Использование Multi-купе Dynamic один энзим Phantom для исследований гиперполяризованным магнитно-резонансных агентов

Резюме

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

Аннотация

Визуализация гиперполяризованных субстратов магнитного резонанса показывает большой клинический посыл для оценки критических биохимических процессов в режиме реального времени. Из-за фундаментальных ограничений, накладываемых гиперполяризованным состояния, обычно используются экзотические методы визуализации и реконструкции. Практическая система для определения характеристик динамических, мульти-спектральных методов визуализации крайне необходимо. Такая система должна воспроизводимо перепросматривать соответствующей химической динамики нормальных и патологических тканей. Наиболее широко используется субстрат на сегодняшний день является гиперполяризованным [1- ¹³ C] -pyruvate для оценки метаболизма рака. Мы опишем фермент на основе системы фантомное, который опосредует превращение пирувата в лактат. Реакцию инициируют путем инъекции гиперполяризованным агента на несколько камер внутри фантома, каждый из которых содержит различные концентрации реагентов, которые контролируют скорость реакции. Несколько отсеков необходимы для обеспечения того, чтобы ИМАПеренять последовательности точно захватить пространственной и метаболической гетерогенности ткани. Эта система будет способствовать развитию и проверки передовых стратегий визуализации, обеспечивая химической динамики, которые не доступны от обычных фантомов, а также контроль и воспроизводимости , что невозможно в естественных условиях.

Введение

Клиническое воздействие гиперполяризованным магнитно - резонансной томографии (МРТ) ¹³ С-меченых соединений в решающей степени зависит от его способности измерять химические показатели переходов через реальном времени магнитно - резонансной спектроскопии и спектроскопии изображений ^1-5. В процессе разработки и проверки последовательности, динамическое химическое превращение , как правило , достигается за счет в естественных условиях или в моделях ^6-9 пробирке , которые предлагают ограниченные возможности управления и воспроизводимости. Для надежного тестирования и контроля качества, предпочтительнее было бы более управляемая система, которая сохраняет химическое превращение эндемичных для этого измерения. Изложим метод для достижения этого преобразования в воспроизводимым образом с использованием динамического одного фермента фантом.

Большинство исследований с гиперполяризованных ¹³ агентов C сосредоточиться на визуализации гиперполяризованным субстратов в функционирующей биологической среде. Это является очевидным выбором, если цель состоит в том, чтобы изучить биологическиеАль-процессов или определить потенциал для воздействия на клинической помощи. Однако, если характеристика некоторого алгоритма обработки измерительной системы или данных желательно, биологические модели имеют многочисленные недостатки , такие как неотъемлемого пространственной и временной изменчивости ^10. Тем не менее, обычные статические фантомы не имеют химическое превращение , что приводит в действие первичный клинический интерес к МРТ гиперполяризованного подложек, и не могут быть использованы для характеристики обнаружения коэффициентов пересчета или других динамических параметров ^11. Использование единой системы фермента мы можем обеспечить контролируемое и воспроизводимое химическое превращение, что позволяет тщательное изучение динамических стратегий визуализации.

Эта система направлена ​​на исследователей, которые разрабатывают стратегии для визуализации гиперполяризованных субстратов и хотели бы характеризовать производительность для сравнения с альтернативными подходами. Если статические измерения желаемая конечная точка , то статическая ¹³ C-labled метаболит фантомы Wiбуду достаточным ^11. На другом конце , если более сложная биологическая характеристика имеет решающее значение для способа (доставки, плотность клеток и т.д.) , то фактические биологические модели будут необходимы ^12-14. Эта система идеально подходит для оценки стратегий визуализации, которые стремятся обеспечить количественную меру видимых скоростей химических превращений.

протокол

Примечание: (Phantom Design) Две камеры 3 мл были подвергнуты механической обработке из Ultem и оснащены PEEK трубкой (1,5875 мм OD и 0,762 мм ID) для инъекций и выхлопных газов. Камеры были помещены в центрифужную пробирку емкостью 50 мл , наполненную водой (рисунок 1). Для того, чтобы избежать сигналов пустот , созданных пузырьков, камеры и линии были предварительно заполнены деионизованной водой (дН ₂ O).

