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
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この作品は、CPRITグラント（RP140021-P5）とジュリア・ジョーンズ・マシューズがん研究奨学生CPRIT研究研修賞（RP140106、CMW）によってサポートされていました。

注：（ファントムデザイン）2 3ミリリットル室はウルテムから機械加工、射出と排気用のPEEKチューブ（1.5875ミリメートル外径および0.762ミリメートルのID）を装着しました。チャンバは水（ 図1）を充填した50mLの遠心分離管に入れました。気泡によって作成された信号の空隙を回避するために、チャンバおよびラインは、脱イオン水（のdH 2 O）を充填した事前ました。 1.溶液の調製<ol><li> 1 L緩衝液（81.3 mMトリスpHは7.6、203.3のNaCl）を準備します。うち11.38グラムのTrizmaプリセット結晶pHは7.6と11.88グラムのNaClを計り、 の dH 2 Oの1 Lに溶解します</li><li> 50 mMのNADH溶液を調製します。 β-ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NADH）、還元ジカリウム塩の17.8ミリグラムを秤量し、ステップ1で調製した緩衝液の280μlの溶解。 </li><li> 250 U / mlの酵素溶液を調製します。乳酸デヒドロゲナーゼ（LDH）の78.75活性単位を秤量およびSから315μlの緩衝液中に溶解TEP 1。 </li><li>ピルビン酸ミックスを調製します。 21.4 mgのOx063トリチルラジカルを秤量し、1.26グラム（〜1ミリリットル）[1- 13 C]ピルビン酸に溶解します。 </li><li>溶解媒体を準備します（40 mMトリスpHは7.6、40mMのNaOHを、0.27 mMのEDTAおよび50mMのNaCl）。トリズマプリセット結晶性pH 7.6の5.96グラム、NaOHを1.6グラム、0.1グラムエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩の水和物（EDTA）および2.9グラムのNaClを秤量し、1 LののdH 2 Oに溶解します</li><li> 1時10ガドテリドール溶液（50 mm）を準備します。 dH 2 Oの9μlのガドテリドール1μlのミックス8 M [13 C]尿素の調製。 1.465 5 [13 C]尿素を秤量し、3ミリリットルのdH 2 Oに溶解します</li></ol>過分極ピルビン酸の調製<ol><li>動的核分極（DNP）システム、ピペットガドテリドール液の0.3μlのピルビン酸溶液の13ミリグラム（〜10μl）をするためのサンプルカップで。 </li><li>簡単に言うとピペットチップでサンプルカップにこの混合物を攪拌。&lt;/李&gt; <li> DNPシステムにサンプルを挿入します。 <ol><li> DNPシステムへの扉を確認してください閉じています。 DNPシステム・コンソールに挿入サンプルボタンをクリックすることにより、サンプルの挿入プロセスを開始します。サンプル・ウィザードでは次の通常のサンプルを選択し、を押します。 </li><li>サンプルカップを維持する垂直優しくサンプルカップの上に挿入ロッドを配置します。プロンプトが表示されたら、DNPシステムを開き、挿入ロッドを使用して、温度可変インサート（VTI）にカップを挿入します。 </li><li>温度可変インデックスにサンプルを解放するために、サンプル挿入ロッドの終わりにプランジャーに引き出します。システムからのサンプル挿入ロッドを取り外し、DNPシステム・コンソールに次のボタンをクリックします。 </li></ol></li><li>偏光を開始します。 <ol><li> DNPシステムのコンソール上でスタート分極ボタンをクリックします。偏光監視ソフトウェアを起動するRINMRソフトウェアで型.HYPERSENSENMR。 1に設定を構築し、Enterキーを押します設定します。次に、固体のビルド]をクリックしますuのP。 </li><li>保存ファイルの場所と名前を設定します。 DNPシステムのコンソール上のタブのドロップダウンで13-C用のプロファイルを選択し、次へ]をクリックします。 300秒に、ビルドアップ時に設定サンプル時間をサンプリングし、[完了]をクリックするチェックボックスをオンにします。 </li></ol></li><li> 3.85グラムを測定する（〜4ミリリットル）溶解媒体のいずれかの5ミリリットルの注射器との体積やスケールを使用して重量。 </li></ol>酵素ファントムの調製<ol><li> 〜3ミリリットル[13 C]尿素水溶液でマイクロ遠心チューブを記入し、50ミリリットルの遠心分離管に入れてください。 dH 2 Oで50mlの遠心分離管を埋めます</li><li>形成された泡を洗い流すように注意しながら、ファントムの注入ラインへ〜3ミリリットルのdH 2 Oを注入することによって、2つの酵素室とのdH 2 Oを持つ行を事前に記入してください。 </li><li>注入ラインに簡単にアクセス磁石の中心にファントムを置きます。トンに出ベントます液体をキャッチするためにいくつかのコンテナがあることを確認してください<html>排気ラインを彼。 </li><li>高活性の酵素混合物（17.14 mMのNADH、44.57 U / mLのLDH）を準備します。