МРТ натрия - Sodium MRI

На МРТ изображение здорового хряща и истощенного хряща
Сравнение здорового хряща и истощения хряща

МРТ натрия (также известный как 23Na -МРТ) является специализированным магнитно-резонансная томография техника, использующая сильные магнитные поля, градиенты магнитного поля и радиоволны для создания изображений распределения натрия в организме, в отличие от более распространенных форм МРТ которые используют протоны (или водород), присутствующий в воде (1H-MRI).[1][2] Как и протон, натрий естественным образом присутствует в организме в изобилии, поэтому его можно визуализировать напрямую, без необходимости контрастные вещества или же гиперполяризация. Кроме того, натрий ионы играют роль в важных биологических процессах благодаря своему вкладу в концентрацию и электрохимические градиенты через клеточные мембраны, что делает его интересным в качестве объекта для визуализации здоровья и болезней.[3]

В отличие от обычной МРТ протона, МРТ натрия осложняется низкими концентрациями Na ядра относительно концентрации H2Молекулы O в биологических тканях[4] (10-45 мМ) и нижний гиромагнитное отношение из 23Ядро Na по сравнению с 1Ядро H ,.[5][6] Это вызывает низкий ЯМР чувствительность и требование более сильного магнитного поля для эквивалентных Пространственное разрешение. Квадруполярный 23Ядро Na также имеет более быстрое поперечная релаксация ставки и множественные квантовая когерентность по сравнению с 1Ядро H,[6] требующие специализированной и высокой производительности Последовательности МРТ для сбора информации до контраст используется для изображения тела потеряно.

Биологическое значение

Влияние гипоксического микроокружения опухоли на внутриклеточный pH

Концентрация натрия в тканях (TSC) жестко регулируется здоровыми клетками и изменяется в зависимости от энергетического статуса и целостности клеток, что делает его эффективным маркером болезненных состояний.[4][6][7] Клетки поддерживают низкий уровень внутриклеточного Na+ концентрации путем активной откачки ионов Na через+/ К+ АТФазный канал, и любая проблема метаболизма клетки, вызывающая низкое поступление АТФ или нарушение целостности клеточной мембраны, резко увеличит внутриклеточный Na+ концентрации. Например, после изнурительной тренировки 23Na МРТ может обнаружить Na+ уровни в тканях резко повышаются, и можно даже представить себе богатую натрием пищу в желудке пациента. Злокачественные опухоли в частности, резко изменяют их метаболизм, часто для учета гипоксический внутриопухолевые условия, приводящие к снижению цитозольный pH. Для компенсации Na+ ионы из внеклеточного пространства обмениваются на протоны в Na+/ЧАС+ антипорт[6] потеря которых часто снижает рост рака.[8] Следовательно, 23Na MRI - полезный клинический инструмент для выявления ряда болезненных состояний, включая болезни сердца.[9] и рак, а также контролирующая терапия. Повреждение тканей у пациентов с инсультом можно оценить с помощью 23Na MRI, с одним исследованием, показывающим, что изменение TSC на 50% выше, чем TSC в здоровой ткани мозга, соответствует полному инфаркту,[10] и поэтому может использоваться для определения жизнеспособности тканей и вариантов лечения пациента. Злокачественность опухоли также можно оценить по увеличению TSC быстро пролиферирующих клеток. Злокачественные опухоли имеют увеличение TSC примерно на 50-60% по сравнению со здоровыми тканями.[10] - однако невозможно определить, что увеличение TSC связано с изменениями внеклеточного объема, внутриклеточного содержания натрия или неоваскуляризацией. Еще одно интересное использование 23Na MRI используется для оценки рассеянного склероза, при котором накопление натрия в аксонах может привести к дегенерации аксонов.[11] Предварительные исследования показали, что существует положительная корреляция между повышенным TSC и инвалидностью.

Использование при раке простаты

Недавно была проведена работа по оценке полезности использования натриевой МРТ для характеристики очагов рака простаты у мужчин.[12] В этом исследовании пациенты получали изображения МРТ натрия перед хирургическим удалением простаты. TSC извлекали из изображений и сравнивали с оценкой Глисона для визуализированных поражений. Эта работа показала статистически значимое увеличение TSC по мере увеличения агрессии рака простаты. Это предварительное исследование предполагает, что МРТ натрия может точно охарактеризовать стадию рака простаты. Это предполагает потенциальное использование натриевой МРТ для лучшего ведения и включения пациентов с раком простаты в схемы лечения.

Преимущества

23Na MRI измеряет клеточную скорость метаболизма а также изменения тканей и органов, связанные с заболеванием.[13] Его продолжительность увеличилась с 45 минут до 15 минут при 1.5T.[6][10] В отличие от других МРТ-сканирований, натриевая МРТ фиксирует только сигналы натрия внутри тела. При дегенерации хряща, протеогликан разлагается с отрицательным зарядом, а положительно заряженный ион натрия связывается с протеогликаном.[2] Уровень протеогликана и натрия снижается, поэтому МРТ натрия выявляет меньше сигналов. 23Na MRI очень чувствителен и специфичен для изменения протеогликана, поэтому его хорошо использовать для мониторинга дегенерации протеогликана в хряще.[2][14]