1. Получение раствора

1. Готовят 1 л буферного раствора (81,3 мМ Трис рН 7,6, 203,3 мМ NaCl). Отвешивают 11,38 г Trizma кристаллы предустановленные рН 7,6 и 11,88 г NaCl и растворяют в 1 л дН ₂ O.
2. Готовят 50 мМ раствора NADH. Взвесить 17,8 мг бета-никотинамид-аденин-динуклеотид (NADH), снижение дикалиевой соли и растворяют в 280 мкл буферного раствора, который готовили на первом этапе.
3. Приготовьте 250 раствор Ед / мл фермента. Взвесить 78,75 единиц активности лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и растворяют в 315 мкл буфера из SТЭП один.
4. Приготовьте смесь пировиноградной кислоты. Взвесить 21,4 мг Ox063 тритил радикал и растворяют в 1,26 г (~ 1 мл) [1- ¹³ C] пировиноградной кислоты.
5. Готовят растворения носителя (40 мМ Трис, рН 7,6, 40 мМ NaOH, 0,27 мМ ЭДТА и 50 мМ NaCl). Взвешивают 5,96 г Trizma кристаллов предустановленные рН 7,6, 1,6 г NaOH, 0,1 г этилендиаминтетрауксусной кислоты динатриевая соль обезвоживает (ЭДТА) и 2,9 г хлорида натрия и растворяют в 1 л дН ₂ O.
6. Приготовьте раствор в соотношении 1:10 gadoteridol (50 мм). Смешайте 1 мкл gadoteridol в 9 мкл дН ₂ O. Получение 8 М ^[13 C] мочевины. Взвесить 1,465 5 ^[13 C] мочевины и растворяют в 3 мл дН ₂ O.

2. Получение гиперполяризованного пирувата

1. В образце чашки для динамической поляризации ядер (ДПЯ) системы, пипеткой 0,3 мкл раствора gadoteridol и 13 мг (~ 10 мкл) раствора пировиноградной кислоты.
2. Кратко перемешать эту смесь в образце чашку с наконечником пипетки.
3. Вставьте образец в систему DNP.
   1. Убедитесь, что дверь в системе DNP закрыта. Чтобы начать процесс вставки образца, нажав на кнопку образца вставки на системной консоли DNP. На мастере выборки выбрать нормальный образец и нажмите далее.
   2. Сохраняя чашку образца вертикальной осторожно положите стержень вставки поверх чашки для образца. При появлении запроса, откройте систему DNP и вставьте чашку в переменную вставку температуры (ВТИ) с помощью вставки стержня.
   3. Потяните на поршень в конце вставки образца стержня, чтобы освободить образец в индексе переменной температуры. Удалите вставки образца стержень из системы и нажмите на следующую кнопку на системной консоли DNP.
4. Инициировать поляризацию.
   1. Нажмите кнопку Пуск поляризации на системной консоли DNP. В программное обеспечение типа .HYPERSENSENMR RINMR для запуска поляризации мониторинга программного обеспечения. Установить создать конфигурацию 1 и нажмите клавишу ВВОД. Затем нажмите крепкой Uп.
   2. Установить местоположение и имя файла сохранения. Выберите профиль для 13-C в раскрывающемся меню на системной консоли DNP и нажмите кнопку Далее. Установите флажок, чтобы попробовать во время наращивания, установить время выборки до 300 секунд и нажмите кнопку Готово.
5. Отмерить 3,85 г (~ 4 мл) из сред растворения либо по объему с 5 мл шприца или по весу с использованием шкалы.

3. Получение ферментного Phantom

1. Заполните микроцентрифужных трубку с ~ 3 мл ^[13 C] раствор мочевины и поместить его в центрифужную пробирку на 50 мл. Заполните центрифужную пробирку 50 мл с дН ₂ O.
2. Предварительно заполнить два фермента камеры и линии с дН ₂ O путем введения ~ 3 мл дН ₂ O в нагнетательные линии фантома, следя за тем, чтобы смыть все пузырьки , образованные.
3. Поместите фантом в центре магнита с легким доступом к линии впрыска. Убедитесь в том, что есть некоторые контейнер, чтобы поймать жидкость, которая будет вентилироваться из Т он выпускную линию.
4. Приготовьте высокой активности фермента смесь (17,14 мМ NADH, 44,57 Ед / мл ЛДГ). Смешайте 240 мкл раствора NADH, 125 мкл раствора ЛДГ и 335 мкл буфера и держать в 3 мл шприц, который может быть присоединен к нагнетательной линии.
   Примечание: После того, как в сочетании с 500 мкл 40 мМ пирувата из системы DNP, чтобы конечный объем фантом будет 1,2 мл с концентрацией 16.7 мМ пирувата, 10 мМ NADH, и 26 ед / л лактатдегидрогеназы в трис-буферном растворе с рН ~ 7.5.
5. Приготовьте смесь низкой активности фермента (17,14 мМ НАДН 26,79 Ед / мл ЛДГ) Смешать 240 мкл раствора NADH, 75 мкл раствора ЛДГ и 385 мкл буфера и сохранить в отдельном 3 мл шприц, который может быть присоединен к нагнетательной линии.
   Примечание: После того, как в сочетании с 500 мкл 40 мМ пирувата из системы DNP конечный объем фантом будет 1,2 мл с концентрацией 16,7 мМ пирувата, 10 мМ NADH и 15,625 Ед / л ЛДГ в трис-буферном растворе с рН ~ 7,5 ,

jove_title "> 4. Запуск любого обеспечения качества (QA) и позиционирование Сканы

