Jump to content

Гиперполяризованная МРТ углерода-13

Гиперполяризованная МРТ углерода-13
Цель метод визуализации для исследования перфузии и метаболизма

Гиперполяризованная МРТ с углеродом-13 — это функциональный метод медицинской визуализации для исследования перфузии и метаболизма с использованием инъецируемых субстратов .

Это становится возможным благодаря методам гиперполяризации молекул углерод-13, , содержащих с использованием динамической ядерной поляризации и быстрого растворения для создания раствора для инъекций . [ 1 ] [ 2 ] После инъекции гиперполяризованного субстрата метаболическую активность можно картировать на основе ферментативного преобразования введенной молекулы. В отличие от других методов метаболической визуализации, таких как позитронно-эмиссионная томография , МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 предоставляет химическую, а также пространственную информацию, что позволяет использовать этот метод для исследования активности определенных метаболических путей. Это привело к появлению новых способов визуализации заболеваний. Например, метаболическое преобразование гиперполяризованного пирувата в лактат все чаще используется для визуализации раковых тканей посредством эффекта Варбурга . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Гиперполяризация

[ редактировать ]

В то время как гиперполяризация неорганических малых молекул (таких как 3 Он и 129 Xe) обычно достигается с помощью спин-обменной оптической накачки (SEOP), соединений, полезных для метаболической визуализации (таких как 13 С или 15 N) обычно гиперполяризуются с использованием динамической ядерной поляризации (DNP). ДНП можно проводить при рабочих температурах 1,1-1,2 К и сильных магнитных полях (~ 4 Тл). [ 6 ] Затем соединения оттаивают и растворяют, получая раствор комнатной температуры, содержащий гиперполяризованные ядра, которые можно инъецировать.

Растворение и инъекция

[ редактировать ]

Гиперполяризованные образцы 13 C-пировиноградную кислоту обычно растворяют в той или иной форме водного раствора, содержащего различные детергенты и буферные реагенты. Например, в исследовании, выявляющем реакцию опухоли на лечение этопозидом , образец растворяли в 40 мМ HEPES , 94 мМ NaOH , 30 мМ NaCl и 50 мг/л ЭДТА . [ 3 ]

Доклинические модели

[ редактировать ]

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

Клинические испытания

[ редактировать ]

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

Методы визуализации

[ редактировать ]
Последовательность спектров ЯМР из эксперимента по МР-визуализации динамического гиперполяризованного углерода-13 на модели крысы. Этот набор данных показывает эволюцию намагниченности в одном вокселе в почке крысы. Виден сильный пик гиперполяризованного пирувата, введенного в эксперименте, а также меньшие пики, соответствующие метаболитам лактату , аланину и бикарбонату .

Спектроскопическая визуализация

[ редактировать ]

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

Метаболит-селективное возбуждение

[ редактировать ]

Используя методы одновременного пространственного и спектрального избирательного возбуждения, можно спроектировать радиочастотные импульсы для индивидуального воздействия на метаболиты. [ 9 ] [ 10 ] Это позволяет кодировать селективные по метаболитам изображения без необходимости спектроскопической визуализации. Этот метод также позволяет применять разные углы поворота к каждому метаболиту. [ 11 ] [ 12 ] что позволяет разрабатывать последовательности импульсов, оптимально использующие ограниченную поляризацию, доступную для визуализации. [ 13 ] [ 14 ]

Модели динамических изображений

[ редактировать ]

В отличие от обычной МРТ, эксперименты с гиперполяризацией по своей сути динамичны, поскольку изображения необходимо получать по мере того, как введенный субстрат распространяется по организму и метаболизируется. Это требует моделирования и оценки динамической системы для количественной оценки скорости метаболических реакций. Существует ряд подходов к моделированию эволюции намагниченности внутри одного вокселя.

пируват лактат аланин
Т1 ~46,9–65 с в зависимости от напряженности поля B0 [ 15 ]
Т2 ( опухоль ГЦК ) 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

[ редактировать ]

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

. ( 1 )

Обмен намагниченностью между двумя видами затем можно смоделировать с помощью линейного обыкновенного дифференциального уравнения.

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

Двухвидовая модель с двунаправленным потоком

[ редактировать ]

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

( 2 )

Тогда дифференциальное уравнение, описывающее обмен намагниченностью, имеет вид

Эффект радиочастотного возбуждения

[ редактировать ]

Повторное радиочастотное (РЧ) возбуждение образца вызывает дополнительный затухание вектора намагниченности. Для последовательностей с постоянным углом поворота этот эффект можно аппроксимировать, используя большую эффективную скорость затухания, вычисляемую как

где это угол переворота и это время повторения. [ 17 ] Также можно использовать изменяющиеся во времени последовательности углов поворота, но для этого требуется, чтобы динамика моделировалась как гибридная система с дискретными скачками в состоянии системы. [ 18 ]

Картирование метаболизма

[ редактировать ]

Целью многих экспериментов по МРТ с гиперполяризованным углеродом-13 является картирование 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 использование соотношения интегралов в качестве показателя интересующих констант скорости.