一緒に240μlのNADH溶液を、125μlのLDH溶液および335μlの緩衝液を混合し、注入ラインに結合させることができる3ミリリットル注射器に保ちます。 注：DNPシステムからの40mMピルビン酸500μlのと合わせたら、最終的なファントム量は16.7 mMのピルビン酸、10 mMのNADHの​​濃度が1.2ミリリットルであること、およびpHを有するトリス緩衝溶液中で26 U / LのLDHます〜 7.5。 </li><li>低活性酵素混合物（17.14 mMのNADH 26.79 U / mLのLDH）を一緒に240μlのNADH溶液を、75μlのLDH溶液および385μlの緩衝液を混合し、注入ラインに取り付けることができる別個の3ミリリットル注射器に保管を準備します。 注：DNPシステムからの40mMピルビン酸500μlのと合わせたら、最終的なファントムのボリュームは16.7 mMのピルビン酸、10 mMのNADHの​​濃度が1.2ミリリットルであること、およびpH約7.5でトリス緩衝溶液中で15.625 U / LのLDHます。 </li></ol>jove_title &quot;&gt; 4。任意の品質保証（QA）とポジショニングスキャンを実行します。 <ol><li>最初のポジショニング。 <ol><li>動作モード[1 H] TX / RXボリュームモードで新規FLASH位置決めスキャンをロードします。 2に設定さ寸法を変更します。分光計コントロールツールを - &gt;編集GS - &gt;セットアップ寸法 - &gt; 2.分光器制御に関するGSPと磁石の中央までのファントムを移動します。分光器制御上を押してSTOPを押しGOP。 </li></ol></li><li>パイロットスキャン。 <ol><li>動作モード[1 H] TX / RXボリュームモードで新規TriPiolt位置決めスキャンをロードします。位置スライス：スキャン制御 - &gt;スライス工具類 - &gt;は（;スライスパッケージスライダーで移動するには、スライスを選択し、Mキーをクリックしてドラッグを保持）スライスを移動します。 </li><li>ウォブル1 Hコイル：分光計コントロールツール- &gt; ACQ - &gt;ぐらつき。磁石と押してSTOP背後にある1 Hコイルをチューニングし、一致します。シフトキーを押しにスキャンコントロールウィンドウ上のトラフィックの光を保持したまま。 </li></ol></li></ol><pクラス= &quot;jove_title&quot;&gt; 5。ラジアルエコープラナー分光イメージングスキャンの設定<ol><li>動作モードの[13 C] TX / RXボリュームモードをスキャンし、新しいラジアルエコープラナー分光イメージング（radEPSI）をロードします。位置スライス：スライスツールスキャン制御上のスライスを移動（Mキークリックとドラッグを保持し、スライスパッケージスライダーで移動するには、スライスを選択します）。 </li><li>分光計コントロールツールをクリックしてウォブル13 Cコイル- &gt; ACQ - &gt;ぐらつき。スペクトロメーター上で1,000〜2,000に受信ゲインを設定します。 </li><li>最終的なシステムチェックを実行します。配列に依存して、スカウトプロトコルにおける尿素室から炭素13の信号を観察します。 注：これは、システムが不可逆的な溶解プロセスを開始する前に適切に設定されることを保証します。 </li></ol> 6.ファイル名を指定して実行解散<ol><li>ピルビン酸は、&gt; 90％の偏光（〜1時間）を達成した場合には、ソリューションおよびファントムは準備ができている、とスキャンがDNP SY上で実行溶解ボタンをクリックして構成されていますコンソールを食い止めます。 </li><li>その動作位置への溶解スティックを移動し、溶解媒体を注入するプロンプトが表示されたら。 DNPシステムを閉じ、DNPシステム・コンソールに完成したボタンをクリックします。 [完了]をクリックし、プロンプトが表示されたら休止位置に戻す溶解スティックを移動します。 </li><li> （加熱開始後〜2分）DNPシステムは、過分極ピルビン酸を配信する場合、それぞれ高いおよび低い酵素濃度溶液をシリンジにピルビン酸溶液500μlを撤回。ゆっくりと（〜10秒）注​​入ラインにそれぞれ注射器を注入します。 注：スキャンは、注射前に、またはいつでも使用するスキャンプロトコルに応じて3分後に注射まで開始されている可能性があります。 </li></ol> 7.画像処理注：このファントムは、多くのイメージング戦略で使用するために設計されました。 RAD-EPSIの画像はMATLABを使用して処理した方法の例として、 図2を参照してください。 <ol><li> FIDファイルから生データをロードします。 Resha実部と虚ペアとして格納されたデータのためのポイント、エコーやアカウントを読み出し、突起の数と一致するデータをPE。偶数と奇数エコーポイントを分離。 </li><li>フーリエ変換は、エコー次元に沿って偶数か奇数エコーのいずれかを変換します。視覚ピルビン酸および乳酸のための周波数帯域を特定します。簡単にするために、スペクトルの絶対値を用いました。 </li><li>各代謝産物のバンドを分離し、フーリエ変換は、各代謝物のために孤立したサイノグラムを生成する周波数エンコード方向に沿って変換します。逆ラドンは、乳酸やピルビン酸のいずれかの画像を生成するために別個のサイノグラムを変換します。 </li></ol>

