Name: use of a multi-compartment dynamic single enzyme phantom for studies of hyperpolarized magnetic resonance agents
Uploaded: 2016-04-15T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto da CPRIT concessione (RP140021-P5) e un premio Julia Jones Matthews Cancer Research Scholar CPRIT formazione alla ricerca (RP140106, CMW).

NOTA: (Phantom Design) Due 3 ml camere sono state ricavate da Ultem e dotati di tubi in PEEK (1,5875 millimetri OD e 0,762 millimetri ID) per l&#39;iniezione e di scarico. Le sezioni sono state poste in una provetta da centrifuga da 50 ml riempito con acqua (Figura 1). Per evitare vuoti di segnale creati da bolle, le camere e le linee sono stati pre riempiti con acqua deionizzata (DH 2 O). 1. Soluzione Preparazione <ol><li> Preparare 1 soluzione tampone L (81,3 mM Tris pH 7,6, 203,3 mM NaCl). Pesare 11.38 cristalli preimpostati g Trizma pH 7,6 e 11,88 g di NaCl e sciogliere in 1 L di dH 2 O. </li><li> Preparare 50 mM soluzione NADH. Pesare 17,8 mg di sale dipotassico β-nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), ridotta e sciogliere in 280 ml di soluzione tampone che è stato preparato al punto uno. </li><li> Preparare 250 soluzione U / ml enzimatica. Pesare 78.75 unità di attività di lattato deidrogenasi (LDH) e sciogliere in 315 microlitri di buffer da sTep uno. </li><li> Preparare mix acido piruvico. Pesare 21,4 mg Ox063 trityl radicale e sciogliere in 1,26 g (~ 1 ml) [1- 13 C] acido piruvico. </li><li> Preparare supporti scioglimento (40 mM Tris pH 7,6, 40 mM NaOH, 0,27 mm e 50 mm EDTA NaCl). Pesare 5,96 g di cristalli Trizma preimpostati pH 7,6, 1,6 g di NaOH, 0,1 g di acido etilendiamminotetraacetico sale disodico diidrato (EDTA) e 2,9 g di NaCl e sciogliere in 1 L dH 2 O. </li><li> Preparare 01:10 soluzione Gadoteridolo (50 mm). Mescolare 1 ml di gadoteridolo in 9 ml di dH 2 O. Preparazione 8 M [13 C] urea. Pesare 1.465 5 urea [13 C] e sciogliere in 3 ml di dH 2 O. </li></ol> 2. Preparazione di hyperpolarized piruvato <ol><li> In una tazza di esempio per un sistema dinamico di polarizzazione nucleare (DNP), pipettare 0,3 ml di soluzione di Gadoteridolo e 13 mg (~ 10 microlitri) della soluzione di acido piruvico. </li><li> Brevemente mescolare questa miscela in tazza campione con la punta della pipetta. &lt;/ Li&gt; <li> Inserire campione nel sistema DNP. <ol><li> Assicurarsi che la porta al sistema di DNP è chiuso. Iniziare il processo di inserimento del campione facendo clic sul pulsante del campione inserto sulla console del sistema DNP. Sulla procedura guidata di esempio selezionare campione normale e premere Avanti. </li><li> Mantenere la coppa campioni verticale collocare delicatamente l&#39;asta di inserimento sopra la parte superiore della coppa campione. Quando richiesto, aprire il sistema DNP e inserire la coppa nell&#39;inserto a temperatura variabile (VTI) utilizzando l&#39;asta di inserimento. </li><li> Tirare lo stantuffo al termine della asta di inserimento del campione per rilasciare il campione nell&#39;indice a temperatura variabile. Rimuovere l&#39;asta di inserimento del campione dal sistema e fare clic sul pulsante Avanti sulla console del sistema