МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 - Hyperpolarized carbon-13 MRI

МРТ с гиперполяризованным углеродом-13
Цельметод визуализации для исследования перфузии и метаболизма

МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 это функциональная медицинская визуализация техника зондирования перфузия и метаболизм с использованием инъекций субстраты.

Это обеспечивается методами для гиперполяризация из углерод-13 -содержащие молекулы с использованием динамическая ядерная поляризация и быстрое растворение, чтобы создать инъекционный решение.[1][2] После инъекции гиперполяризованного субстрата метаболическая активность может быть картирована на основе ферментативного преобразования введенной молекулы. В отличие от других методов метаболической визуализации, таких как позитронно-эмиссионная томография МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 предоставляет как химическую, так и пространственную информацию, позволяя использовать этот метод для исследования активности определенных метаболических путей. Это привело к новым способам визуализации болезни. Например, метаболическая конверсия гиперполяризованных пируват в лактат все чаще используется для изображения раковый ткани через Эффект варбурга.[3][4][5]

Гиперполяризация

Основная статья: Гиперполяризация (физика)

В то время как гиперполяризация неорганических малых молекул (например, 3Он и 129Xe) обычно достигается с помощью спин-обменная оптическая накачка (SEOP), соединения, полезные для метаболической визуализации (такие как 13C или 15N) обычно гиперполяризованы с использованием динамическая ядерная поляризация (DNP). ДНП может выполняться при рабочих температурах 1,1-1,2 К и сильных магнитных полях (~ 4Тл).[6] Затем соединения оттаивают и растворяют с получением раствора при комнатной температуре, содержащего гиперполяризованные ядра, которые можно вводить.

Растворение и инъекция

Гиперполяризованные образцы 13C пировиноградную кислоту обычно растворяют в некоторой форме водного раствора, содержащего различные детергенты и буферные реагенты. Например, в исследовании по выявлению реакции опухоли на этопозид обработки образец растворяли в 40 мМ HEPES, 94 мМ NaOH, 30 мМ NaCl, и 50 мг / л EDTA.[3]

Доклинические модели

МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 в настоящее время разрабатывается как потенциально экономически эффективный инструмент диагностики и лечения в различных областях. раки, включая рак простаты. Другие потенциальные применения включают нейроонкологические приложения, такие как мониторинг метаболических событий in vivo в реальном времени.[7]

Клинические испытания

Большинство клинических исследований с использованием 13С гиперполяризацией в настоящее время изучают метаболизм пирувата при раке простаты, проверяют воспроизводимость данных визуализации, а также возможность определения времени.[8]

Методы визуализации

Последовательность из ЯМР спектры из эксперимента по динамической МРТ-визуализации гиперполяризованного углерода-13 на модели крысы. Этот набор данных показывает эволюцию намагниченности в одном воксель в почках крысы. Очевиден сильный пик гиперполяризованного пирувата, введенного в эксперименте, наряду с меньшими пиками, соответствующими метаболитам. лактат, аланин и бикарбонат.

Спектроскопическая визуализация

Основная статья: Магнитно-резонансная спектроскопическая визуализация

Спектроскопические методы визуализации позволяют извлекать химическую информацию из экспериментов МРТ с гиперполяризованным углеродом-13. Отчетливый химический сдвиг связанный с каждым метаболитом, можно использовать для исследования обмена намагниченностью между пулами, соответствующими каждому из метаболитов.

Метаболит-избирательное возбуждение

Используя методы одновременного пространственного и спектрально-избирательного возбуждения, можно разработать радиочастотные импульсы для индивидуального возмущения метаболитов.[9][10]Это позволяет кодировать изображения, отобранные по метаболитам, без необходимости получения спектроскопических изображений. Этот метод также позволяет применять разные углы поворота к каждому метаболиту,[11][12]что позволяет разрабатывать импульсные последовательности, которые оптимально используют ограниченную поляризацию, доступную для визуализации.[13][14]

Модели динамической визуализации

В отличие от обычной МРТ, гиперполяризованные эксперименты по своей природе динамичны, поскольку изображения должны быть получены по мере того, как введенный субстрат распространяется по телу и метаболизируется. Это требует моделирования и оценки динамической системы для количественной оценки скорости метаболических реакций. Существует ряд подходов к моделированию эволюции намагниченности в пределах одного воксела.