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	<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. 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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. 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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. 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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>

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過分極代謝産物のリアルタイムイメージングシーケンスの設計、検証、および品質管理のための多くの固有の課題を有しています。時空間およびスペクトル不均一性を解決する能力はかなりの臨床的可能性を提供していますが、従来のMRIに関連したQAおよび検証方法を排除します。複雑な撮像シーケンスまたは再構成アルゴリズムは、撮像実験の外側を特徴付けるか検証するためにそれらが?...

13 C標識化合物の過分極磁気共鳴画像（MRI）の臨床的影響は、リアルタイム磁気共鳴分光法及び分光イメージング1-5を介して化学変換率を測定する能力に決定的に依存します。配列開発および検証中に、動的な化学変換は、一般に、 インビボまたは制限された制御および再現性を提供するin vitroモデル6-9 にすることによって達成されます。堅牢なテストと品質保証のために、この測定に流行して化学変換を維持し、より制御システムが好ましいであろう。我々は、動的単一の酵素のファントムを用いて、再現可能な方法で、この変換を達成するための方法を概説します。 過分極13 C剤とほとんどの研究は、機能生物学的環境で、超偏極基板を画像化に焦点を当てます。目標は、生物学を研究することである場合、これは当然の選択でありますアル・プロセスまたは臨床ケアへの影響の可能性を決定します。いくつかの測定システムまたはデータ処理アルゴリズムの特性が所望される場合には、生物学的モデルは、固有の空間的および時間的可変10のような多数の欠点を有します。しかしながら、従来の静的なファントムは、過分極基質のMRIの主要な臨床的関心を駆動化学変換を欠き、かつ変換率または他の動的パラメータ11の検出を特徴付けるために使用することができません。単一酵素系を使用して、我々は、動的画像化戦略の厳密な検査を可能にする、制御可能かつ再現可能な化学変換を提供することができます。 このシステムは、超偏極基板用のイメージング戦略を開発し、代替的なアプローチとの比較のための性能を特徴づけるために希望している研究者を対象としています。静的測定は、所望の終点である場合には、静的な13 C-標識さ代謝物ファントムのwi11で十分でしょう。もう一方の端に、より複雑な生物学的特徴付けは、実際の生物学的モデルは12月14日を必要とされる方法（配達、細胞密度、 など ）にとって重要である場合。このシステムは、見かけ上の化学的変換率の定量的尺度を提供することを目的とイメージング戦略の評価のために理想的です。

