JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Abstract

التصوير من ركائز hyperpolarized بالرنين المغناطيسي يبين الوعد طبي كبير لتقييم العمليات الكيميائية الحيوية الهامة في الوقت الحقيقي. بسبب القيود الأساسية التي تفرضها الدولة hyperpolarized، تستخدم عادة تقنيات التصوير وإعادة الإعمار الغريبة. هناك حاجة ماسة إلى نظام عملي للتوصيف، طرق دينامية التصوير متعددة الأطياف. مثل هذا النظام يجب أن ألخص بتكاثر ديناميات الكيميائية ذات الصلة من الأنسجة الطبيعية والمرضية. وhyperpolarized الركيزة الأكثر استخداما على نطاق واسع حتى الآن [1- 13 C] -pyruvate لتقييم عملية التمثيل الغذائي السرطان. نحن تصف نظام الوهمية القائمة على الانزيم الذي يتوسط تحويل البيروفات لاكتات. يبدأ رد الفعل عن طريق الحقن وكيل hyperpolarized إلى غرف متعددة داخل الوهمية، كل منها يحتوي على تركيزات المواد الكيميائية التي تتحكم في معدل التفاعل متفاوتة. ضرورية لضمان حجرات متعددة معهد العالم العربيتسلسل جينج التقاط بأمانة التنوع المكاني والتمثيل الغذائي للأنسجة. وهذا النظام يساعد على تطوير والتحقق من استراتيجيات التصوير المتقدمة من خلال توفير ديناميات الكيميائية التي لا تتوفر من الخيالات التقليدية، وكذلك مراقبة واستنساخ لم يكن ذلك ممكنا في الجسم الحي.

Introduction

التأثير الطبي للhyperpolarized التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) من 13 مركبات المسمى C-اعتمادا كبيرا على قدرتها على قياس معدلات التحويل الكيميائية من خلال الوقت الحقيقي الرنين المغناطيسي الطيفي والتحليل الطيفي التصوير 1-5. خلال تطوير تسلسل والتحقق، ويتحقق التحويل الكيميائية الحيوية بصفة عامة من خلال في الجسم الحي أو نماذج في المختبر 6-9 التي تقدم سيطرة محدودة والتكاثر. لاختبار قوي وضمان الجودة، ونظام أكثر للرقابة التي تحافظ على تحويل مادة كيميائية متوطن في هذا القياس سيكون من المفضل. ونحن الخطوط العريضة وسيلة لتحقيق هذا التحويل بطريقة استنساخه باستخدام الوهمية الإنزيم الحيوي.

معظم الدراسات مع hyperpolarized 13 وكلاء C تركز على التصوير ركائز hyperpolarized في بيئة بيولوجية تعمل. هذا هو الخيار الواضح إذا كان الهدف هو دراسة البيولوجيةآل العمليات وتحديد إمكانية التأثير على الرعاية الطبية. ومع ذلك، إذا كان المطلوب توصيف بعض نظام قياس أو معالجة البيانات الخوارزمية، ونماذج البيولوجية لديها العديد من السلبيات مثل الأصيل المكاني والزماني تقلب 10. ومع ذلك، أشباح الثابتة التقليدية تفتقر إلى تحويل مادة كيميائية الذي يدفع الفائدة السريرية الأولية في التصوير بالرنين المغناطيسي من ركائز hyperpolarized، والتي لا يمكن استخدامها لتوصيف الكشف عن أسعار التحويل أو غيرها من المعالم الحيوية 11. باستخدام نظام إنزيم واحد ونحن يمكن أن توفر تحويل مادة كيميائية يمكن السيطرة عليها وقابلة للتكرار، مما يتيح الفحص الدقيق لاستراتيجيات التصوير الديناميكية.

ويوجه هذا النظام على المحققين الذين يعملون على تطوير استراتيجيات التصوير لركائز hyperpolarized وترغب في تميز الأداء للمقارنة ضد نهج بديلة. إذا القياسات ثابتة هي نقطة النهاية المطلوبة ثم ثابت 13 الأيض، وصفت C الخيالات وايليرة لبنانية يكفي 11. على الطرف الآخر إذا كان أكثر توصيف البيولوجي تعقيدا أمر بالغ الأهمية لطريقة (التسليم، والكثافة الخلوية، الخ) ثم ستكون هناك حاجة إلى نماذج البيولوجية الفعلية 12-14. هذا النظام هو المثالي لتقييم استراتيجيات التصوير التي تهدف إلى توفير مقياس كمي لأسعار التحويل الكيميائي واضحة.