пируватлактаталанин
Т1~ 46,9-65 с в зависимости от напряженности поля B0[15]
Т2 (Опухоль HCC )0,9 ± 0,2 с[16]1,2 ± 0,1 с[16]
T2 (здоровая печень)0,52 ± 0,03 с[16]0,38 ± 0,05 с[16]

Двухвидовая модель с однонаправленным потоком

Простейшая модель метаболического потока предполагает однонаправленное преобразование введенного субстрата S в продукт P. Предполагается, что скорость превращения определяется константой скорости реакции

.

 

 

 

 

(1)

Обмен намагниченности между двумя видами можно затем смоделировать, используя линейное обыкновенное дифференциальное уравнение

куда обозначает скорость, с которой поперечный намагничивание распадается до термической равновесной поляризации, для продукта P.

Двухвидовая модель с двунаправленным потоком

Модель однонаправленного потока может быть расширена для учета двунаправленного метаболического потока с прямой скоростью. и обратная ставка

 

 

 

 

(2)

Тогда дифференциальное уравнение, описывающее обмен намагниченностью, имеет вид

Эффект радиочастотного возбуждения

Повторное радиочастотное (ВЧ) возбуждение образца вызывает дополнительное затухание вектора намагниченности. Для постоянного угол поворота последовательностей, этот эффект можно аппроксимировать, используя большую эффективную скорость затухания, рассчитанную как

куда угол поворота и время повторения.[17]Также можно использовать изменяющиеся во времени последовательности углов поворота, но для этого необходимо, чтобы динамика моделировалась как гибридная система с дискретными скачками состояния системы.[18]

Картирование метаболизма

Цель многих МРТ-экспериментов с гиперполяризованным углеродом-13 - составить карту активности определенного метаболического пути. Методы количественной оценки скорости метаболизма на основе данных динамического изображения включают временное интегрирование метаболических кривых, вычисление определенного интеграла, называемого в фармакокинетике площадью под кривой (AUC ), и принимая отношение интегралов в качестве прокси для интересующих констант скорости.

Отношение площади под кривой

Сравнивая определенный интеграл под кривыми метаболитов субстрата и продукта было предложено в качестве альтернативы основанным на модели оценкам параметров в качестве метода количественной оценки метаболической активности. При определенных допущениях соотношение

Площадь под кривой продукта AUC (P) к площади под кривой субстрата AUC (S) пропорциональна скорости прямого метаболизма .[19]

