一个多腔动态单一酶幻影超极化磁共振剂研究的用途

摘要

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

摘要

磁共振超极化底物的影像显示在实时关键的生化过程的评估重要的临床前景。由于受超极化状态施加限制的根本，充满异国情调的成像和重建技术是常用的。对于动态的，多光谱成像方法表征一个实用的系统迫切需要。这样的系统必须可重复复述正常和病理组织的相关化学动力学。最广泛使用的基材日期是超极化[1- ¹³ C]丙酮酸癌症代谢的评估。我们描述了介导丙酮酸至乳酸的转化基于酶的幻象系统。反应通过超极化剂的注入开始到虚线内的多个腔室，其中每一个包含不同的是控制反应速率的试剂的浓度。多个隔室是必要的，以确保伊马蔓茎序列忠实捕获组织的空间和代谢异质性。该系统将通过提供化学动力学所不具备与传统幻影，以及控制和再现那是不可能在体内帮助的先进影像战略的制定和验证。

引言

的¹³ C标记的化合物的超极化的磁共振成像（MRI）的临床影响主要取决于其测量流经实时磁共振光谱学和光谱成像^1-5化学转化率的能力。期间顺序开发和验证，动态化学转化一般是通过在体内或体外模型^6-9，提供有限的控制和再现性来实现的。对于稳健的测试和质量保证，它保留了化学转化特有的这种测量更多的控制系统将是首选。我们概述实现使用动态单一酶虚线可重复的方式这种转换的方法。

与超极化¹³ C制剂的研究大多集中于一个正常运作的生物环境成像超极化基板。这是显而易见的选择，如果目标是研究生物人处理或确定在临床护理潜在影响。然而，如果一些测量系统或数据处理算法的表征是期望的，生物模型有许多缺点，如固有的空间和时间变化^10。然而，传统的静态幻影缺乏化学转化驱动在超极化基底的MRI主要临床利益，并且不能用于表征转化率或其他动态参数¹¹的检测。使用单一酶系统，我们可以提供可控的和可重复的化学转化，从而实现动态显像策略严格的审查。

该系统是针对谁正在开发的成像策略超极化基板，并希望反对其他方法相比性能特征调查。如果静态测量所需的终结点，然后静¹³ C-标有代谢幻影无线会足够了^11。在另一端，如果更复杂的生物特征是该方法（交货，蜂窝密度等 ）则实际的生物模型，将需要^12-14的关键。该系统非常适合的，旨在提供明显的化学转化率的定量测量成像战略评估。

研究方案

注:（幻影设计）两个3毫升室进行机加工出来的Ultem的，并配有PEEK管（1.5875毫米外径0.762毫米ID）注射和排气。庭置于充满水（ 图1）的50ml离心管中。为了避免气泡产生信号的空隙，腔和管预填充去离子水（DH ₂ O）。

1.溶液的制备

1. 制备1升缓冲溶液（81.3毫摩尔Tris pH 7.6中，203.3毫摩尔NaCl）。称取11.38克的Trizma预设晶体pH值7.6和11.88克NaCl和1升的dh ₂ O的溶解
2. 准备50毫米NADH的解决方案。称取17.8毫克β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），减少的二钾盐，并在280微升被在第一步中制备的缓冲溶液中溶解。
3. 准备250 U / ml的酶溶液。称出乳酸脱氢酶（LDH）的78.75的活性单位，并在从s 315微升缓冲液溶解TEP之一。
4. 准备丙酮酸组合。称取21.4毫克Ox063三苯甲基自由基和1.26克溶解（约1毫升）[1- ¹³ C]丙酮酸。
5. 制备溶出介质（40毫摩尔Tris pH 7.6中，40毫摩尔的NaOH，0.27毫摩尔EDTA和50mM NaCl）中。称出5.96克的Trizma预置晶体pH值7.6，1.6克的NaOH，0.1g的乙二胺四乙酸二钠盐水合物（EDTA）和2.9克NaCl和1升的dh ₂ O溶解
6. 制备1:10钆特醇溶液（50毫摩尔）。将1微升钆特醇在9微升卫生署₂ O的8 M ^[13 C]尿素准备。称取1.465 5 ^[13 C]尿素和3毫升卫生署₂ O.溶解