DNP. </li></ol></li><li> Avviare la polarizzazione. <ol><li> Fare clic sul pulsante di avvio di polarizzazione sulla console del sistema DNP. Nel RINMR tipo di software .HYPERSENSENMR per lanciare la polarizzazione software di monitoraggio. Impostare costruire la configurazione a 1 e premere Invio. Quindi scegliere Genera solido up. </li><li> Impostare il percorso e il nome del file di salvataggio. Selezionare il profilo per il 13-C nella goccia scheda sulla console del sistema DNP verso il basso e fare clic su Avanti. Selezionare la casella di assaggiare durante l&#39;accumulo, impostare il tempo di campionamento di 300 sec e fare clic su Fine. </li></ol></li><li> Misurare 3,85 g (~ 4 ml) dei mezzi di dissoluzione sia in volume con una siringa da 5 ml o in peso utilizzando una scala. </li></ol> 3. Preparazione del Enzyme Fantasma <ol><li> Riempire una provetta con ~ 3 ml [13 C] soluzione di urea e posizionarlo nella provetta da centrifuga da 50 ml. Riempire la provetta da centrifuga da 50 ml con dH 2 O. </li><li> Pre-riempire le due camere enzimatici e le linee con dH 2 O iniettando ~ 3 ml di dH 2 O nelle linee d&#39;iniezione del fantoccio, avendo cura di svuotare eventuali bolle formate. </li><li> Posizionare il fantasma nel centro del magnete con facile accesso alle linee di iniezione. Assicurarsi che ci sia qualche contenitore per catturare il liquido che sfogare a t<html> egli linea di scarico. </li><li> Preparare la miscela di enzimi ad alta attività (17.14 mM NADH, 44.57 U / ml LDH). Mescolare 240 ml soluzione di NADH, soluzione LDH 125 ml e 335 ml di buffer e mantenere in una siringa da 3 ml che può essere collegato alla linea di iniezione. NOTA: Una volta unito con 500 ml di 40 mM di piruvato dal sistema DNP, il volume phantom finale sarà 1,2 ml con concentrazioni di 16,7 mM piruvato, 10 mM NADH e 26 U / L LDH in una soluzione tris tamponata a pH ~ 7.5. </li><li> Preparare la miscela attività enzimatica basso (17.14 mM NADH 26.79 U / ml LDH) Mescolare 240 ml soluzione di NADH, soluzione LDH 75 ml e 385 ml di buffer e conservare in un separato siringa da 3 ml che può essere collegato alla linea di iniezione. NOTA: Una volta unito con 500 ml di 40 mM di piruvato dal sistema DNP volume phantom finale sarà 1,2 ml con concentrazioni di 16,7 mM piruvato, 10 mM NADH e 15.625 U / L LDH in una soluzione tris tamponata a pH ~ 7,5 . </li></ol>jove_title &quot;&gt; 4. eseguire qualsiasi Quality Assurance (QA) e di posizionamento Scansioni <ol><li> posizionamento iniziale. <ol><li> Caricare una nuova scansione posizionamento FLASH in modalità di funzionamento [1 H] modalità Volume TX / RX. Cambiare impostare le dimensioni a 2: spettrometro Strumento di controllo -&gt; Modifica GS -&gt; Impostazione Dimensioni -&gt; 2. Premere GSP sul controllo Spectrometer e spostare fantasma fino al centro del magnete. Premere STOP quindi premere GOP sul controllo Spectrometer. </li></ol></li><li> Scan pilota. <ol><li> Caricare una nuova scansione posizionamento TriPiolt in modalità di funzionamento [1 H] modalità Volume TX / RX. Posizione Slice: Scan Control -&gt; fetta Tool-&gt; spostare fette (tenere premuto M chiave clic e trascinare, selezionare fetta di muoversi