Mätning av spin-gitter avslappning magnetfält beroende av Hyperpolarized [1-13C] pyruvat
Summary
Vi presenterar ett protokoll för att mäta magnetfältet beroende av spin-gitter avslappning tid av 13C-berikade föreningar, hyperpolarized med hjälp av dynamisk nukleär polarisering, med hjälp av snabb fältcyklade relaxometri. Specifikt har vi visat detta med [1-13C] pyruvat, men protokollet kan utvidgas till andra hyperpolariserade substrat.
Abstract
Den grundläggande gränsen för in vivo Imaging tillämpningar av hyperpolariserade 13C-berikade föreningar är deras ändliga spinn-gitter avslappning gånger. Olika faktorer påverkar avslappnings graden, såsom buffertsammansättning, lösningens pH, temperatur och magnetfält. I detta sista hänseende kan spin-gitter avslappnings tiden mätas på kliniska fältstyrkor, men på lägre områden, där dessa föreningar dispenseras från polarisationsfiltret och transporteras till MRI, är avkopplingen ännu snabbare och svår att mäta. För att få en bättre förståelse för hur mycket magnetisering som förlorats under transporten, använde vi snabba fält-cykling relaxometri, med magnetisk resonans detektion av 13C-kärnor vid ~ 0,75 T, att mäta kärnmagnetisk resonans spridning av Spin-gitter avslappning tid av hyperpolarized [1-13C] pyruvat. Upplösning dynamisk nukleär polarisering användes för att producera hyperpolariserade prover av pyruvat vid en koncentration av 80 mmol/L och fysiologiskt pH (~ 7,8). Dessa lösningar överfördes snabbt till en snabbfält-cykling relaxometer så att avslappning av provet magnetisering kan mätas som en funktion av tid med hjälp av en kalibrerad liten flip vinkel (3 °-5 °). För att kartlägga t1 dispersion av C-1 av pyruvat, vi inspelade data för olika avslappnings fält som sträcker sig mellan 0,237 MT och 0,705 T. Med denna information, bestämde vi en empirisk ekvation för att uppskatta spinn-gitter avslappning av hyperpolariserade substrat inom det nämnda området av magnetfält. Dessa resultat kan användas för att förutsäga hur mycket magnetisering som förlorats under transporten och för att förbättra experimentell design för att minimera signalförlusten.
Introduction
Magnetisk resonans spektroskopisk avbildning (MRSI) kan producera rumsliga kartor av metaboliter detekteras av spektroskopisk avbildning, men dess praktiska användning är ofta begränsad av dess relativt låg känslighet. Denna låga känslighet av in vivo magnetisk resonanstomografi och spektroskopi metoder härrör från den lilla graden av nukleär magnetisering uppnås vid kroppstemperatur och rimliga magnetiska fältstyrkor. Emellertid, denna begränsning kan övervinnas genom användning av dynamisk nukleär polarisering (DNP) att kraftigt öka in vitro magnetisering av flytande substrat, som därefter injiceras för att sond in vivo metabolism med mrsi1,2 , 3 , 4. DNP kan förbättra magnetiseringen av de flesta kärnor med icke-noll kärn spinn och har använts för att öka in vivo mrsi känslighet av 13C-berikade föreningar såsom pyruvat5,6, bikarbonat 7,8, tenofovirdisoproxilfumarat9, laktat10, glutamin11, och andra med mer än fyra storleksordningar12. Dess tillämpningar inkluderar avbildning av vaskulärsjukdom 13,14,15, orgel perfusion13,16,17,18, cancer detektion1,19,20,21,22, tumör mellanstationer23,24och kvantifiering av terapeutiskt svar2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
Långsam spinn-gitter avslappning är viktigt för in vivo detektion med MRSI. Spin-gitter avslappning Times (T1s) på order av tiotals sekunder är möjliga för kärnor med låga gyromagnetiska förhållanden inom små molekyler i lösning. Flera fysiska faktorer påverkar överföringen av energi mellan en nukleär spinn övergång och dess omgivning (gitter) som leder till avslappning, inklusive magnetfältet styrka, temperatur och molekylär konformation27. Dipolär avslappning reduceras i molekyler för kol positioner utan protoner direkt knutna, och deutereringen av upplösnings medier kan ytterligare minska intermolekylär tvåpolig avslappning. Tyvärr, deutdade lösningsmedel har begränsad förmåga att förlänga in vivo avslappning. Ökad avslappning av karbonyler eller karboxylsyror (såsom pyruvat) kan förekomma vid höga magnetiska fältstyrkor på grund av kemisk förskjutning anisotropi. Närvaron av paramagnetiska orenheter från vätske vägen under upplösning efter polarisering kan orsaka snabb avslappning och måste undvikas eller elimineras med hjälp av kelatorer.