Рекомендации

  1. ^ Оуверкерк, Рональд; Морган, Рассел Х. (2007-10-01). «23Na МРТ: от исследований к клиническому применению». Журнал Американского колледжа радиологии. 4 (10): 739–741. Дои:10.1016 / j.jacr.2007.07.001. ISSN  1546-1440. ЧВК  2084082. PMID  17903762.
  2. ^ а б c Бортакур, А; Шапиро, Э. М; Пиво, Дж; Кудходкар, S; Kneeland, J. B; Редди, Р. (2000-07-01). «Чувствительность МРТ к истощению протеогликанов в хрящах: сравнение натриевой и протонной МРТ». Остеоартрит и хрящ. 8 (4): 288–293. Дои:10.1053 / joca.1999.0303. PMID  10903883.
  3. ^ Мадлен, Гийом (18 декабря 2012 г.). "Магнитно-резонансная томография натрия: биомедицинские приложения". arXiv:1212.4400 [Physics.med-ph ].
  4. ^ а б Романцетти, Сандро; Mirkes, Christian C .; Fiege, Daniel P .; Челик, Авдо; Фельдер, Йорг; Шах, Н. Джон (2014-08-01). «Картирование тканевой концентрации натрия в головном мозге человека: сравнение МРТ последовательностей при 9,4 Тесла». NeuroImage. 96: 44–53. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2014.03.079. ISSN  1095-9572. PMID  24721332.
  5. ^ Мадлен, Гийом; Ли, Джэ-Сын; Regatte, Ravinder R .; Ершов, Алексей (01.05.2014). «МРТ натрия: методы и применение». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. 79: 14–47. Дои:10.1016 / j.pnmrs.2014.02.001. ЧВК  4126172. PMID  24815363.
  6. ^ а б c d е Мадлен, Гийом; Регат, Равиндер Р. (01.09.2013). «Биомедицинское применение натриевой МРТ in vivo». Журнал магнитно-резонансной томографии. 38 (3): 511–529. Дои:10.1002 / jmri.24168. ISSN  1053-1807. ЧВК  3759542. PMID  23722972.
  7. ^ Оуверкерк, Рональд (01.01.2011). «Натриевая МРТ». In Modo, Мишель; Bulte, Джефф W.M. (ред.). Магнитно-резонансная нейровизуализация. Методы молекулярной биологии. 711. Humana Press. С. 175–201. Дои:10.1007/978-1-61737-992-5_8. ISBN  9781617379918. PMID  21279602.
  8. ^ Алевизопулос, Константинос; Калогеропулу, Теодора; Ланг, Флориан; Стоурнарас, Христос (01.01.2014). «Ингибиторы Na + / K + АТФазы при раке». Текущие цели в отношении лекарств. 15 (10): 988–1000. ISSN  1873-5592. PMID  25198786.
  9. ^ Боттомли, Пол А. (01.02.2016). «Натриевая МРТ в сердце человека: обзор». ЯМР в биомедицине. 29 (2): 187–196. Дои:10.1002 / nbm.3265. ISSN  1099-1492. ЧВК  4868405. PMID  25683054.
  10. ^ а б c Оуверкерк, Рональд; Bleich, Karen B .; Гиллен, Джозеф С .; Помпер, Мартин Г .; Боттомли, Пол А. (01.05.2003). «Концентрация натрия в тканях в опухолях головного мозга человека, измеренная с помощью 23Na МРТ». Радиология. 227 (2): 529–537. Дои:10.1148 / радиол.2272020483. ISSN  0033-8419. PMID  12663825.
  11. ^ Inglese, M .; Мадлен, G .; Oesingmann, N .; Babb, J. S .; Wu, W .; Stoeckel, B .; Herbert, J .; Джонсон, Г. (01.03.2010). «Концентрация натрия в тканях мозга при рассеянном склерозе: визуализация натрия при 3 тесла». Мозг. 133 (3): 847–857. Дои:10.1093 / мозг / awp334. ISSN  0006-8950. ЧВК  2842511. PMID  20110245.
  12. ^ Брук, Северная Каролина; Peterson, J .; Lee, J .; Martin, PA .; Farag, A .; Gomez, J .; Moussa, M .; Gaed, M .; Chin, J .; Pautler, SE .; Ward, A .; Bauman, G .; Bartha, R .; Scholl, TJ. (2018-08-24). «Характеристика клинических поражений рака предстательной железы человека с использованием 3,0-Т натриевой МРТ, зарегистрированной в гистопатологии полного цикла по шкале Глисона». Журнал магнитно-резонансной томографии. 49: 1409–1419. Дои:10.1002 / jmri.26336. PMID  30430700.
  13. ^ Мадлен, Гийом; Клайн, Ричард; Уолвик, Ронн; Регат, Равиндер Р. (23 апреля 2014 г.). «Метод оценки внутриклеточной концентрации натрия и внеклеточной объемной фракции в головном мозге in vivo с использованием магнитно-резонансной томографии натрия». Научные отчеты. 4: 4763. Bibcode:2014НатСР ... 4Э4763М. Дои:10.1038 / srep04763. ЧВК  4762219. PMID  24755879.
  14. ^ Newbould, R.D .; Miller, S.R .; Tielbeek, J.A.W .; Toms, L.D .; Rao, A.W .; Gold, G.E .; Strachan, R.K .; Taylor, P.C .; Мэтьюз, П. (01.01.2012). «Воспроизводимость результатов натриевой МРТ суставного хряща коленного сустава при остеоартрите». Остеоартрит и хрящ. 20 (1): 29–35. Дои:10.1016 / j.joca.2011.10.007. ISSN  1063-4584. ЧВК  3270258. PMID  22040861.