con il cursore pacchetto di fetta). </li><li> Wobble 1 H Coil: Strumento di controllo Spectrometer -&gt; Acq -&gt; Wobble. Tune and match 1 H serpentina dietro il magnete e premere STOP. Tenendo premuto il tasto Shift premere il semaforo sulla finestra di controllo di scansione. </li></ol></li></ol><pclass = &quot;jove_title&quot;&gt; 5. Setup radiale Echo Planar Spectral Imaging Scan <ol><li> Caricare un eco planare di imaging spettroscopico nuovo radiale (radEPSI) scansione in modalità di funzionamento [13 C] TX / RX modalità Volume. Posizione Slice: strumento sezione sul controllo di scansione e spostare fette (tenere M chiave clic e trascinare, selezionare fetta di muoversi con il cursore pacchetto di fetta). </li><li> Wobble 13 C Coil cliccando Spectrometer Strumento di controllo -&gt; Acq -&gt; Wobble. Impostare il guadagno del ricevitore per 1.000-2.000 sul Spectrometer. </li><li> Eseguire il controllo del sistema finale. Seconda della sequenza, osservare carbonio 13 segnale dalla camera di urea in un protocollo esploratore. NOTA: Questo assicura che il sistema sia configurato correttamente prima di iniziare il processo di dissoluzione irreversibile. </li></ol> 6. Eseguire Scioglimento <ol><li> Quando il piruvato ha raggiunto&gt; 90% di polarizzazione (~ 1 ora), le soluzioni e le fantasma sono pronti, e la scansione viene configurato clic sul pulsante Esegui dissoluzione sul sy DNParginare console. </li><li> Quando richiesto spostare il bastone di dissoluzione nella sua posizione di lavoro e iniettare mezzi di dissoluzione. Chiudere il sistema DNP e fare clic sul pulsante finito sulla console del sistema DNP. Spostare bastone dissoluzione nella posizione di riposo quando viene richiesto quindi fare clic su Fine. </li><li> Quando il sistema DNP batte il piruvato iperpolarizzato (~ 2 min dopo l&#39;inizio del riscaldamento) ritirare 500 microlitri della soluzione di piruvato in ciascuna delle siringhe soluzione di alta e bassa concentrazione dell&#39;enzima. Lentamente (~ 10 sec) iniettare ogni siringa in una linea di iniezione. NOTA: La scansione potrebbe essere stato avviato prima dell&#39;iniezione o in qualsiasi momento fino a dopo l&#39;iniezione 3 min a seconda del protocollo di scansione utilizzato. </li></ol> Processing 7. Immagine NOTA: Questo fantasma è stato progettato per essere utilizzato con molte strategie di imaging. Vedere Figura 2, come un esempio di come le immagini rad-EPSI stati trattati con Matlab. <ol><li> Caricare i dati grezzi dal file FID. Reshape i dati in base al numero di proiezioni, lettura punti, echi e considerazione per i dati memorizzati come coppie reali e immaginari. Separare i punti eco pari e dispari. </li><li> Fourier entrambi gli echi pari o dispari lungo le dimensioni eco. Visivamente individuare le bande di frequenza per piruvato e lattato. Per semplicità è stato utilizzato il valore assoluto dello spettro. </li><li> Separare ogni banda metabolita e trasformata di Fourier lungo la direzione di codifica di frequenza per produrre sinograms isolati per ogni metabolita. radon trasformazione inversa le sinograms separati per produrre l&#39;immagine di una lattato o piruvato. </li></ol>