2.超极化丙酮酸的制备

1. 在样品杯的动态核极化（DNP）系统中，移液管的钆特醇溶液0.3微升和丙酮酸溶液的13毫克（〜10微升）。
2. 简要地搅动与枪头样品杯该混合物。
3. 将样品放入DNP系统。
   1. 确保门给DNP系统被关闭。通过点击DNP系统控制台上插入样品按钮开始样品插入过程。在采样向导中选择下一个正常的样品，然后按。
   2. 保持样品杯垂直插入杆轻轻地放在在样品杯的顶部。出现提示时，打开DNP系统，插入杯在使用插杆的变温插杆（VTI）。
   3. 拉柱塞在样品插入杆的端部以释放样品中的变温指数。从系统中删除样品插入杆和点击DNP系统控制台上的一个按钮。
4. 启动两极分化。
   1. 点击DNP系统控制台上的启动按钮两极分化。在RINMR软件类型.HYPERSENSENMR推出极化监控软件。设置建立的配置为1，按回车键。然后点击坚实的基础ū页。
   2. 设置保存文件的位置和名称。请在下拉DNP系统控制台选项卡上的13-C的配置文件，然​​后单击下一步。勾选积累过程中采样，样本集时间300秒，并点击完成。
5. 量出3.85克（〜4ml）中的溶解介质中或者通过用5毫升注射器体积或通过使用秤的重量。

3.幻影酶的制备

1. 填充〜3毫升^[13℃]的尿素溶液中的微量离心管中，并将其放置在50ml离心管中。填写50ml离心管，卫生署₂ O.
2. 通过注入〜3毫升的dh ₂ O成幻影的注射线，注意冲洗形成任何气泡预填充这两个酶商会和与卫生署₂ O线。
3. 放置假体与容易进入注射线磁铁的中心。确保有一些容器赶上那会发泄出来到t液体他排气管。
4. 制备高活性酶混合物（17.14毫米NADH，44.57 U / ml的LDH）。混合在一起240微升NADH溶液，125微升的LDH溶液和335微升缓冲液和保持在一个3毫升注射器可以连接到注入线。
   注意:一旦从DNP系统500微升的40mM丙酮酸结合，最终幻象体积将1.2毫升16.7毫丙酮酸，10毫NADH，并与pH值Tris缓冲溶液26 U / L LDH的浓度〜 7.5。
5. 制备低活性的酶的混合物（17.14毫NADH 26.79单位/毫升，LDH）混合在一起240微升NADH溶液，75微升的LDH溶液和385微升缓冲液和保持在一个单独的3毫升注射器可以连接到注入线。
   注意:一旦与500微升从DNP系统40毫丙酮酸结合最终幻象体积将1.2毫升16.7毫丙酮酸，10mM的NADH的浓度，并与pH值Tris缓冲溶液15.625 U / L LDH〜7.5 。

jove_title"> 4。运行任何质量保证（QA）和定位扫描

1. 初始定位。
   1. 加载操作模式^[1 H] TX / RX音量模式一个新的Flash定位扫描。更改设置尺寸2:光谱仪控制工具 - >编辑GS - >安装尺寸 - > 2.按GSP的光谱仪控制，直到在磁体中心的移动幻象。按STOP然后按GOP的光谱仪控制。
2. 引导扫描。
   1. 加载操作模式^[1 H] TX / RX音量模式新TriPiolt定位扫描。位置切片:扫描控制 - >切片工具 - >动片（按住M键单击并拖动，选择片与片包移动滑块）。
   2. 摆动¹小时线圈:光谱仪控制工具- > ACQ - >摆动。调整和背后的磁铁，按STOP比赛¹小时线圈。按住shift键按下扫描控制窗口上的红绿灯。