<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

磁気共鳴による過分極基質のイメージングは​​、リアルタイムでの重要な生化学的プロセスの評価のための偉大な臨床約束を示しています。過分極状態によって課される基本的な制約のために、エキゾチックなイメージングおよび再建技術が一般的に使用されています。ダイナミック、マルチスペクトルイメージング法の特性評価のための実用的なシステムは、批判的に必要とされています。このようなシステムは、再現性正常および病的な組織の関連する化学ダイナミクスを再現する必要があります。これまでで最も広く利用されている基板は、がん代謝の評価のための[1- 13 C]ピルビン酸を過分極されています。私たちは、乳酸へのピルビン酸への変換を媒介する酵素ベースファントムシステムを説明します。反応は、反応速度を制​​御する試薬の濃度を変え含ま各々が、ファントム内の複数の室に過分極剤の注入によって開始されます。複数の区画は、IMAを確保するために必要です銀杏の配列は、忠実に組織の空間的および代謝不均一性をキャプチャします。このシステムは、 生体内では不可能である化学従来のファントムからは入手できませんダイナミクスだけでなく、制御と再現性を提供することにより、高度なイメージング戦略の開発と検証を支援します。

スライス選択2D画像は、スナップショットradEPSIシーケンスを用いて取得しました。代謝物の画像はフィルタ逆投影を使用して再構築しました。代謝産物の画像が良く、図2に見られるように、プロトン画像と整列させた。このシステムでは過分極乳酸塩の信号のみが過分極ピルビン酸塩の酵素的変換から生成することができます。 図4は 、下?...

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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.

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K ビュー.  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.

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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.

NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

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

工学

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.

過分極<sup&gt; 13</sup&gt; C代謝磁気共鳴分光法とイメージング

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

がん研究

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.

NMRによるリアルタイム酵素反応速度測定のための溶解動的核分極計装

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

化学

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.

高速走査電子常磁性共鳴イメージング生理学的に重要なパラメータのための新しい道を開きます。<em&gt;インビボ</em

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

生物工学

High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy offers a unique access to probe the structure and dynamics of such proteins in biological membranes of increasing complexity. Here, we present modern solid-state NMR spectroscopy as a tool to study structure and dynamics of proteins in natural lipid membranes and at atomic scale. Such spectroscopic studies profit from the use of high-sensitivity ssNMR methods, i.e., proton-(1H)-detected ssNMR and DNP (Dynamic Nuclear Polarization) supported ssNMR. Using bacterial outer membrane beta-barrel protein BamA and the ion channel KcsA, we present methods to prepare isotope-labeled membrane proteins and to derive structural and motional information by ssNMR.

This work details robust basic routines on how to prepare isotope-labeled membrane protein samples and analyze them at high-resolution with modern solid-state NMR spectroscopy methods.

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy ...

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.

過偏光のスピン格子緩和磁場依存性の測定[1-13C]ピルビン酸

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

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.

磁気共鳴画像検証用脂肪水ファントム: 柔軟でスケーラブルなプロトコル

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

医学

高画質な超分極キセノン-129磁気共鳴画像の取得

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.

著者スポットライト:過分極Xenon-129 MRIを使用した肺疾患の研究 

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.

過偏波キセノン磁気共鳴画像法におけるトラブルシューティングと品質保証:高品質画像取得のためのツール

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

過分極磁気共鳴剤の研究のための多区画動的単一酵素ファントムの使用

要約

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NMRやMRIのアプリケーションのための過分極キセノン

過分極

NMRによるリアルタイム酵素反応速度測定のための溶解動的核分極計装

高速走査電子常磁性共鳴イメージング生理学的に重要なパラメータのための新しい道を開きます。

High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

過偏光のスピン格子緩和磁場依存性の^測定[1-13C]ピルビン酸

磁気共鳴画像検証用脂肪水ファントム: 柔軟でスケーラブルなプロトコル

過偏波キセノン磁気共鳴画像法におけるトラブルシューティングと品質保証:高品質画像取得のためのツール

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