Protocol

ملاحظة: (فانتوم التصميم) تم تشكيله اثنين 3 مل غرف من آلتم ومزودة أنابيب نظرة خاطفة (1.5875 ملم OD و0.762 معرف ملم) للحقن والعادم. وضعت الدوائر في أنبوب الطرد المركزي 50 مل مملوءة بالماء (الشكل 1). لتجنب الفراغات إشارة إنشاؤها من قبل فقاعات، تم مسبقا شغل الدوائر والخطوط مع الماء منزوع الأيونات (درهم 2 O).

1. الحل تحضير

  1. إعداد 1 حل العازلة L (81.3 ملي تريس درجة الحموضة 7.6، 203.3 مم كلوريد الصوديوم). تزن من 11.38 ز Trizma مسبقا بلورات درجة الحموضة 7.6 و 11.88 غرام من كلوريد الصوديوم وتذوب في 1 لتر من درهم 2 O.
  2. تجهيز 50 حل ملي NADH. تزن من 17.8 ملغ من β-نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH)، وانخفاض dipotassium الملح وتذوب في 280 ميكرولتر من حل العازلة التي أعدت في خطوة واحدة.
  3. إعداد 250 حل U / مل الإنزيم. تزن من 78.75 وحدة نشاط نازعة اللاكتات (LDH) وتذوب في 315 العازلة ميكرولتر من الصورةتيب واحد.
  4. تحضير مزيج حمض البيروفيك. تزن من 21.4 ملغ Ox063 trityl راديكالية وتذوب في 1.26 غرام (~ 1 مل) [1- 13 C] حمض البيروفيك.
  5. إعداد وسائل الإعلام حل (40 ملي تريس درجة الحموضة 7.6، 40 ملي هيدروكسيد الصوديوم، 0.27 ملي EDTA و 50 مم كلوريد الصوديوم). وزن من 5.96 غرام من بلورات Trizma مسبقا الرقم الهيدروجيني 7.6، 1.6 غرام من هيدروكسيد الصوديوم، 0.1 غرام ثنائي أمين الإيثيلين رباعي حمض الخل ثنائي الصوديوم الملح يذوى (EDTA) و 2.9 غرام كلوريد الصوديوم وتذوب في 1 لتر درهم 2 O.
  6. إعداد 1:10 حل gadoteridol (50 ملم). مزيج 1 ميكرولتر من gadoteridol في 9 ميكرولتر من درهم 2 O. إعداد 8 م [13 C] اليوريا. تزن من 1،465 5 [13 C] اليوريا وتذوب في 3 مل درهم 2 O.

2. إعداد Hyperpolarized البيروفات

  1. في كوب عينة لنظام ديناميكي الاستقطاب النووية (إدارة التخطيط الوطني)، ماصة 0.3 ميكرولتر من الحل gadoteridol و 13 ملغ (~ 10 ميكرولتر) من محلول حمض البيروفيك.
  2. يقلب هذا الخليط لفترة وجيزة في كوب عينة مع طرف ماصة.
  3. إدراج نموذج في النظام إدارة التخطيط الوطني.
    1. ضمان الباب أمام نظام إدارة التخطيط الوطني مغلق. بدء عملية الإدراج عينة عن طريق النقر على زر عينة إدراج على وحدة نظام إدارة التخطيط الوطني. على المعالج عينة اختيار عينة طبيعية واضغط التالي.
    2. الحفاظ على كوب عينة عمودي وضع بلطف قضيب الإدراج فوق الجزء العلوي من الكأس العينة. عند المطالبة، فتح نظام إدارة التخطيط الوطني وإدراج الكأس الى ادخال درجات الحرارة متغير (VTI) باستخدام قضيب الإدراج.
    3. سحب على المكبس في نهاية قضيب عينة الإدراج للافراج عن نموذج في مؤشر درجة الحرارة متغير. إزالة قضيب عينة الإدراج من النظام وانقر على زر المقبل على وحدة نظام إدارة التخطيط الوطني.
  4. بدء الاستقطاب.
    1. انقر على زر البداية الاستقطاب على وحدة نظام إدارة التخطيط الوطني. في RINMR نوع البرامج .HYPERSENSENMR لإطلاق الاستقطاب مراقبة البرمجيات. تعيين بناء التكوين إلى 1 ودخول الصحافة. ثم انقر فوق بناء متين شص.
    2. تعيين موقع واسم الملف حفظ. اختر الوضع لمدة 13-C في الانخفاض علامة على وحدة نظام إدارة التخطيط الوطني لأسفل وانقر فوق التالي. ضع علامة في المربع للعينة خلال الحشد، ضبط الوقت العينة إلى 300 ثانية، وانقر فوق إنهاء.
  5. قياس من 3.85 غرام (~ 4 مل) من وسائل الإعلام حل سواء من حيث الحجم مع حقنة 5 مل أو حسب الوزن باستخدام مقياس.