Коэффициент площади под кривой

[ редактировать ]

Сравнение определенного интеграла под кривыми метаболитов субстрата и продукта было предложено в качестве альтернативы оценкам параметров на основе модели как метода количественной оценки метаболической активности. При определенных предположениях соотношение

От площади под кривой продукта AUC(P) до площади под кривой субстрата AUC(S) пропорционально скорости прямого метаболизма . [ 19 ]

Сопоставление параметров скорости

[ редактировать ]

Когда предположения, при которых это соотношение пропорционально не выполняются или в собранных данных присутствует значительный шум, желательно вычислить оценки параметров модели напрямую. Когда шум независим, одинаково распределен и имеет гауссовую форму , параметры можно подобрать с помощью нелинейной оценки методом наименьших квадратов. В противном случае (например, если распределенным по Райсу используются изображения магнитуды с шумом, ), параметры можно оценить с помощью оценки максимального правдоподобия . Пространственное распределение скорости метаболизма можно визуализировать, оценив скорость метаболизма, соответствующую временному ряду каждого вокселя, и построив тепловую карту оцененных скоростей.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Арденкьяер-Ларсен Дж. Х., Фридлунд Б., Грам А, Ханссон Г, Ханссон Л., Лерш М.Х., Сервин Р., Танинг М., Гольман К. (сентябрь 2003 г.). «Увеличение отношения сигнал/шум более чем в 10 000 раз в ЯМР жидкого состояния» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (18): 10158–63. Бибкод : 2003PNAS..10010158A . дои : 10.1073/pnas.1733835100 . ЧВК   193532 . ПМИД   12930897 .
  2. ^ Гольман К., Арденкьяер-Ларсен Дж. Х., Петерссон Дж. С., Манссон С., Лейнбах I (сентябрь 2003 г.). «Молекулярная визуализация эндогенных веществ» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (18): 10435–9. Бибкод : 2003PNAS..10010435G . дои : 10.1073/pnas.1733836100 . ЧВК   193579 . ПМИД   12930896 .
  3. ^ Перейти обратно: а б Дэй С.Э., Кеттунен М.И., Галлахер Ф.А., Ху Д.Э., Лерш М., Вольбер Дж., Гольман К., Арденкьер-Ларсен Дж.Х., Бриндл К.М. (ноябрь 2007 г.). «Обнаружение ответа опухоли на лечение с помощью гиперполяризованной магнитно-резонансной томографии и спектроскопии 13C». Природная медицина . 13 (11): 1382–7. дои : 10.1038/нм1650 . ПМИД   17965722 . S2CID   11576068 .
  4. ^ Шрирам Р., Курханевич Дж., Винерон Д.Б. (2014). «МРТ и МРС с гиперполяризованным углеродом-13». ЭМагРес . 3 : 1–14. дои : 10.1002/9780470034590.emrstm1253 . ISBN  9780470034590 .
  5. ^ Нельсон С.Дж., Курханевич Дж., Винерон Д.Б., Ларсон П.Е., Харцстарк А.Л., Ферроне М., ван Крикинг М., Чанг Дж.В., Бок Р., Парк И., Рид Дж., Карвахал Л., Смолл Э.Дж., Мюнстер П., Вайнберг В.К., Арденкьяер-Ларсен Дж.Х. , Чен А.П., Херд Р.Э., Одегардстуэн Л.И., Робб Ф.Дж., Тропп Дж, Мюррей Дж. А. (август 2013 г.). «Метаболическая визуализация пациентов с раком простаты с использованием гиперполяризованного [1-¹³C]пирувата» . Наука трансляционной медицины . 5 (198): 198ра108. doi : 10.1126/scitranslmed.3006070 . ПМК   4201045 . ПМИД   23946197 .
  6. ^ Йоханнессон Х., Мачолл 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. Бибкод : 2009JMagR.197..167J . дои : 10.1016/j.jmr.2008.12.016 . ПМИД   19162518 .
  7. ^ Милоушев В.З., Кешари КР, Холодный А.И. (февраль 2016 г.). «Гиперполяризационная МРТ: доклинические модели и потенциальные применения в нейрорадиологии» . Темы магнитно-резонансной томографии . 25 (1): 31–7. дои : 10.1097/RMR.0000000000000076 . ПМЦ   4968075 . ПМИД   26848559 .
  8. ^ «Клинические испытания» .