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

La pubblicazione di questo video-articolo è supportata da Bruker Corporation.

l&#39;imaging in tempo reale di metaboliti hyperpolarized ha molte sfide uniche per la progettazione sequenza, convalida e controllo qualità. La capacità di risolvere l&#39;eterogeneità spazio-temporale e spettrale offre un notevole potenziale clinico, ma preclude QA e validazione metodi associati con la RM convenzionale. sequenze di immagini complesse o algoritmi di ricostruzione possono avere dipendenze sottili che li rendono difficili da caratterizzare o convalidare al di fuori di questo esperimento di imaging. L&...

L&#39;impatto clinico della risonanza magnetica iperpolarizzato (MRI) di 13 composti C-marcati è criticamente dipendente dalla sua capacità di misurare i tassi di conversione chimica nel tempo reale spettroscopia di risonanza magnetica e spettroscopia di imaging 1-5. Durante lo sviluppo sequenza e la verifica, conversione chimica dinamica viene generalmente ottenuta attraverso in vivo o in vitro 6-9 che offrono un controllo limitato e riproducibilità. Per il test robusto e la garanzia della qualità, un sistema più controllato che conserva la conversione chimica endemica a questa misura sarebbe preferibile. Descriviamo un metodo per realizzare questa conversione in modo riproducibile utilizzando un singolo dinamica phantom enzima. La maggior parte degli studi con hyperpolarized 13 agenti C Focus on Imaging substrati hyperpolarized in un ambiente biologico funzionante. Questa è la scelta più ovvia se l&#39;obiettivo è quello di studiare biologicaAl trattate o determinare un potenziale di impatto sulla cura clinica. Tuttavia, se la caratterizzazione di qualche algoritmo di elaborazione del sistema di misura o di dati è desiderato, modelli biologici presentano numerosi inconvenienti quali intrinseca variabilità spaziale e temporale 10. Tuttavia, fantasmi statiche convenzionali hanno la conversione chimica che guida l&#39;interesse clinico primario in MRI di substrati hyperpolarized, e non possono essere utilizzati per caratterizzare rilevamento di tassi di conversione o altri parametri dinamici 11. Utilizzando un unico sistema enzimatico possiamo fornire conversione chimica controllabili e riproducibili, consentendo rigoroso esame delle strategie di imaging dinamico. Questo sistema è rivolto ai ricercatori che stanno sviluppando strategie di imaging per substrati hyperpolarized e desiderano caratterizzare le prestazioni per il confronto con approcci alternativi. Se le misurazioni statiche sono il punto finale desiderato quindi statico 13 C-etichettati metabolita fantasmi will bastare 11. Sull&#39;altra estremità se più caratterizzazione biologico complesso è fondamentale per il metodo (consegna, densità cellulare, ecc), allora saranno necessari modelli biologici effettive 12-14. Questo sistema è ideale per la valutazione delle strategie di imaging che mirano a fornire una misura quantitativa dei tassi di conversione chimica apparenti.

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

use of a multi-compartment dynamic single enzyme phantom for studies of hyperpolarized magnetic resonance agents

Imaging di substrati hyperpolarized di risonanza magnetica mostra una grande promessa per la valutazione clinica dei processi biochimici critici in tempo reale. A causa di vincoli fondamentali imposti dallo Stato iperpolarizzato, tecniche di imaging e di ricostruzione esotiche sono comunemente usati. è criticamente necessario un sistema pratico per la caratterizzazione delle dinamiche, metodi di imaging multi-spettrale. Tale sistema deve riproducibile ricapitolare le dinamiche chimici utili dei tessuti normali e patologici. Il substrato più ampiamente utilizzato fino ad oggi è hyperpolarized [1- 13 C] -pyruvate per la valutazione del metabolismo del cancro. Descriviamo un sistema phantom a base di enzimi che media la conversione del piruvato in lattato. La reazione viene iniziata mediante iniezione dell&#39;agente iperpolarizzato in più sezioni nell&#39;ambito del fantoccio, ciascuno dei quali contiene diverse concentrazioni di reagenti che controllano la velocità di reazione. Più compartimenti sono necessarie per garantire che imasequenze ging catturano fedelmente l&#39;eterogeneità spaziale e metaboliche del tessuto. Questo sistema sarà di aiuto allo sviluppo e la convalida di strategie di imaging avanzate, fornendo dinamiche chimiche che non sono disponibili da fantasmi convenzionali, così come il controllo e la riproducibilità ciò non è possibile in vivo.

immagini 2D Slice-selettivi sono state acquisite utilizzando una sequenza di istantanee radEPSI. immagini metabolita sono state ricostruite utilizzando di nuovo filtrato proiezione. Le immagini metabolita erano ben allineati con immagini di protoni, come visibile in figura 2. In questo sistema iperpolarizzato segnale lattato può essere generata solo dalla conversione enzimatica di piruvato iperpolarizzato. In figura 4, la camera inferiore, con concentra...