3. إعداد أنزيم فانتوم

  1. ملء أنبوب microcentrifuge مع ~ 3 مل [13 C] محلول اليوريا ووضعه في أنبوب الطرد المركزي 50 مل. ملء أنبوب الطرد المركزي 50 مل مع DH 2 O.
  2. قبل ملء الغرفتين انزيم وخطوط مع DH 2 O عن طريق حقن ~ 3 مل درهم O 2 في خطوط حقن الوهمية، مع الحرص على طرد أي فقاعات تشكيلها.
  3. وضع الوهمية في وسط المغناطيس مع سهولة الوصول إلى خطوط حقن. تأكد من أن هناك بعض الحاويات للقبض على السائل الذي سوف تنفيس عن لر انه خط العادم.
  4. إعداد ارتفاع نشاط الإنزيم خليط (17.14 ملي NADH، 44.57 U / مل LDH). مزيج معا 240 حل NADH ميكرولتر 125 ميكرولتر حل LDH و 335 العازلة ميكرولتر والحفاظ على حقنة 3 مل التي يمكن تركيبها على خط الحقن.
    ملاحظة: مرة واحدة جنبا إلى جنب مع 500 ميكرولتر من 40 ملي البيروفات من نظام إدارة التخطيط الوطني، فإن حجم الوهمية النهائي سيكون 1.2 مل مع تركيزات 16.7 ملي البيروفات، 10 ملي NADH، و 26 U / L LDH في حل تريس مخزنة مع الحموضة ~ 7.5.
  5. إعداد منخفض خليط الانزيم النشاط (17.14 ملي NADH 26.79 U / مل LDH) اخلطي 240 حل NADH ميكرولتر، 75 ميكرولتر حل LDH و 385 العازلة ميكرولتر والحفاظ على حقنة 3 مل منفصلة يمكن تركيبها على خط الحقن.
    ملاحظة: مرة واحدة جنبا إلى جنب مع 500 ميكرولتر من 40 ملي البيروفات من نظام إدارة التخطيط الوطني حجم الوهمية النهائي سيكون 1.2 مل مع تركيزات 16.7 ملي البيروفات، 10 ملي NADH، و15،625 U / L LDH في حل تريس مخزنة مع الحموضة ~ 7.5 .
jove_title "> 4. تشغيل أي ضمان الجودة (QA) وتحديد المواقع المسح

  1. المواقع الأولي.
    1. تحميل المسح FLASH المواقع جديد في وضعية التشغيل [1 H] TX / RX وضع وحدة التخزين. تغيير تشكيل أبعاد إلى 2: أداة تحكم مطياف -> تحرير GS -> الأبعاد إعداد -> 2. اضغط نظام الأفضليات المعمم بشأن التحكم مطياف ونقل الوهمية حتى تركز في المغناطيس. الصحافة إيقاف ثم اضغط الحزب الجمهوري بشأن التحكم مطياف.
  2. الطيار المسح.
    1. تحميل المسح TriPiolt المواقع جديد في وضعية التشغيل [1 H] TX / RX وضع وحدة التخزين. موقف شريحة: التحكم تفحص -> شريحة Tool-> نقل شرائح (عقد M انقر فوق مفتاح والسحب، واختيار شريحة للتحرك مع شريحة حزمة التمرير).
    2. تمايل 1 H لفائف: أداة تحكم مطياف -> ACQ -> تمايل. ضبط والنتيجة 1 H لفائف وراء المغناطيس ثم اضغط على إيقاف. في حين عقد اضغط على مفتاح التحول ضوء حركة المرور على إطار التحكم المسح الضوئي.

