Hyperpolarizovaný uhlík-13 MRI - Hyperpolarized carbon-13 MRI
Hyperpolarizovaný uhlík-13 MRI | |
---|---|
Účel | zobrazovací technika pro zkoumání perfuze a metabolismu |
Hyperpolarizovaný uhlík-13 MRI je funkční lékařské zobrazování technika sondování prokrvení a metabolismus pomocí injekce substráty.
Umožňují to techniky pro hyperpolarizace z uhlík-13 -obsahující molekuly pomocí dynamická nukleární polarizace a rychlé rozpuštění k vytvoření injekční řešení.[1][2] Po injekci hyperpolarizovaného substrátu lze mapovat metabolickou aktivitu na základě enzymatické přeměny injikované molekuly. Na rozdíl od jiných metabolických zobrazovacích metod, jako je pozitronová emisní tomografie, hyperpolarizovaná uhlík-13 MRI poskytuje chemické i prostorové informace, což umožňuje tuto techniku použít k testování aktivity specifických metabolických drah. To vedlo k novým způsobům zobrazování nemocí. Například metabolická přeměna hyperpolarizovaných pyruvát do laktát se stále více používá k obrazu rakovinný tkáně prostřednictvím Warburgův efekt.[3][4][5]
Hyperpolarizace
Zatímco hyperpolarizace anorganických malých molekul (jako 3On a 129Xe) je obecně dosaženo použitím optické čerpání s rotační výměnou (SEOP), sloučeniny užitečné pro metabolické zobrazování (např 13C nebo 15N) jsou obvykle hyperpolarizovány pomocí dynamická nukleární polarizace (DNP). DNP lze provádět při provozních teplotách 1,1 - 1,2 K a vysokých magnetických polích (~ 4T).[6] Sloučeniny se potom rozmrazí a rozpustí, čímž se získá roztok o teplotě místnosti obsahující hyperpolarizovaná jádra, která se mohou injikovat.
Rozpouštění a injekce
Hyperpolarizované vzorky 13Kyselina pyrohroznová se obvykle rozpustí v nějaké formě vodného roztoku obsahujícího různé detergenty a pufrovací činidla. Například ve studii detekující reakci nádoru na etoposid ošetření byl vzorek rozpuštěn ve 40 mM HEPES, 94 mM NaOH, 30 mM NaCl a 50 mg / l EDTA.[3]
Předklinické modely
Hyperpolarzovaná magnetická rezonance na uhlík-13 se v současné době vyvíjí jako potenciálně nákladově efektivní nástroj pro diagnostiku a pokrok v různých metodách rakoviny, počítaje v to rakovina prostaty. Mezi další potenciální použití patří neuro-onkologické aplikace, jako je monitorování metabolických událostí in vivo v reálném čase.[7]
Klinické testy
Většina klinických studií využívá 13Hyperpolarizace C v současné době studuje metabolismus pyruvátu u rakoviny prostaty, testování reprodukovatelnosti zobrazovacích údajů a proveditelnost získání času.[8]
Zobrazovací metody
Spektroskopické zobrazování
Spektroskopické zobrazovací techniky umožňují extrahovat chemické informace z hyperpolarizovaných experimentů s MRI na uhlíku 13. Výrazný chemický posun spojené s každým metabolitem lze využít ke zkoumání výměny magnetizace mezi skupinami odpovídajícími každému z metabolitů.
Metabolitově selektivní excitace
Pomocí technik pro simultánní prostorovou a spektrální selektivní excitaci lze navrhnout vysokofrekvenční pulsy k individuálnímu rušení metabolitů.[9][10]To umožňuje kódování obrazů selektivních na metabolit bez nutnosti spektroskopického zobrazování. Tato technika také umožňuje použití různých úhlů otočení na každý metabolit,[11][12]což umožňuje navrhnout pulzní sekvence, které optimálně využívají omezenou polarizaci dostupnou pro zobrazování.[13][14]
Dynamické zobrazovací modely
Na rozdíl od konvenčních magnetických rezonancí jsou hyperpolarizované experimenty neodmyslitelně dynamické, protože obrazy se musí získávat, když se injikovaný substrát šíří tělem a metabolizuje se. To vyžaduje dynamické modelování systému a odhad pro kvantifikaci rychlostí metabolické reakce. Existuje celá řada přístupů pro modelování vývoje magnetizace v rámci jednoho voxelu.