Mycket lite data finns för avslappning av 13C-innehållande föreningar vid låga fält, där spinn-gitter avkoppling kan vara betydligt snabbare. Det är dock viktigt att mäta T1 vid låga fält för att förstå avslappning vid beredning av medlet som används för in vivo-avbildning, eftersom de hyperpolariserade kontrastmedlen vanligtvis DISPENSERAS från DNP-apparaten nära eller på jordens Fältet. Ytterligare fysiska faktorer såsom 13C-anrikat substrat koncentration, lösning pH, buffertar och temperatur påverkar också avslappning, och därmed har en effekt på utformningen av agenten. Alla dessa faktorer är avgörande för fastställandet av nyckelparametrar vid optimering av DNP-frisättnings processen, och beräkningen av omfattningen av signalförlusten som uppstår vid transport av provet från DNP-apparaten till bild magneten.
Mätningar av nukleär magnetisk resonans (NMRD), d.v.s. T1 mätningar, som en funktion av magnetfält förvärvas vanligtvis med hjälp av en NMR-spektrometer. För att få dessa mätningar kan en shuttling-metod användas där provet först stängs ur spektrometern för att slappna av på något område som bestäms av dess position i magnetfältets Frans fält28,29,30 och sedan snabbt överföras tillbaka till NMR magnet för att mäta dess återstående magnetisering. Genom att upprepa denna process på samma punkt i magnetfältet, men med ökande perioder av avslappning, kan en avslappnings kurva erhållas, som sedan kan analyseras för att uppskatta T1.
Vi använder en alternativ teknik som kallas snabbfält-cykling relaxometri31,32,33 att förvärva våra nmrd data. Vi har ändrat ett kommersiellt fält-cykling relaxometer (se tabell över material), för T1 mätningar av lösningar som innehåller hyperpolariserade 13C kärnor. Jämfört med shuttle-metoden möjliggör fält cykling denna relaxometer att systematiskt förvärva NMRD-data över ett mindre antal magnetfält (0,25 mT till 1 T). Detta åstadkoms genom att snabbt förändra magnetfältet självt, inte provplatsen i magnetfältet. Därför kan ett prov vara magnetiseras på en hög fältstyrka, “avslappnad” på en lägre fältstyrka, och sedan mätas genom förvärv av en fri-induktion-sönderfall på ett fast fält (och Larmor frekvens) för att maximera signalen. Detta innebär att provtemperaturen kan styras under mätningen, och NMR-sonden behöver inte stämmas vid varje avslappnings fält som främjar automatiskt förvärv över hela magnet fälts området.
Fokusera våra ansträngningar på effekterna av dispensering och transport av hyperpolariserade lösningar vid låga magnetiska fält, detta arbete presenterar en detaljerad metod för att mäta spin-gitter avslappning tid hyperpolarized 13C-pyruvat med snabb fält-cykling relaxometri för magnetiska fält i intervallet 0,237 mT till 0,705 T. De viktigaste resultaten av att använda denna metod har tidigare presenterats för [1-13c] pyruvat34 och 13C-berikat natrium och cesium bikarbonat35 där andra faktorer såsom radikal koncentration och upplösning pH har också studerats.
Protocol
Representative Results
Discussion
Användningen av DNP för att förbättra signal förvärvet är en teknisk lösning på otillräcklig magnetisk resonans signal tillgänglig från 13C-kärnor vid begränsade koncentrationer, som de som används i djur injektioner, men presenterar andra experimentella utmaningar. Varje avslappnings mätning som visas i figur 7 representerar en mätning av ett unikt preparerat prov eftersom det inte kan repolariseras efter upplösning för ommätning. Detta leder oundvikligen till…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Ontario Institute for Cancer Research, Imaging översättnings program och naturvetenskap och teknik Forskningsrådet i Kanada för att finansiera denna forskning. Vi vill också uppmärksamma nyttiga diskussioner med Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Kanada, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italien, och 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).