Watch this Scientific Journal Video about Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents at JoVE.com

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

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

L&#39;uso di un multi-comparto dinamico singolo enzima Phantom per gli Studi di hyperpolarized Risonanza Magnetica Agents

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

use-multi-compartment-dynamic-single-enzyme-phantom-for-studies

Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K Views.  University of Texas M.D. Anderson Cancer Center. A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Video: Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 T generate only a small detectable net-magnetization of the sample at room temperature 1. Hence, most NMR and MRI applications rely on the detection of molecules at relative high concentration (e.g., water for imaging of biological tissue) or require excessive acquisition times. This limits our ability to exploit the very useful molecular specificity of NMR signals for many biochemical and medical applications. However, novel approaches have emerged in the past few years: Manipulation of the detected spin species prior to detection inside the NMR/MRI magnet can dramatically increase the magnetization and therefore allows detection of molecules at much lower concentration 2.
Here, we present a method for polarization of a xenon gas mixture (2-5% Xe, 10% N2, He balance) in a compact setup with a ca. 16000-fold signal enhancement. Modern line-narrowed diode lasers allow efficient polarization 7 and immediate use of gas mixture even if the noble gas is not separated from the other components. The SEOP apparatus is explained and determination of the achieved spin polarization is demonstrated for performance control of the method.
The hyperpolarized gas can be used for void space imaging, including gas flow imaging or diffusion studies at the interfaces with other materials 8,9. Moreover, the Xe NMR signal is extremely sensitive to its molecular environment 6. This enables the option to use it as an NMR/MRI contrast agent when dissolved in aqueous solution with functionalized molecular hosts that temporarily trap the gas 10,11. Direct detection and high-sensitivity indirect detection of such constructs is demonstrated in both spectroscopic and imaging mode.

The production of hyperpolarized xenon by means of spin exchange optical pumping (SEOP) is described. This method yields a ~10000-fold enhancement of the nuclear spin polarization of Xe-129 and has applications in nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging. Examples of gas phase and solution state experiments are given.

Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

Ricerca

Ingegneria

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have emerged in conjunction with the state-of-the-art positron emission tomography with 18F-fluorodeoxyglucose ([18F]-FDG PET). 13C magnetic resonance spectroscopic imaging (13CMRSI) is a minimally invasive imaging method that enables the monitoring of metabolism in vivo and in real time. As with any other method based on 13C nuclear magnetic resonance (NMR), it faces the challenge of low thermal polarization and a subsequent low signal-to-noise ratio due to the relatively low gyromagnetic ratio of 13C and its low natural abundance in biological samples. By overcoming these limitations, dynamic nuclear polarization (DNP) with subsequent sample dissolution has recently enabled commonly used NMR and magnetic resonance imaging (MRI) systems to measure, study, and image key metabolic pathways in various biological systems. A particularly interesting and promising molecule used in 13CMRSI is [1-13C]pyruvate, which, in the last ten years, has been widely used for in vitro, preclinical, and, more recently, clinical studies to investigate the cellular energy metabolism in cancer and other diseases. In this article, we outline the technique of dissolution DNP using a 3.35 T preclinical DNP hyperpolarizer and demonstrate its usage in in vitro studies. A similar protocol for hyperpolarization may be applied for the most part in in vivo studies as well. To do so, we used lactate dehydrogenase (LDH) and catalyzed the metabolic reaction of [1-13C]pyruvate to [1-13C]lactate in a prostate carcinoma cell line, PC3, in vitro using 13CMRSI.

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

Dynamic nuclear polarization with subsequent sample dissolution has enabled real-time studies of metabolism in biological systems. Hyperpolarized [1-13C]pyruvate was used to study lactate dehydrogenase activity in a prostate carcinoma cell line in vitro.

hyperpolarized<sup&gt; 13</sup&gt; C metabolica spettroscopia di risonanza magnetica e Imaging

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have ...

