Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
МРТ с гиперполяризованным углеродом-13
Цельметод визуализации для исследования перфузии и метаболизма

МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 - это метод функциональной медицинской визуализации для исследования перфузии и метаболизма с использованием введенных субстратов .

Она включена с помощью методик для гиперполяризации из углерода-13 отработанного молекул с использованием динамической поляризации ядер и быстрое растворения , чтобы создать инъекционный раствор. [1] [2] После инъекции гиперполяризованного субстрата метаболическая активность может быть картирована на основе ферментативного преобразования введенной молекулы. В отличие от других методов визуализации метаболизма, таких как позитронно-эмиссионная томография , МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 предоставляет как химическую, так и пространственную информацию, что позволяет использовать этот метод для исследования активности конкретных метаболических путей. Это привело к появлению новых способов визуализации болезни. Например, метаболическая конверсия гиперполяризованныхпируват в лактат все чаще используется для визуализации раковых тканей с помощью эффекта Варбурга . [3] [4] [5]

Гиперполяризация [ править ]

Основная статья: Гиперполяризация (физика)

В то время как гиперполяризация неорганических малых молекул (таких как 3 He и 129 Xe) обычно достигается с помощью спин-обменной оптической накачки (SEOP), соединения, полезные для метаболической визуализации (например, 13 C или 15 N), обычно гиперполяризованы с использованием динамической ядерной поляризации (DNP). ). ДНП может выполняться при рабочих температурах 1,1-1,2 К и сильных магнитных полях (~ 4Тл). [6] Затем соединения размораживают и растворяют, получая при комнатной температуре раствор, содержащий гиперполяризованные ядра, которые можно вводить.

Растворение и инъекция [ править ]

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

Доклинические модели [ править ]

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

Клинические испытания [ править ]

В большинстве клинических исследований с использованием гиперполяризации 13 C в настоящее время изучается метаболизм пирувата при раке простаты, проверяется воспроизводимость данных визуализации, а также возможность определения времени. [8]

Методы визуализации [ править ]

Последовательность спектров ЯМР из эксперимента по визуализации МРТ динамического гиперполяризованного углерода-13 на модели крысы. Этот набор данных показывает эволюцию намагниченности в единственном вокселе в почке крысы. Очевиден сильный пик гиперполяризованного пирувата, введенного в эксперименте, наряду с меньшими пиками, соответствующими лактату , аланину и бикарбонату метаболитов .

Спектроскопическая визуализация [ править ]

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 [ править ]

Используя методы одновременного пространственного и спектрально-избирательного возбуждения, можно разработать радиочастотные импульсы для индивидуального возмущения метаболитов. [9] [10] Это позволяет кодировать изображения, отобранные к метаболитам, без необходимости в спектроскопической визуализации. 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 динамического изображения [ править ]

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]
T2 ( опухоль HCC )0,9 ± 0,2 с [16]1,2 ± 0,1 с [16]
Т2 (здоровая печень)0,52 ± 0,03 с [16]0,38 ± 0,05 с [16]

Двухвидовая модель с однонаправленным потоком [ править ]

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 с помощью линейного обыкновенного дифференциального уравнения

где обозначает скорость, с которой поперечная намагниченность спадает до термической равновесной поляризации для продукта P.

Двухвидовая модель с двунаправленным потоком [ править ]

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

 

 

 

 

( 2 )

Тогда дифференциальное уравнение, описывающее обмен намагниченностью, имеет вид

Эффект радиочастотного возбуждения [ править ]

Повторное радиочастотное (ВЧ) возбуждение образца вызывает дополнительное затухание вектора намагниченности. Для последовательностей с постоянным углом поворота этот эффект может быть аппроксимирован с использованием большей эффективной скорости затухания, рассчитанной как

где - угол переворота, - 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 в состоянии системы. [18]

Картирование метаболизма [ править ]

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 принятие отношения интегралов в качестве заместителя для представляющих интерес констант скорости.