pyruvát | laktát | alanin | |
---|---|---|---|
T1 | ~ 46,9-65 s v závislosti na intenzitě pole B0[15] | ||
T2 (Nádor HCC ) | 0,9 ± 0,2 s[16] | 1,2 ± 0,1 s[16] | |
T2 (zdravá játra) | 0,52 ± 0,03 s[16] | 0,38 ± 0,05 s[16] |
Dvoudruhový model s jednosměrným tokem
Nejjednodušší model metabolického toku předpokládá jednosměrnou přeměnu injikovaného substrátu S na produkt P. Předpokládá se, že rychlost přeměny je řízena konstantou reakční rychlosti
- .
(1)
Výměna magnetizace mezi těmito dvěma druhy pak může být modelována pomocí lineární obyčejné diferenciální rovnice
kde označuje rychlost, kterou je příčná magnetizace rozpadá se na polarizaci tepelné rovnováhy, pro druh produktu P.
Dvoudruhový model s obousměrným tokem
Model jednosměrného toku lze rozšířit tak, aby zohledňoval obousměrný metabolický tok s dopřednou rychlostí a zpětná sazba
(2)
Diferenciální rovnice popisující magnetizační výměnu je tedy
Účinek vysokofrekvenčního buzení
Opakované vysokofrekvenční (RF) buzení vzorku způsobuje další rozpad magnetizačního vektoru. Pro konstantní úhel otočení sekvencí lze tento efekt aproximovat pomocí větší efektivní rychlosti rozpadu počítané jako
kde je úhel otočení a je doba opakování.[17]Lze také použít časově proměnné sekvence úhlu otočení, ale vyžadují, aby dynamika byla modelována jako a hybridní systém s diskrétními skoky ve stavu systému.[18]
Mapování metabolismu
Cílem mnoha hyperpolarizovaných experimentů s MRI na uhlíku 13 je zmapovat aktivitu konkrétní metabolické dráhy. Metody kvantifikace rychlosti metabolismu z dynamických obrazových dat zahrnují dočasnou integraci metabolických křivek, výpočet konečného integrálu označovaného ve farmakokinetice jako plocha pod křivkou (AUC ) a poměr integrálů vezmeme jako náhradu úrokových konstant.
Poměr plochy pod křivkou
Porovnávání určitý integrál pod křivkami metabolitu substrátu a produktu byla navržena jako alternativa k odhadům parametrů založeným na modelu jako metoda kvantifikace metabolické aktivity. Za konkrétních předpokladů poměr
plochy pod křivkou produktu AUC (P) k ploše pod křivkou substrátu AUC (S) je úměrná rychlosti dopředného metabolismu .[19]
Hodnotit mapování parametrů
Když jsou předpoklady, za nichž je tento poměr úměrný nejsou splněny nebo ve shromážděných datech je značný šum, je žádoucí vypočítat odhady parametrů modelu přímo. Když je hluk nezávislé a identicky distribuované a Gaussian, parametry lze přizpůsobit pomocí nelineární nejmenší čtverce odhad. Jinak (například pokud jsou obrázky velikosti s Rician distribuován hluk), parametry lze odhadnout pomocí odhad maximální věrohodnosti. Prostorové rozdělení metabolických rychlostí lze vizualizovat odhadem metabolických rychlostí odpovídajících časové řadě od každého voxelu a vynesením teplotní mapa odhadovaných sazeb.