  9. ^ Лупо Дж.М., Чен А.П., Зирхут М.Л., Бок Р.А., Каннингем Ч.С., Курханевич Дж., Виньерон Д.Б., Нельсон С.Дж. (февраль 2010 г.). «Анализ гиперполяризованной динамической визуализации лактата 13C на модели рака простаты у трансгенных мышей» . Магнитно-резонансная томография . 28 (2): 153–62. дои : 10.1016/j.mri.2009.07.007 . ПМК   3075841 . ПМИД   19695815 .
  10. ^ Каннингем Ч., Чен А.П., Лустиг М., Харгривз Б.А., Лупо Дж., Сюй Д., Курханевич Дж., Херд Р.Э., Поли Дж.М., Нельсон С.Дж., Винерон Д.Б. (июль 2008 г.). «Импульсная последовательность для динамической объемной визуализации гиперполяризованных продуктов метаболизма» . Журнал магнитного резонанса . 193 (1): 139–46. Бибкод : 2008JMagR.193..139C . дои : 10.1016/j.jmr.2008.03.012 . ПМК   3051833 . ПМИД   18424203 .
  11. ^ Ларсон П.Е., Керр А.Б., Чен А.П., Люстиг М.С., Зирхут М.Л., Ху С., Каннингем CH, Поли Дж.М., Курханевич Дж., Винерон Д.Б. (сентябрь 2008 г.). «Многополосные импульсы возбуждения для визуализации динамического химического сдвига гиперполяризованного 13C» . Журнал магнитного резонанса . 194 (1): 121–7. Бибкод : 2008JMagR.194..121L . дои : 10.1016/j.jmr.2008.06.010 . ПМЦ   3739981 . ПМИД   18619875 .
  12. ^ Марко-Риус I, Цао П., фон Морзе С., Мерритт М., Морено К.Х., Чанг Г.И., 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 . ПМК   5040611 . ПМИД   27017966 .
  13. ^ Син Ю, Рид Г.Д., Поли Дж.М., Керр А.Б., Ларсон П.Е. (сентябрь 2013 г.). «Оптимальные схемы с переменным углом поворота для динамического получения обменных гиперполяризованных подложек» . Журнал магнитного резонанса . 234 : 75–81. Бибкод : 2013JMagR.234...75X . дои : 10.1016/j.jmr.2013.06.003 . ПМЦ   3765634 . ПМИД   23845910 .
  14. ^ Мейденс Дж., Гордон Дж.В., Аркак М., Ларсон П.Е. (ноябрь 2016 г.). «Оптимизация углов поворота для оценки скорости метаболизма при МРТ с гиперполяризованным углеродом-13» . Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 35 (11): 2403–2412. дои : 10.1109/TMI.2016.2574240 . ПМК   5134417 . ПМИД   27249825 .
  15. ^ Чаттергун Н., Мартинес-Сантьестебан Ф., Хэндлер В.Б., Арденкьер-Ларсен Дж.Х., Шолль Т.Дж. (январь 2013 г.). «Полевая зависимость T1 для гиперполяризованного [1-13C] пирувата». Контрастные среды и молекулярная визуализация . 8 (1): 57–62. дои : 10.1002/cmmi.1494 . ПМИД   23109393 .
  16. ^ Перейти обратно: а б с д Йен Ю.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 крыс, 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 . ПМЦ   2891253 . ПМИД   20175135 .
  17. ^ Согаард Л.В., Шиллинг Ф., Янич М.А., Мензель М.И., Арденкьяер-Ларсен Дж.Х. (май 2014 г.). «Измерение in vivo кажущихся коэффициентов диффузии гиперполяризованных метаболитов, меченных ¹³C». ЯМР в биомедицине . 27 (5): 561–9. дои : 10.1002/nbm.3093 . ПМИД   24664927 . S2CID   29659861 .
  18. ^ Бахрами Н., Свишер К.Л., Фон Морзе С., Виньерон Д.Б., Ларсон П.Е. (февраль 2014 г.). «Кинетическое и перфузионное моделирование гиперполяризованного пирувата (13) C 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 . ПМЦ   3947982 . ПМИД   24649432 .
  19. ^ Хилл Д.К., Ортон М.Р., Мариотти Э., Боулт Дж.К., Панек Р., Джафар М., Паркс Х.Г., Джамин Ю., Миниотис М.Ф., Аль-Саффар Н.М., Белуш-Бабари М., Робинсон С.П., Лич М.О., Чунг Ю.Л., Эйкин Т.Р. (2014 г.) ). «Свободный от модели подход к кинетическому анализу данных гиперполяризованной магнитно-резонансной спектроскопии 13C в реальном времени» . ПЛОС ОДИН . 8 (9): е71996. Бибкод : 2013PLoSO...871996H . дои : 10.1371/journal.pone.0071996 . ПМЦ   3762840 . ПМИД   24023724 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 73bf7e611723adefcef869e81129b0a6__1701579720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/73/a6/73bf7e611723adefcef869e81129b0a6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hyperpolarized carbon-13 MRI - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)