поле определяется его положение в поле бахромымагнита 28,29,30 а затем быстро возвращается в магнит NMR для измерения его оставшейся намагници. Повторяя этот процесс в той же точке в магнитном поле, но с увеличением периодов релаксации, кривая релаксации может быть получена, которая затем может быть проанализирована для оценки T1.
Мы используем альтернативный метод, известный как быстрое поле велосипедного relaxometry31,32,33 для получения наших данных NMRD. Мы модифицировали коммерческий полевой велосипедный релаксометром (см. Таблица Материалов),для T1 измерений решений, содержащих гиперполяризованные ядра 13C. По сравнению с шаттлом, полевой велосипед позволяет этому релаксометру систематически приобретать данные NMRD по меньшему диапазону магнитных полей (0,25 мТ до 1 Т). Это достигается путем быстрого изменения самого магнитного поля, а не места образца в магнитном поле. Таким образом, образец может быть намагниченным при высокой силе поля, «расслабленным» при более низкой силе поля, а затем измеряться путем приобретения свободного индукционного распада на фиксированном поле (и частоте Larmor) для максимизации сигнала. Это означает, что температура образца может контролироваться во время измерения, и зонд NMR не должен быть настроен на каждом поле релаксации, способствуя автоматическому приобретению по всему диапазону магнитного поля.
Сосредоточив наши усилия на последствиях дозирования и транспортировки гиперполяризованных растворов на низких магнитных полях, эта работа представляет собой подробную методологию для измерения времени релаксации спин-решетки гиперполяризованного 13C-пируватс с помощью быстрого полевой реаксеметрия для магнитных полей в диапазоне от 0,237 мТ до 0,705 Т. Основные результаты использования этой методологии были ранее представлены для No 1-13C pyruvate34 и 13C-обогащенного натрия и цезия бикарбонат35, где другие факторы, такие как радикальная концентрация и растворение рН есть также были изучены.
Protocol
Representative Results
Discussion
Использование DNP для повышения приобретения сигнала является техническим решением недостаточного магнитно-резонансного сигнала, доступного из 13ядер C при ограниченных концентрациях, как те, которые используются в инъекциях животных, но представляет другие экспериментальные пр…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Онтарио Институт исследований рака, визуализации Перевод программы и естественных наук и инженерных исследований Совета Канады для финансирования этого исследования. Мы также хотели бы отметить полезные дискуссии с Альбертом Ченом, GE Healthcare, Торонто, Канада, Джанни Ферранте, Stelar s.r.l., Италия, и Уильямом Мандером, Oxford Instruments, Великобритания.
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).