Viz také
- Uhlíková-13 nukleární magnetická rezonance
- Dynamická nukleární polarizace
- Funkční zobrazování
- Spektroskopické zobrazování magnetickou rezonancí
Reference
- ^ Ardenkjaer-Larsen JH, Fridlund B, Gram A, Hansson G, Hansson L, Lerche MH, Servin R, Thaning M, Golman K (září 2003). „Zvýšení odstupu signálu od šumu> 10 000krát v kapalném stavu NMR“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 100 (18): 10158–63. Bibcode:2003PNAS..10010158A. doi:10.1073 / pnas.1733835100. PMC 193532. PMID 12930897.
- ^ Golman K, Ardenkjaer-Larsen JH, Petersson JS, Mansson S, Leunbach I (září 2003). „Molekulární zobrazování s endogenními látkami“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 100 (18): 10435–9. Bibcode:2003PNAS..10010435G. doi:10.1073 / pnas.1733836100. PMC 193579. PMID 12930896.
- ^ A b Den SE, Kettunen MI, Gallagher FA, Hu DE, Lerche M, Wolber J, Golman K, Ardenkjaer-Larsen JH, Brindle KM (listopad 2007). "Detekce odpovědi nádoru na léčbu pomocí hyperpolarizovaného 13C magnetického rezonančního zobrazování a spektroskopie". Přírodní medicína. 13 (11): 1382–7. doi:10,1038 / nm1650. PMID 17965722.
- ^ Sriram R, Kurhanewicz J, Vigneron DB (2014). „Hyperpolarizované studie uhlíkové 13 MRI a MRS“. eMagRes. 3: 1–14. doi:10.1002 / 9780470034590.emrstm1253.
- ^ Nelson SJ, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Larson PE, Harzstark AL, Ferrone M, van Criekinge M, Chang JW, Bok R, Park I, Reed G, Carvajal L, Small EJ, Munster P, Weinberg VK, Ardenkjaer-Larsen JH , Chen AP, Hurd RE, Odegardstuen LI, Robb FJ, Tropp J, Murray JA (srpen 2013). „Metabolické zobrazování pacientů s rakovinou prostaty pomocí hyperpolarizovaného [1-³³C] pyruvátu“. Science Translational Medicine. 5 (198): 198ra108. doi:10.1126 / scitranslmed.3006070. PMC 4201045. PMID 23946197.
- ^ Jóhannesson H, Macholl S, Ardenkjaer-Larsen JH (duben 2009). "Dynamická nukleární polarizace kyseliny [1-13C] pyrohroznové při 4,6 tesla". Journal of Magnetic Resonance. 197 (2): 167–75. Bibcode:2009JMagR.197..167J. doi:10.1016 / j.jmr.2008.12.016. PMID 19162518.
- ^ Miloushev VZ, Keshari KR, Holodny AI (únor 2016). „Hyperpolarizační MRI: Preklinické modely a potenciální aplikace v neuroradiologii“. Témata v zobrazování magnetickou rezonancí. 25 (1): 31–7. doi:10.1097 / RMR.0000000000000076. PMC 4968075. PMID 26848559.
- ^ "Klinické testy".
- ^ Lupo JM, Chen AP, Zierhut ML, Bok RA, Cunningham CH, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Nelson SJ (únor 2010). „Analýza hyperpolarizovaného dynamického zobrazování 13C laktátu v transgenním myším modelu rakoviny prostaty“. Magnetická rezonance. 28 (2): 153–62. doi:10.1016 / j.mri.2009.07.007. PMC 3075841. PMID 19695815.
- ^ Cunningham CH, Chen AP, Lustig M, Hargreaves BA, Lupo J, Xu D, Kurhanewicz J, Hurd RE, Pauly JM, Nelson SJ, Vigneron DB (červenec 2008). "Pulzní sekvence pro dynamické objemové zobrazování hyperpolarizovaných metabolických produktů". Journal of Magnetic Resonance. 193 (1): 139–46. Bibcode:2008JMagR.193..139C. doi:10.1016 / j.jmr.2008.03.012. PMC 3051833. PMID 18424203.