5。径向回波平面光谱成像扫描设置

1. 装入新的径向平面回波波谱成像（radEPSI）运作模式^[13 C] TX / RX音量模式进行扫描。位置切片:切片工具上的扫描控制和移动切片（按住M键单击并拖动，选择片与片包移动滑块）。
2. 摆¹³ C线圈通过点击光谱仪控制工具- > ACQ - >摆动。设置接收机增益1000-2000的光谱仪。
3. 执行最后的系统检查。根据不同的顺序，从一名球探协议尿素室观察碳-13信号。
   注意:这确保了系统开始不可逆转的溶解过程之前设置正确。

6.运行解散

1. 当丙酮酸已经达到> 90％的偏振（〜1小时），将溶液和幻象准备好了，并且扫描被构造点击DNP SY运行溶解按钮干的控制台。
2. 当系统提示移动溶解粘到其操作位置，注入溶出介质。关闭DNP系统，然后单击DNP系统控制台上的按钮完成。将溶解粘回提示依次完成时休息的位置。
3. 当DNP系统提供的超极化的丙酮酸（〜加热开始后2分钟）撤回500微升丙酮酸溶液到每个高和低浓度的酶溶液注射器。缓慢（〜10秒）注​​入每个注射器到注射线。
   注:扫描可能已经启动之前注射或随时到3分钟后喷射取决于所使用的扫描协议。

7.图像处理

注:此幻象是专为与许多成像策略的使用。参见图2，随着RAD-EPSI图像的方式用Matlab处理的例子。

1. 从FID文件加载原始数据。 ReshaPE的数据来匹配突起的数目，读出的点，回波和帐户存储为实部和虚成对数据。分离出偶数和奇数回声分。
2. 傅立叶变换或者偶数或奇数回波沿着回波尺寸。可视地识别为丙酮酸和乳酸的频带。为简单起见，使用的频谱的绝对值。
3. 分隔每个波段的代谢产物和傅立叶沿频率编码方向产生孤立的正弦图的每个变换的代谢产物。逆Radon变换独立正弦图，以产生乳酸或丙酮酸的形象。

结果

切片选择性的2D图像用快照radEPSI序列获得。代谢物图像用滤波反投影重建。代谢图像以及与质子图像对准，如在图2中看到的，在这种系统超极化乳酸盐信号只能从超极化的丙酮酸的酶转化产生的。在图4中 ，底室，具有较高的LDH浓度，具有更强的乳酸盐和较弱丙酮酸信号相比顶室作为。使用相对代谢物信号作为酶浓度的估计的乳酸为丙酮酸比在下...

讨论

超极化的代谢物实时成像具有序列设计，验证和质量控制许多独特的挑战。解决时空和光谱异质性的能力提供大量的临床潜力，但是排除了与常规MRI相关的质量保证和验证方法。复杂的成像序列或重建算法可能会有细微的依赖使得它们难以定性或验证成像实验之外。生物的异质性和其它实际问题限制使用的在体内和体外模型来表征或验证序列，硬件或数据处理算法。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
BioSpect 7T	Bruker	BioSpec 70/30 USR	7 Tesla Pre-Clinical MRI Scanner
HyperSense	Oxford Instruments	Hypersense DNP Polarizer	Dynamic Nuclear Polarizer for MRI agents
1-13C-Pyrvic Acid	Sigma Aldrich	677175	Carbon 13 labled neat pyruvic acid
Trityl Radical	GE Healthcare	OX063	Free radical used in Dynamic Nuclear Polarization
NaOH	Sigma Aldrich	S8045
EDTA	Sigma Aldrich	E6758	Ethylenediaminetetraacetic acid
LDH	Worthingthon	LS002755	Lactate Dehydrogenase from rabbit muscle
NADH	Sigma Aldrich	N4505	β-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced dipotassium salt
Trizma	Sigma Aldrich	T7943	Trizma Pre-set crystals
NaCl	Sigma Aldrich	S7653