1. Начальное позиционирование.
   1. Загрузите новое сканирование позиционирования FLASH в режиме работы ^[1 H] TX / RX режиме Volume. Изменение размеров, установленных до 2: Спектрометр Tool Control -> Edit GS -> Настройка Размеры -> 2. Нажмите GSP на Control спектрометром и переместите фантом, пока не по центру магнита. Нажмите кнопку STOP затем Нажмите GOP на Control спектрометром.
2. Pilot Scan.
   1. Загрузите новое сканирование позиционирования TriPiolt в режиме ^[1 H] TX / RX режиме Volume. Позиция Кусочек: Контроль сканирования -> Кусочек Tool-> двигаться кусочки (удерживая клавишу M щелкнуть и перетащить, выбрать срез для перемещения с помощью ползунка пакета фрагмент).
   2. Колебание ¹ H Катушка: Спектрометр Control Tool -> Acq -> Колебание. Настройтесь и матч ¹ H катушки позади магнита и нажмите STOP. Удерживая клавишу SHIFT Нажмите светофора на сканирования окна управления.

5. Настройка Радиальная Echo Planar спектральных изображений Сканирование

1. Загрузить новую радиальную эхо - планарной спектроскопического томографию (radEPSI) сканирование в режиме работы ^[13 C] режим Volume TX / RX. Позиция Кусочек: Кусочек Tool на контроль сканирования и перемещения ломтиков (удерживая клавишу M щелкнуть и перетащить, выбрать фрагмент для перемещения с помощью ползунка пакета среза).
2. Колебание ¹³ C Coil, нажав Спектрометр Tool Control -> Acq -> Колебание. Установите коэффициент усиления приемника к 1000-2000 на спектрометре.
3. Выполните окончательную проверку системы. В зависимости от последовательности, наблюдать углерода 13 сигналов из камеры мочевины в протоколе разведчика.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это гарантирует, что система настроена правильно, прежде чем начать необратимый процесс растворения.

6. Запустить Растворение

1. Когда пируват достиг> 90% поляризации (~ 1 час), растворы и фантомного будут готовы, и сканирование настроен нажмите кнопку растворения запуска на DNP SYстволовых консоль.
2. Когда будет предложено переместить палку растворения в рабочее положение и впрыснуть растворения носителя. Закройте систему DNP и нажмите кнопку законченную на системной консоли DNP. Перемещение растворения палку обратно в состоянии покоя при появлении соответствующего запроса нажмите кнопку Готово.
3. Когда система DNP обеспечивает гиперполяризованного пируват (~ 2 мин после начала нагрева) снять 500 мкл раствора пирувата в каждой высокой и низкой шприцов концентрации раствора фермента. Медленно (~ 10 сек) вводят каждый шприц в нагнетательную линию.
   Примечание: Сканирование может быть начато до инъекции или в любое время до 3 мин после инъекции в зависимости от протокола сканирования, используемых.

Обработка 7. Изображение

Примечание: Этот фантом был разработан для использования с большим количеством стратегий визуализации. На рисунке 2, в качестве примера того , как РАУ-EPSI изображения были обработаны с использованием Matlab.

1. Загрузите исходные данные из файла FID. ReshaП.Е. данные в соответствии с количеством выступов, зачитывает пункты, эхо-сигналы и счета для данных, хранящихся в качестве действительных и мнимых пар. Выделим четных и нечетных точек эхо.
2. преобразование Фурье либо четных или нечетных эхо-сигналов вдоль эхо-измерений. Визуально определить полосы частот для пирувата и лактата. Для простоты использовалось абсолютное значение спектра.
3. Отделить каждого метаболита группу и преобразование Фурье по частоте направления кодирования с получением изолированных синограмм для каждого метаболита. Обратное преобразование Радона отдельные синограмм для получения изображения либо лактата или пирувата.

Результаты

Кусочек-селективные 2D изображения были получены с использованием последовательности снимок radEPSI. Метаболита изображения были реконструированы с использованием фильтрованного обратно проекции. Метаболиты изображения были хорошо выровнены с протонных изображений, ...

Обсуждение

В реальном масштабе времени изображений гиперполяризованного метаболитов имеет много уникальных задач для проектирования последовательности, проверки и контроля качества. Возможность решения пространственно-временной и спектральной гетерогенность предлагает значительный клинич...

Материалы

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