Ricerca sul cancro

Dissolution Dynamic Nuclear Polarization Instrumentation for Real-time Enzymatic Reaction Rate Measurements by NMR

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of metabolic transformations. Hyperpolarization via dissolution DNP circumvents part of the sensitivity issues thanks to the large out-of-equilibrium nuclear magnetization stemming from the electron-to-nucleus spin polarization transfer. The high NMR signal obtained can be used to monitor chemical reactions in real time. The downside of hyperpolarized NMR resides in the limited time window available for signal acquisition, which is usually on the order of the nuclear spin longitudinal relaxation time constant, T1, or, in favorable cases, on the order of the relaxation time constant associated with the singlet-state of coupled nuclei, TLLS. Cellular uptake of endogenous molecules and metabolic rates can provide essential information on tumor development and drug response. Numerous previous hyperpolarized NMR studies have demonstrated the relevancy of pyruvate as a metabolic substrate for monitoring enzymatic activity in vivo. This work provides a detailed description of the experimental setup and methods required for the study of enzymatic reactions, in particular the pyruvate-to-lactate conversion rate in presence of lactate dehydrogenase (LDH), by hyperpolarized NMR.

The sensitivity enhancement provided by dissolution dynamic nuclear polarization (DNP) enables following metabolic processes in real time by NMR and MRI. The characteristics and performances of a dedicated dissolution DNP setup designed for study enzymatic reactions are discussed.

Scioglimento dinamica nucleare Polarizzazione Strumentazione in tempo reale enzimatica di reazione misure di frequenza di risonanza magnetica nucleare

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of ...

Chimica

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan electron-paramagnetic-resonance (RS-EPR), which can provide quantitative information under in vivo conditions on oxygen concentration, pH, redox status and concentration of signaling molecules (i.e., OH&#8226;, NO&#8226;). The RS-EPR technique has a higher sensitivity, improved spatial resolution (1 mm), and shorter acquisition time in comparison to the standard continuous wave (CW) technique. A variety of phantom configurations have been tested, with spatial resolution varying from 1 to 6 mm, and spectral width of the reporter molecules ranging from 16 &#181;T (160 mG) to 5 mT (50 G). A cross-loop bimodal resonator decouples excitation and detection, reducing the noise, while the rapid scan effect allows more power to be input to the spin system before saturation, increasing the EPR signal. This leads to a substantially higher signal-to-noise ratio than in conventional CW EPR experiments.

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

A new electron paramagnetic resonance (EPR) method, rapid scan EPR (RS-EPR), is demonstrated for 2D spectral spatial imaging which is superior to the traditional continuous wave (CW) technique and opens new venues for in vivo imaging. Results are demonstrated at 250 MHz, but the technique is applicable at any frequency.

Rapid Scan paramagnetica elettronica Risonanza apre nuove strade per l&#39;imaging Fisiologicamente parametri importanti<em&gt; In Vivo</em

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan ...

Bioingegneria

Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of living systems. Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using qMRI methods. The MRI acquisition protocol begins with localizer images (used to locate the position of the body and tissue of interest within the MRI system), quality control measurements of relevant magnetic field distributions, and structural imaging for general anatomical characterization. The qMRI portion of the protocol includes measurements of the longitudinal and transverse relaxation time constants (T1 and T2, respectively). Also acquired are diffusion-tensor MRI data, in which water diffusivity is measured and used to infer pathological processes such as edema. Quantitative magnetization transfer imaging is used to characterize the relative tissue content of macromolecular and free water protons. Lastly, fat-water MRI methods are used to characterize fibro-adipose tissue replacement of muscle. In addition to describing the data acquisition and analysis procedures, this paper also discusses the potential problems associated with these methods, the analysis and interpretation of the data, MRI safety, and strategies for artifact reduction and protocol optimization.

Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using non-invasive magnetic resonance imaging methods.

Quantitative Magnetic Resonance Imaging di malattia muscolare scheletrico

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of ...

