Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny węgla-13

Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny węgla-13
Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny węgla-13
Zamiar	technika obrazowania do sondowania perfuzji i metabolizmu

Hyperpolarized carbon-13 MRI to funkcjonalna technika obrazowania medycznego służąca do sondowania perfuzji i metabolizmu przy użyciu wstrzykiwanych substratów .

Jest to możliwe dzięki technikom hiperpolaryzacji cząsteczek zawierających węgiel-13 z wykorzystaniem dynamicznej polaryzacji jądrowej i szybkiego rozpuszczania w celu utworzenia roztworu do wstrzykiwań . Po wstrzyknięciu hiperspolaryzowanego substratu aktywność metaboliczną można zmapować na podstawie konwersji enzymatycznej wstrzykniętej cząsteczki. W przeciwieństwie do innych metod obrazowania metabolicznego, takich jak pozytonowa tomografia emisyjna , hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny węgla-13 dostarcza informacji chemicznych i przestrzennych, umożliwiając wykorzystanie tej techniki do badania aktywności określonych szlaków metabolicznych. Doprowadziło to do nowych sposobów obrazowania chorób. Na przykład przemiana metaboliczna hiperspolaryzowanego pirogronianu w mleczan jest coraz częściej wykorzystywana do obrazowania tkanek nowotworowych za pomocą efektu Warburga .

Hiperpolaryzacja

Podczas gdy hiperpolaryzację nieorganicznych małych cząsteczek (takich jak ³ He i ¹²⁹ Xe) zwykle osiąga się za pomocą pompowania optycznego z wymianą spinów (SEOP), związki przydatne do obrazowania metabolicznego (takie jak ¹³ C lub ¹⁵ N) są zazwyczaj hiperpolaryzowane przy użyciu dynamicznej polaryzacji jądrowej (DNP ). DNP można przeprowadzić w temperaturach roboczych 1,1-1,2 K i silnych polach magnetycznych (~ 4T). Związki są następnie rozmrażane i rozpuszczane w celu uzyskania roztworu o temperaturze pokojowej zawierającego hiperspolaryzowane jądra, który można wstrzykiwać.

Rozpuszczanie i wstrzykiwanie

Hiperpolaryzowane próbki ¹³ C kwasu pirogronowego są zazwyczaj rozpuszczane w jakiejś formie wodnego roztworu zawierającego różne detergenty i odczynniki buforujące. Na przykład w badaniu wykrywającym odpowiedź guza na etopozydem próbkę rozpuszczono w 40 mM HEPES , 94 mM NaOH , 30 mM NaCl i 50 mg/l EDTA .

Modele przedkliniczne

Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny węgla-13 jest obecnie opracowywany jako potencjalnie opłacalne narzędzie diagnostyczne i postępowe w leczeniu różnych nowotworów , w tym raka prostaty . Inne potencjalne zastosowania obejmują zastosowania neuroonkologiczne, takie jak monitorowanie w czasie rzeczywistym zdarzeń metabolicznych in vivo.

Badania kliniczne

Większość badań klinicznych wykorzystujących hiperpolaryzację ¹³ C dotyczy obecnie metabolizmu pirogronianu w raku prostaty, testowaniu odtwarzalności danych obrazowania, jak również wykonalności pozyskiwania czasu.

Metody obrazowania

Sekwencja widm NMR z eksperymentu dynamicznego obrazowania hiperspolaryzowanego węgla-13 MR w modelu szczurzym. Ten zestaw danych pokazuje ewolucję namagnesowania w pojedynczym wokselu w nerce szczura. Wyraźny jest silny pik z hiperspolaryzowanego pirogronianu wstrzykniętego w eksperymencie, wraz z mniejszymi pikami odpowiadającymi metabolitom mleczanowi , alaninie i wodorowęglanowi .

Obrazowanie spektroskopowe

Techniki obrazowania spektroskopowego umożliwiają wydobycie informacji chemicznych z eksperymentów MRI z hiperspolaryzowanym węglem-13. Odrębne przesunięcie chemiczne związane z każdym metabolitem można wykorzystać do zbadania wymiany magnetyzacji między pulami odpowiadającymi każdemu z metabolitów.

Pobudzenie selektywne dla metabolitów

Wykorzystując techniki jednoczesnego selektywnego wzbudzania przestrzennego i widmowego, impulsy RF można zaprojektować tak, aby indywidualnie zakłócały metabolity. Umożliwia to kodowanie selektywnych metabolitów obrazów bez potrzeby obrazowania spektroskopowego. Ta technika pozwala również na zastosowanie różnych kątów odwrócenia do każdego metabolitu, co umożliwia zaprojektowanie sekwencji impulsów, które optymalnie wykorzystują ograniczoną polaryzację dostępną do obrazowania.