Отображение параметров скорости

Когда допущения, при которых это соотношение пропорционально не соблюдаются, или в собранных данных присутствует значительный шум, желательно вычислять оценки параметров модели напрямую. Когда шум независимые и одинаково распределенные и Гауссовский, параметры можно подобрать с помощью нелинейный метод наименьших квадратов оценка. В противном случае (например, если изображения величины с Распространенный шума), параметры можно оценить как оценка максимального правдоподобия. Пространственное распределение скорости метаболизма может быть визуализировано путем оценки скорости метаболизма, соответствующей временному ряду из каждого вокселя, и построения графика Тепловая карта оценочных ставок.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Арденкьяер-Ларсен Дж. Х., Фридлунд Б., Грам А, Ханссон Г., Ханссон Л., Лерче М. Х., Сервин Р., Танинг М., Голман К. (сентябрь 2003 г.). «Увеличение отношения сигнал / шум> 10 000 раз в жидком ЯМР». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 100 (18): 10158–63. Bibcode:2003ПНАС..10010158А. Дои:10.1073 / pnas.1733835100. ЧВК  193532. PMID  12930897.
  2. ^ Golman K, Ardenkjaer-Larsen JH, Petersson JS, Mansson S, Leunbach I (сентябрь 2003 г.). «Молекулярная визуализация с эндогенными веществами». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 100 (18): 10435–9. Bibcode:2003ПНАС..10010435Г. Дои:10.1073 / pnas.1733836100. ЧВК  193579. PMID  12930896.
  3. ^ а б Day SE, Kettunen MI, Gallagher FA, Hu DE, Lerche M, Wolber J, Golman K, Ardenkjaer-Larsen JH, Brindle KM (ноябрь 2007 г.). «Обнаружение ответа опухоли на лечение с использованием гиперполяризованной 13C магнитно-резонансной томографии и спектроскопии». Природа Медицина. 13 (11): 1382–7. Дои:10,1038 / нм 1650. PMID  17965722.
  4. ^ Шрирам Р., Курханевич Дж, Виньерон ДБ (2014). «Исследования МРТ и МРС с гиперполяризованным углеродом-13». eMagRes. 3: 1–14. Дои:10.1002 / 9780470034590.emrstm1253.
  5. ^ Nelson SJ, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Larson PE, Harzstark AL, Ferrone M, van Criekinge M, Chang JW, Bok R, Park I, Reed G, Carvajal L, Small EJ, Munster P, Weinberg VK, Ardenkjaer-Larsen JH , Чен А.П., Херд Р.Э., Одегардстуен Л.И., Робб Ф.Дж., Тропп Дж., Мюррей Дж. А. (август 2013 г.). «Метаболическая визуализация пациентов с раком простаты с использованием гиперполяризованного [1-³C] пирувата». Научная трансляционная медицина. 5 (198): 198ra108. Дои:10.1126 / scitranslmed.3006070. ЧВК  4201045. PMID  23946197.
  6. ^ Йоханнессон Х., Махолл С., Арденкьер-Ларсен Дж. Х. (апрель 2009 г.). «Динамическая ядерная поляризация [1-13C] пировиноградной кислоты при 4,6 тесла». Журнал магнитного резонанса. 197 (2): 167–75. Bibcode:2009JMagR.197..167J. Дои:10.1016 / j.jmr.2008.12.016. PMID  19162518.
  7. ^ Милушев В.З., Кешари К.Р., Холодный А.И. (февраль 2016 г.). «Гиперполяризационная МРТ: доклинические модели и возможности применения в нейрорадиологии». Темы магнитно-резонансной томографии. 25 (1): 31–7. Дои:10.1097 /.0000000000000076. ЧВК  4968075. PMID  26848559.
  8. ^ «Клинические испытания».
  9. ^ Лупо Дж. М., Чен А. П., Зирхут М.Л., Бок Р.А., Каннингем С.Х., Курханевич Дж., Виньерон Д.Б., Нельсон С.Дж. (февраль 2010 г.). «Анализ гиперполяризованного динамического изображения 13C лактата в модели рака простаты у трансгенных мышей». Магнитно-резонансная томография. 28 (2): 153–62. Дои:10.1016 / j.mri.2009.07.007. ЧВК  3075841. PMID  19695815.