Medicina

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various factors affect the relaxation rates, such as buffer composition, solution pH, temperature, and magnetic field. In this last regard, the spin-lattice relaxation time can be measured at clinical field strengths, but at lower fields, where these compounds are dispensed from the polarizer and transported to the MRI, the relaxation is even faster and difficult to measure. To have a better understanding of the amount of magnetization lost during transport, we used fast field-cycling relaxometry, with magnetic resonance detection of 13C nuclei at ~0.75 T, to measure the nuclear magnetic resonance dispersion of the spin-lattice relaxation time of hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Dissolution dynamic nuclear polarization was used to produce hyperpolarized samples of pyruvate at a concentration of 80 mmol/L and physiological pH (~7.8). These solutions were rapidly transferred to a fast field-cycling relaxometer so that relaxation of the sample magnetization could be measured as a function of time using a calibrated small flip angle (3&#176;-5&#176;). To map the T1 dispersion of the C-1 of pyruvate, we recorded data for different relaxation fields ranging between 0.237 mT and 0.705 T. With this information, we determined an empirical equation to estimate the spin-lattice relaxation of the hyperpolarized substrate within the mentioned range of magnetic fields. These results can be used to predict the amount of magnetization lost during transport and to improve experimental designs to minimize signal loss.

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

We present a protocol to measure the magnetic field dependence of the spin-lattice relaxation time of 13C-enriched compounds, hyperpolarized by means of dynamic nuclear polarization, using fast field-cycled relaxometry. Specifically, we have demonstrated this with [1-13C]pyruvate, but the protocol could be extended to other hyperpolarized substrates.

Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-13C]pyruvate

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various ...

Preparation and In Vitro Characterization of Magnetized miR-modified Endothelial Cells

To date, the available surgical and pharmacological treatments for cardiovascular diseases (CVD) are limited and often palliative. At the same time, gene and cell therapies are highly promising alternative approaches for CVD treatment. However, the broad clinical application of gene therapy is greatly limited by the lack of suitable gene delivery systems. The development of appropriate gene delivery vectors can provide a solution to current challenges in cell therapy. In particular, existing drawbacks, such as limited efficiency and low cell retention in the injured organ, could be overcome by appropriate cell engineering (i.e., genetic) prior to transplantation. The presented protocol describes the efficient and safe transient modification of endothelial cells using a polyethyleneimine superparamagnetic magnetic nanoparticle (PEI/MNP)-based delivery vector. Also, the algorithm and methods for cell characterization are defined. The successful intracellular delivery of microRNA (miR) into human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) has been achieved without affecting cell viability, functionality, or intercellular communication. Moreover, this approach was proven to cause a strong functional effect in introduced exogenous miR. Importantly, the application of this MNP-based vector ensures cell magnetization, with accompanying possibilities of magnetic targeting and non-invasive MRI tracing. This may provide a basis for magnetically guided, genetically engineered cell therapeutics that can be monitored non-invasively with MRI.

Preparation and In Vitro Characterization of Magnetized miR-modified Endothelial Cells

This manuscript describes the efficient, non-viral delivery of miR to endothelial cells by a PEI/MNP vector and their magnetization. Thus, in addition to genetic modification, this approach allows for magnetic cell guidance and MRI detectability. The technique can be used to improve the characteristics of therapeutic cell products.

preparazione e<em&gt; In Vitro</em&gt; Caratterizzazione di magnetizzato miR-modificato cellule endoteliali

To date, the available surgical and pharmacological treatments for cardiovascular diseases (CVD) are limited and often palliative. At the same time, gene ...

Fat-Water Phantoms for Magnetic Resonance Imaging Validation: A Flexible and Scalable Protocol