Dynamiczne modele obrazowania

W przeciwieństwie do konwencjonalnego MRI, eksperymenty z hiperpolaryzacją są z natury dynamiczne, ponieważ obrazy muszą być pozyskiwane, gdy wstrzyknięty substrat rozprzestrzenia się w organizmie i jest metabolizowany. Wymaga to dynamicznego modelowania systemu i oszacowania ilościowego tempa reakcji metabolicznych. Istnieje wiele podejść do modelowania ewolucji namagnesowania w obrębie pojedynczego woksela.

	pirogronian	mleczan	alanina
T1	~46,9-65 s w zależności od natężenia pola B0
T2 ( guz HCC )		0,9 ± 0,2 sek	1,2 ± 0,1 sek
T2 (Zdrowa Wątroba)		0,52 ± 0,03 sek	0,38 ± 0,05 sek

Model dwugatunkowy z przepływem jednokierunkowym

Najprostszy model strumienia metabolicznego zakłada jednokierunkową konwersję wstrzykniętego substratu S w produkt P. Zakłada się, że szybkość konwersji zależy od stałej szybkości reakcji ${\ displaystyle k _ {{\ ce {SP}}}}$

{\ Displaystyle {\ ce {S-> [{{} \ na szczycie {k _ {\ ce {SP}}}}] P}}}

.

()

Wymianę namagnesowania między dwoma gatunkami można następnie modelować za pomocą liniowego zwykłego równania różniczkowego

{\ Displaystyle {\ Frac {dM_ {\ ce {P}}} {dt}} (t) = -R_{1{\ce {P}}}M_{P}(t)+k_{\ce {SP}}M_{S}(t)}

gdzie oznacza szybkość, z jaką ${\ Displaystyle R_ {1 {\ ce {P}}} = {\ Frac {1} {1} T_ {1 {\ ce {P}}}}}}$ namagnesowanie poprzeczne zanika do polaryzacji równowagi termicznej, dla gatunku produktu P.

Model dwugatunkowy z przepływem dwukierunkowym

Model strumienia jednokierunkowego można rozszerzyć, aby uwzględnić dwukierunkowy przepływ metaboliczny z szybkością do przodu ${\ displaystyle k _ {{\ ce {SP}}}}$ i szybkością do tyłu ${\ displaystyle k_ {PS}}$

{\ Displaystyle {\ ce {S <=> [{{} \ na szczycie {k _ {\ ce {SP}}}} [{{k_ {\ ce {PS}}} \ na szczycie {}}]P}}}

()

Równanie różniczkowe opisujące wymianę magnetyzacji ma zatem postać

{\ Displaystyle {\ Frac {dM _ {\ ce {P}}} {dt}} (t) = - R_ {1 {\ ce {P}}} M _ {\ ce {P}} (t) -k_ { \ce {PS}}M_{\ce {P}}(t)+k_{\ce {SP}}M_{\ce {S}}(t).}

Wpływ wzbudzenia częstotliwością radiową

Powtarzane wzbudzanie próbki częstotliwością radiową (RF) powoduje dodatkowy zanik wektora magnetyzacji. W przypadku sekwencji o stałym kącie odwrócenia efekt ten można przybliżyć, stosując większą efektywną szybkość zaniku obliczoną jako

{\ Displaystyle R_ {1 {\ ce {P, eff}}} = R_ {1 {\ ce {P}}} - {\ frac {\log(\cos \alpha)}{TR}}}

gdzie $.$ kątem odwrócenia $i$ powtórzenia Można również zastosować zmienne w czasie sekwencje kątów odwrócenia, ale wymagają one modelowania dynamiki jako systemu hybrydowego z dyskretnymi skokami w stanie systemu.

Mapowanie metabolizmu

Celem wielu eksperymentów MRI z hiperpolaryzacją węgla-13 jest mapowanie aktywności określonego szlaku metabolicznego. Metody ilościowego określania tempa metabolizmu z dynamicznych danych obrazowych obejmują czasowe całkowanie krzywych metabolicznych, obliczenie całki oznaczonej określanej w farmakokinetyce jako pole pod krzywą (AUC) i przyjęcie stosunku całek jako przybliżenia dla interesujących stałych szybkości.

Współczynnik pola pod krzywą

Porównanie całki oznaczonej pod krzywymi metabolitu substratu i produktu zostało zaproponowane jako alternatywa dla szacunków parametrów opartych na modelach jako metoda ilościowego określania aktywności metabolicznej. Przy określonych założeniach współczynnik

{\ Displaystyle {\ ce {{\ Frac {AUC (P)} {AUC (S)}}}}}

pole pod krzywą produktu AUC (P) do pola pod krzywą substratu AUC (S) jest proporcjonalne do tempa metabolizmu do przodu ${\ displaystyle k _ {{\ ce {SP}}}}$ .

Mapowanie parametrów szybkości

Gdy założenia, przy których ten stosunek jest proporcjonalny do nie są spełnione lub w zebranych danych występuje znaczny szum, pożądane jest bezpośrednie obliczenie $.$ Gdy szum jest niezależny i ma identyczny rozkład oraz gaussowski , parametry można dopasować za pomocą nieliniowej estymacji najmniejszych kwadratów. W przeciwnym razie (na przykład, jeśli używane są obrazy wielkości z rozproszonym w Ricianie ), parametry można oszacować na podstawie oszacowania największej wiarygodności . Przestrzenny rozkład tempa metabolizmu można zwizualizować przez oszacowanie tempa metabolizmu odpowiadającego szeregom czasowym z każdego woksela i wykreślenie mapy termicznej oszacowanych szybkości.

Zobacz też