  10. ^ Каннингем С.Х., Чен А.П., Лустиг М., Харгривз Б.А., Лупо Дж., Сюй Д., Курханевич Дж., Херд Р. Э., Поли Дж. М., Нельсон С. Дж., Виньерон Д. Б. (июль 2008 г.) «Импульсная последовательность для динамической объемной визуализации гиперполяризованных продуктов метаболизма». Журнал магнитного резонанса. 193 (1): 139–46. Bibcode:2008JMagR.193..139C. Дои:10.1016 / j.jmr.2008.03.012. ЧВК  3051833. PMID  18424203.
  11. ^ Larson PE, Kerr AB, Chen AP, Lustig MS, Zierhut ML, Hu S, Cunningham CH, Pauly JM, Kurhanewicz J, Vigneron DB (сентябрь 2008 г.). «Многополосные импульсы возбуждения для визуализации с динамическим химическим сдвигом гиперполяризованного 13C». Журнал магнитного резонанса. 194 (1): 121–7. Bibcode:2008JMagR.194..121L. Дои:10.1016 / j.jmr.2008.06.010. ЧВК  3739981. PMID  18619875.
  12. ^ Марко-Риус I, Цао П, фон Морзе С., Мерритт М., Морено К. Х., Чанг Г. Ю., Олигер М. А., Пирс Д., Курханевич Дж., Ларсон П. Е., Виньерон Д. Б. (апрель 2017 г.). «13 исследований метаболизма C-MR». Магнитный резонанс в медицине. 77 (4): 1419–1428. Дои:10.1002 / mrm.26226. ЧВК  5040611. PMID  27017966.
  13. ^ Xing Y, Reed GD, Pauly JM, Kerr AB, Larson PE (сентябрь 2013 г.). «Оптимальные схемы переменного угла переворота для динамического сбора данных об обмене гиперполяризованных подложек». Журнал магнитного резонанса. 234: 75–81. Bibcode:2013JMagR.234 ... 75X. Дои:10.1016 / j.jmr.2013.06.003. ЧВК  3765634. PMID  23845910.
  14. ^ Девы Дж., Гордон Дж. У., Аркак М, Ларсон ЧП (ноябрь 2016 г.). «Оптимизация углов поворота для оценки скорости метаболизма в МРТ с гиперполяризованным углеродом-13». IEEE Transactions по медицинской визуализации. 35 (11): 2403–2412. Дои:10.1109 / TMI.2016.2574240. ЧВК  5134417. PMID  27249825.
  15. ^ Чаттергун Н., Мартинес-Сантиестебан Ф., Хендлер В. Б., Арденкьяр-Ларсен Дж. Х., Шолль Т. Дж. (Январь 2013). «Полевая зависимость T1 для гиперполяризованного [1-13C] пирувата». Контрастные среды и молекулярная визуализация. 8 (1): 57–62. Дои:10.1002 / cmmi.1494. PMID  23109393.
  16. ^ а б c d Йен Ю.Ф., Ле Ру П., Майер Д., Кинг Р., Шпильман Д., Тропп Дж., Баттс Поли К., Пфеффербаум А., Васанавала С., Херд Р. (май 2010 г.). «Время релаксации T (2) метаболитов (13) C в модели гепатоцеллюлярной карциномы крысы, измеренное in vivo с использованием (13) C-MRS гиперполяризованного [1- (13) C] пирувата»). ЯМР в биомедицине. 23 (4): 414–23. Дои:10.1002 / nbm.1481. ЧВК  2891253. PMID  20175135.
  17. ^ Согаард Л.В., Шиллинг Ф., Яних М.А., Мензель М.И., Арденкьяер-Ларсен Дж. Х. (май 2014 г.). «Измерение очевидных коэффициентов диффузии гиперполяризованных ³C-меченных метаболитов in vivo». ЯМР в биомедицине. 27 (5): 561–9. Дои:10.1002 / nbm.3093. PMID  24664927.
  18. ^ Bahrami N, Swisher CL, Von Morze C, Vigneron DB, Larson PE (февраль 2014 г.). «Кинетическое и перфузионное моделирование гиперполяризованного (13) C пирувата и мочевины при раке с произвольными углами поворота RF». Количественная визуализация в медицине и хирургии. 4 (1): 24–32. Дои:10.3978 / j.issn.2223-4292.2014.02.02. ЧВК  3947982. PMID  24649432.
  19. ^ Hill DK, Orton MR, Mariotti E, Boult JK, Panek R, Jafar M, Parkes HG, Jamin Y, Miniotis MF, Al-Saffar NM, Beloueche-Babari M, Robinson SP, Leach MO, Chung YL, Eykyn TR (2014 г. ). «Свободный от моделей подход к кинетическому анализу данных гиперполяризованной 13C магнитно-резонансной спектроскопии в реальном времени». PLOS One. 8 (9): e71996. Bibcode:2013PLoSO ... 871996H. Дои:10.1371 / journal.pone.0071996. ЧВК  3762840. PMID  24023724.