As new techniques are developed to image adipose tissue, methods to validate such protocols are becoming increasingly important. Phantoms, experimental replicas of a tissue or organ of interest, provide a low cost, flexible solution. However, without access to expensive and specialized equipment, constructing stable phantoms with high fat fractions (e.g., &#62;50% fat fraction levels such as those seen in brown adipose tissue) can be difficult due to the hydrophobic nature of lipids. This work presents a detailed, low cost protocol for creating 5x 100 mL&#160;phantoms with fat fractions of 0%, 25%, 50%, 75%, and 100% using basic lab supplies (hotplate, beakers, etc.) and easily accessible components (distilled water, agar, water-soluble surfactant, sodium benzoate, gadolinium-diethylenetriaminepentacetate (DTPA) contrast agent, peanut oil, and oil-soluble surfactant). The protocol was designed to be flexible; it can be used to create phantoms with different fat fractions and a wide range of volumes. Phantoms created with this technique were evaluated in the feasibility study that compared the fat fraction values from fat-water magnetic resonance imaging to the target values in the constructed phantoms. This study yielded a concordance correlation coefficient of 0.998 (95% confidence interval: 0.972-1.00). In summary, these studies demonstrate the utility of&#160;fat phantoms for validating adipose tissue imaging techniques across a range of clinically relevant tissues and organs.

The purpose of this work is to describe a protocol for creating a practical fat-water phantom that can be customized to produce phantoms with varying fat percentages and volumes.

Fantasmi di grasso-acqua per la convalida di risonanza magnetica: un protocollo flessibile e scalabile

As new techniques are developed to image adipose tissue, methods to validate such protocols are becoming increasingly important. Phantoms, experimental ...

Ottenimento di immagini di risonanza magnetica allo xenon-129 iperpolarizzato di alta qualità

Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces high-resolution images of an inhaled breath of xenon gas for investigation of lung function. However, implementing 129Xe MRI is uniquely challenging as it requires specialized hardware and equipment for hyperpolarization, procurement of xenon imaging coils and coil software, development and compilation of multinuclear MR imaging sequences, and reconstruction/analysis of acquired data. Without proper expertise, these tasks can be daunting, and failure to acquire high-quality images can be&#160;frustrating, and expensive. Here, we present some quality control (QC) protocols, troubleshooting practices, and helpful tools for129Xe MRI sites, which may aid in the acquisition of optimized, high-quality data and accurate results. The discussion will begin with an overview of the process for implementing HP 129Xe MRI, including requirements for a hyperpolarizer lab, the combination of 129Xe MRI coil hardware/software, data acquisition and sequence considerations, data structures, k-space and image properties, and measured signal and noise characteristics. Within each of these necessary steps lies opportunities for errors, challenges, and unfavorable occurrences leading to poor image quality or failed imaging, and this presentation aims to address some of the more commonly encountered issues. In particular, identification and characterization of anomalous noise patterns in acquired data are necessary to avoid image artifacts and low-quality images; examples will be given, and mitigation strategies will be discussed. We aim to make the 129Xe MRI implementation process easier for new sites while providing some guidelines and strategies for real-time troubleshooting.

Autore in primo piano: Utilizzo della risonanza magnetica allo xenon-129 iperpolarizzata per studiare le malattie polmonari 

Here, we present a protocol for obtaining high-quality hyperpolarized xenon-129 magnetic resonance images, covering hardware, software, data acquisition, sequence selection, data management, k-space utilization, and noise analysis.

Risoluzione dei problemi e garanzia di qualità nella risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato: strumenti per l'acquisizione di immagini di alta qualità

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces ...

L'uso di un multi-comparto dinamico singolo enzima Phantom per gli Studi di hyperpolarized Risonanza Magnetica Agents

Riepilogo

Esplora Altri Video

Capitoli in questo video

Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI

hyperpolarized

Scioglimento dinamica nucleare Polarizzazione Strumentazione in tempo reale enzimatica di reazione misure di frequenza di risonanza magnetica nucleare

Rapid Scan paramagnetica elettronica Risonanza apre nuove strade per l'imaging Fisiologicamente parametri importanti

Quantitative Magnetic Resonance Imaging di malattia muscolare scheletrico

Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-¹³C]pyruvate

preparazione e

Fantasmi di grasso-acqua per la convalida di risonanza magnetica: un protocollo flessibile e scalabile

Risoluzione dei problemi e garanzia di qualità nella risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato: strumenti per l'acquisizione di immagini di alta qualità

Risoluzione dei problemi e garanzia di qualità nella risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato: strumenti per l'acquisizione di immagini di alta qualità