- ^ Larson PE, Kerr AB, Chen AP, Lustig MS, Zierhut ML, Hu S, Cunningham CH, Pauly JM, Kurhanewicz J, Vigneron DB (září 2008). "Vícepásmové excitační impulsy pro hyperpolarizované 13C dynamické zobrazování chemickým posunem". Journal of Magnetic Resonance. 194 (1): 121–7. Bibcode:2008JMagR.194..121L. doi:10.1016 / j.jmr.2008.06.010. PMC 3739981. PMID 18619875.
- ^ Marco-Rius I, Cao P, von Morze C, Merritt M, Moreno KX, Chang GY, Ohliger MA, Pearce D, Kurhanewicz J, Larson PE, Vigneron DB (duben 2017). „13 studií metabolismu C-MR“. Magnetická rezonance v medicíně. 77 (4): 1419–1428. doi:10,1002 / mrm.26226. PMC 5040611. PMID 27017966.
- ^ Xing Y, Reed GD, Pauly JM, Kerr AB, Larson PE (září 2013). "Optimální schémata variabilního úhlu otočení pro dynamický sběr výměnných hyperpolarizovaných substrátů". Journal of Magnetic Resonance. 234: 75–81. Bibcode:2013JMagR.234 ... 75X. doi:10.1016 / j.jmr.2013.06.003. PMC 3765634. PMID 23845910.
- ^ Maidens J, Gordon JW, Arcak M, Larson PE (listopad 2016). „Optimalizace úhlů otočení pro odhad metabolické rychlosti v hyperpolarizovaném uhlíku-13 MRI“. Transakce IEEE na lékařském zobrazování. 35 (11): 2403–2412. doi:10.1109 / TMI.2016.2574240. PMC 5134417. PMID 27249825.
- ^ Chattergoon N, Martínez-Santiesteban F, Handler WB, Ardenkjaer-Larsen JH, Scholl TJ (leden 2013). "Polní závislost T1 pro hyperpolarizovaný [1-13C] pyruvát". Kontrastní média a molekulární zobrazování. 8 (1): 57–62. doi:10,1002 / cmmi. 1494. PMID 23109393.
- ^ A b C d Yen YF, Le Roux P, Mayer D, King R, Spielman D, Tropp J, Butts Pauly K, Pfefferbaum A, Vasanawala S, Hurd R (květen 2010). „T (2) relaxační časy (13) C metabolitů na modelu krysího hepatocelulárního karcinomu měřené in vivo pomocí (13) C-MRS hyperpolarizovaného [1- (13) C] pyruvátu“. NMR v biomedicíně. 23 (4): 414–23. doi:10,1002 / nbm.1481. PMC 2891253. PMID 20175135.
- ^ Søgaard LV, Schilling F, Janich MA, Menzel MI, Ardenkjaer-Larsen JH (květen 2014). "In vivo měření zdánlivých difúzních koeficientů hyperpolarizovaných metabol³C-značených metabolitů". NMR v biomedicíně. 27 (5): 561–9. doi:10,1002 / nbm.3093. PMID 24664927.
- ^ Bahrami N, Swisher CL, Von Morze C, Vigneron DB, Larson PE (únor 2014). „Kinetické a perfuzní modelování hyperpolarizovaného (13) C pyruvátu a močoviny u rakoviny s libovolnými úhly překlopení RF“. Kvantitativní zobrazování v medicíně a chirurgii. 4 (1): 24–32. doi:10.3978 / j.issn.2223-4292.2014.02.02. PMC 3947982. PMID 24649432.
- ^ Hill DK, Orton MR, Mariotti E, Boult JK, Panek R, Jafar M, Parkes HG, Jamin Y, Miniotis MF, Al-Saffar NM, Beloueche-Babari M, Robinson SP, Leach MO, Chung YL, Eykyn TR (2014 ). „Model free approach to kinetical analysis of real-time hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy data“. PLOS One. 8 (9): e71996. Bibcode:2013PLoSO ... 871996H. doi:10.1371 / journal.pone.0071996. PMC 3762840. PMID 24023724.