Отношение площади под кривой [ править ]

Сравнение определенного интеграла 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 предположениях соотношение

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

Сопоставление параметров скорости [ править ]

Когда предположения, при которых это соотношение пропорционально , не выполняются или в собранных данных присутствует значительный шум, желательно вычислить оценки параметров модели напрямую. Когда шум является независимым, одинаково распределенным и гауссовым , параметры могут быть подобраны с использованием нелинейной оценки наименьших квадратов . В противном случае (например, если используются изображения величин с шумом, распределенным по Райсу), параметры могут быть оценены с помощью оценки максимального правдоподобия . Пространственное распределение скоростей метаболизма можно визуализировать, оценив скорости метаболизма, соответствующие временным рядам из каждого вокселя, и построив тепловую карту оцененных скоростей.

См. Также [ править ]

  • Ядерный магнитный резонанс углерода-13
  • Динамическая ядерная поляризация
  • Функциональная визуализация
  • Магнитно-резонансная спектроскопическая визуализация

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ardenkjaer-Ларсен JH, Фрайдланд В, грам А, G Hansson, Hansson л, Лерхе МН, Servin R, Thaning М, Гольман К (сентябрь 2003 г.). «Увеличение отношения сигнал / шум более чем в 10 000 раз в жидком ЯМР» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (18): 10158–63. Bibcode : 2003PNAS..10010158A . DOI : 10.1073 / pnas.1733835100 . PMC 193532 . PMID 12930897 .  
  2. ^ Гольман K, Ardenkjaer-Larsen JH, Петерсон JS, Månsson S, Leunbach I (сентябрь 2003). «Молекулярная визуализация с эндогенными веществами» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (18): 10435–9. Bibcode : 2003PNAS..10010435G . DOI : 10.1073 / pnas.1733836100 . PMC 193579 . PMID 12930896 .  
  3. ^ a b 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». Природная медицина . 13 (11): 1382–7. DOI : 10.1038 / nm1650 . PMID 17965722 . 
  4. ^ Шриры R, Kurhanewicz J, Vigneron БД (2014). «Исследования МРТ и МРС с гиперполяризованным углеродом-13». eMagRes . 3 : 1–14. DOI : 10.1002 / 9780470034590.emrstm1253 .
  5. ^ Нельсон SJ, Kurhanewicz Дж, Vigneron БД, Ларсона ПЭ, Harzstark А.Л., Ferrone М, ван Criekinge М, Чан JW, Бок R, Парк я, Рид G, Карвахаль л, Малый Е.Ю., Манстер Р, Вайнберг В.К., Ardenkjaer-Ларсен JH, Chen AP, Hurd RE, Odegardstuen LI, Robb FJ, Tropp J, Murray JA (август 2013 г.). «Метаболическая визуализация пациентов с раком простаты с использованием гиперполяризованного [1-³C] пирувата» . Трансляционная медицина науки . 5 (198): 198ra108. DOI : 10.1126 / scitranslmed.3006070 . PMC 4201045 . PMID 23946197 .  
  6. ^ Йоуханнессон H, Macholl S, Ardenkjaer-Larsen JH (апрель 2009). «Динамическая ядерная поляризация [1-13C] пировиноградной кислоты при 4,6 тесла». Журнал магнитного резонанса . 197 (2): 167–75. Bibcode : 2009JMagR.197..167J . DOI : 10.1016 / j.jmr.2008.12.016 . PMID 19162518 . 
  7. ^ Miloushev VZ, Кешари KR, Холодный AI (февраль 2016). «Гиперполяризационная МРТ: доклинические модели и возможности применения в нейрорадиологии» . Темы магнитно-резонансной томографии . 25 (1): 31–7. DOI : 10,1097 / RMR.0000000000000076 . PMC 4968075 . PMID 26848559 .  