الطبقة = "jove_title"> 5. إعداد شعاعي صدى مستو التصوير الطيفي الضوئي

  1. تحميل شعاعي جديد مستو صدى الطيفية التصوير (radEPSI) مسح في وضعية التشغيل [13 C] TX / RX وضع وحدة التخزين. موقف شريحة: أداة شريحة على السيطرة على المسح الضوئي ونقل شرائح (عقد M انقر فوق مفتاح والسحب، واختيار شريحة للتحرك مع شريحة حزمة التمرير).
  2. تمايل 13 C لفائف من خلال النقر أداة تحكم مطياف -> ACQ -> تمايل. تعيين كسب المتلقي ل1،000-2،000 على مطياف.
  3. أداء اختبار النظام النهائي. تبعا لتسلسل، ومراقبة الكربون 13 إشارة من غرفة اليوريا في بروتوكول الكشفية.
    ملاحظة: هذا يضمن أن يتم وضع هذا النظام بشكل صحيح قبل البدء في عملية حل لا رجعة فيها.

6. تشغيل حل

  1. عندما قد أحرز البيروفات> 90٪ الاستقطاب (~ 1 ساعة)، وحلول وهمية جاهزة، ويتم تكوين الفحص انقر على زر تشغيل حل على سي إدارة التخطيط الوطنيوقف وحدة التحكم.
  2. عندما يطلب منك تحريك عصا حل في وضع التشغيل، وحقن سائل الاعلام حل. إغلاق نظام إدارة التخطيط الوطني وانقر على زر النهائي على وحدة نظام إدارة التخطيط الوطني. نقل حل عصا إلى يستريح موقف عند المطالبة ثم انقر فوق إنهاء.
  3. عندما يقدم نظام إدارة التخطيط الوطني والبيروفات hyperpolarized (~ 2 دقيقة بعد بدء التدفئة) سحب 500 ميكرولتر من الحل البيروفات في كل ارتفاع وانخفاض الحقن حل تركيز الانزيم. ببطء (~ 10 ثانية) حقن كل حقنة في خط الحقن.
    وكان من الممكن الشروع الضوئي قبل الحقن أو في أي وقت تصل إلى 3 دقائق بعد الحقن اعتمادا على بروتوكول المسح الضوئي المستخدمة: ملاحظة.

تجهيز 7. صورة

ملاحظة: تم تصميم هذا الوهمية للاستخدام مع العديد من الاستراتيجيات التصوير. انظر الشكل 2، كمثال على كيفية معالجة الصور راد-EPSI باستخدام ماتلاب.

  1. تحميل البيانات الخام من ملف ااا. Reshaالمؤسسة العامة البيانات لتتناسب مع عدد من التوقعات، تلا نقطة، أصداء وحساب البيانات المخزنة على أزواج الحقيقية والمتخيلة. فصل النقاط صدى حتى ونيف.
  2. تحويل فورييه إما أصداء الفردية أو الزوجية على طول أبعاد صدى. تحديد بصريا نطاقات التردد لالبيروفات واكتات. لالبساطة واستخدام القيمة المطلقة لطيف.
  3. فصل كل فرقة الأيض وتحويل فورييه على طول اتجاه ترميز تردد أن تسفر sinograms معزولة عن كل الأيض. الرادون معكوس تحويل sinograms منفصلة لإنتاج صورة إما اللاكتات أو البيروفات.

النتائج

تم الحصول على الصور 2D شريحة انتقائية باستخدام تسلسل قطة radEPSI. تم بناء صور المستقلب باستخدام تصفيتها العودة الإسقاط. تم محاذاة الصور الأيض بشكل جيد مع الصور بروتون، كما رأينا في الشكل (2). وفي هذا النظام hyperpolarized إشارة اللاكتات يمكن أن تتولد إل...