  8. ^ «Клинические испытания» .
  9. ^ Lupo JM, Chen AP, Zierhut ML, Бок RA, Cunningham CH, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Нельсон SJ (февраль 2010). «Анализ гиперполяризованной динамической визуализации лактата 13C в модели рака простаты у трансгенных мышей» . Магнитно-резонансная томография . 28 (2): 153–62. DOI : 10.1016 / j.mri.2009.07.007 . PMC 3075841 . PMID 19695815 .  
  10. ↑ Cunningham CH, Chen AP, Lustig M, Hargreaves BA, Lupo J, Xu D, Kurhanewicz J, Hurd RE, Pauly JM, Nelson SJ, Vigneron DB (июль 2008 г.). «Импульсная последовательность для динамической объемной визуализации гиперполяризованных продуктов метаболизма» . Журнал магнитного резонанса . 193 (1): 139–46. Bibcode : 2008JMagR.193..139C . DOI : 10.1016 / j.jmr.2008.03.012 . PMC 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 . DOI : 10.1016 / j.jmr.2008.06.010 . PMC 3739981 . PMID 18619875 .  
  12. ↑ Marco-Rius I, Cao P, von Morze C, Merritt M, Moreno KX, Chang GY, Ohliger MA, Pearce D, Kurhanewicz J, Larson PE, Vigneron DB (апрель 2017 г.). «13 исследований метаболизма C-MR» . Магнитный резонанс в медицине . 77 (4): 1419–1428. DOI : 10.1002 / mrm.26226 . PMC 5040611 . PMID 27017966 .  
  13. ↑ Xing Y, Reed GD, Pauly JM, Kerr AB, Larson PE (сентябрь 2013 г.). «Оптимальные схемы переменного угла переворота для динамического получения обмениваемых гиперполяризованных подложек» . Журнал магнитного резонанса . 234 : 75–81. Bibcode : 2013JMagR.234 ... 75X . DOI : 10.1016 / j.jmr.2013.06.003 . PMC 3765634 . PMID 23845910 .  
  14. ^ Дев Дж, Гордон JW, Arcak М, Ларсона ПЭ (ноябрь 2016). «Оптимизация углов поворота для оценки скорости метаболизма в МРТ с гиперполяризованным углеродом-13» . IEEE Transactions по медицинской визуализации . 35 (11): 2403–2412. DOI : 10,1109 / TMI.2016.2574240 . PMC 5134417 . PMID 27249825 .  
  15. ^ Chattergoon N, Мартинез-Santiesteban F, Handler WB, Ardenkjaer-Larsen JH, Scholl TJ (январь 2013). «Полевая зависимость T1 для гиперполяризованного [1-13C] пирувата» . Контрастные среды и молекулярная визуализация . 8 (1): 57–62. DOI : 10.1002 / cmmi.1494 . PMID 23109393 . 
  16. ^ a b c d Йен Й.Ф., Ле Ру П, Майер Д., Кинг Р., Спилман 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. DOI : 10.1002 / nbm.1481 . PMC 2891253 . PMID 20175135 .  
  17. ^ Søgaard Л. Шиллинг F, Janich М.А., Менцель М.И., Ardenkjaer-Larsen JH (май 2014). «Измерение очевидных коэффициентов диффузии гиперполяризованных ¹³C-меченных метаболитов in vivo». ЯМР в биомедицине . 27 (5): 561–9. DOI : 10.1002 / nbm.3093 . PMID 24664927 . 
  18. ^ М.Бахры N, Суишер CL, фон Морзе С, Vigneron БД, Ларсона ПЭ (февраль 2014). «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. DOI : 10.3978 / j.issn.2223-4292.2014.02.02 . PMC 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). «Модельный подход к кинетическому анализу данных гиперполяризованной 13C магнитно-резонансной спектроскопии в реальном времени» . PLOS One . 8 (9): e71996. Bibcode : 2013PLoSO ... 871996H . DOI : 10.1371 / journal.pone.0071996 . PMC 3762840 . PMID 24023724 .