Discussion

في الوقت الحقيقي التصوير الأيض hyperpolarized ديه العديد من التحديات فريدة من نوعها لتصميم تسلسل، والمصادقة، ومراقبة الجودة. القدرة على حل التباين الزماني المكاني والطيفي تقدم إمكانات سريرية كبيرة ولكن يحول دون طرق ضمان الجودة والتحقق من صحة المرتبطة التصوير بالرنين الم?...

Disclosures

ويدعم نشر هذا الفيديو المقال الذي بروكر شركة.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل من قبل منحة CPRIT (RP140021-P5) وجائزة جوليا جونز باحث ماثيوز السرطان CPRIT التدريب على البحوث (RP140106، CMW).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
BioSpect 7TBrukerBioSpec 70/30 USR7 Tesla Pre-Clinical MRI Scanner
HyperSenseOxford InstrumentsHypersense DNP PolarizerDynamic Nuclear Polarizer for MRI agents
1-13C-Pyrvic AcidSigma Aldrich677175Carbon 13 labled neat pyruvic acid
Trityl RadicalGE HealthcareOX063Free radical used in Dynamic Nuclear Polarization
NaOHSigma AldrichS8045
EDTASigma AldrichE6758Ethylenediaminetetraacetic acid
LDHWorthingthonLS002755Lactate Dehydrogenase from rabbit muscle
NADHSigma AldrichN4505β-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced dipotassium salt
TrizmaSigma AldrichT7943Trizma Pre-set crystals
NaClSigma AldrichS7653

References

  1. Merritt, M. E., et al. Hyperpolarized 13C allows a direct measure of flux through a single enzyme-catalyzed step by NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104. 104, 19773-19777 (2007).
  2. Rodrigues, T. B., et al. Magnetic resonance imaging of tumor glycolysis using hyperpolarized 13C-labeled glucose. Nature medicine. 20, 93-97 (2014).
  3. Day, S. E., et al. Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nature medicine. 13, 1382-1387 (2007).
  4. Keshari, K. R., et al. Hyperpolarized 13C dehydroascorbate as an endogenous redox sensor for in vivo metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, 18606-18611 (2011).
  5. Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453, 940-943 (2008).
  6. Larson, P. E., et al. Investigation of tumor hyperpolarized [1-13C]-pyruvate dynamics using time-resolved multiband RF excitation echo-planar MRSI. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 63, 582-591 (2010).
  7. Cunningham, C. H., Dominguez Viqueira, W., Hurd, R. E., Chen, A. P. Frequency correction method for improved spatial correlation of hyperpolarized 13C metabolites and anatomy. NMR in biomedicine. 27, 212-218 (2014).
  8. Larson, P. E., et al. Fast dynamic 3D MR spectroscopic imaging with compressed sensing and multiband excitation pulses for hyperpolarized 13C studies. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 65, 610-619 (2011).
  9. Mayer, D., et al. Application of subsecond spiral chemical shift imaging to real-time multislice metabolic imaging of the rat in vivo after injection of hyperpolarized 13C1-pyruvate. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 62, 557-564 (2009).
  10. Walker, C. M., et al. A Catalyzing Phantom for Reproducible Dynamic Conversion of Hyperpolarized [1-C-13]-Pyruvate. PloS one. 8, e71274 (2013).
  11. Levin, Y. S., Mayer, D., Yen, Y. F., Hurd, R. E., Spielman, D. M. Optimization of fast spiral chemical shift imaging using least squares reconstruction: application for hyperpolarized (13)C metabolic imaging. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 58, 245-252 (2007).
  12. von Morze, C., et al. Simultaneous multiagent hyperpolarized (13)C perfusion imaging. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 72, 1599-1609 (2014).
  13. Sogaard, L. V., Schilling, F., Janich, M. A., Menzel, M. I., Ardenkjaer-Larsen, J. H. In vivo measurement of apparent diffusion coefficients of hyperpolarized (1)(3)C-labeled metabolites. NMR in biomedicine. 27, 561-569 (2014).
  14. Patrick, P. S., et al. Detection of transgene expression using hyperpolarized 13C urea and diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 73, 1401-1406 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

110 Hyperpolarized 13

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved