Электронно-резонансная томография

Электронно-резонансная томография ( ЭРИ ) — это доклинический метод визуализации , наряду с позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ), компьютерной томографией (КТ), магнитно-резонансной томографией (МРТ) и другими методами. ERI занимается визуализацией мелких лабораторных животных, и его уникальной особенностью является способность обнаруживать свободные радикалы . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Этот метод также можно использовать для других целей, таких как материаловедение, качество продуктов питания и т. д. ^{[ 3 ]}

Для целей визуализации in vivo ERI является минимально инвазивным методом. Это требует внутривенной инъекции внешних веществ, называемых спиновыми зондами. ^{[ 4 ]} (обычно нитроксид или триарилметиловые соединения). Основным преимуществом метода ERI является возможность картирования параметров микроокружения ткани, например, парциального давления кислорода (pO2), окислительно-восстановительного статуса, окислительного стресса , концентрации тиолов, pH , неорганического фосфора, вязкости и т. д. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} ERI обычно используется для исследований в области онкологии , нейродегенеративных расстройств и разработки лекарств.

Источник

ERI — это доклиническое применение электронной парамагнитной резонансной томографии (EPRI). ^{[ 9 ]}^{[ 2 ]} Термин «ERI» был введен для того, чтобы отличить коммерческое устройство от устройств EPRI, которые обычно используются в академической сфере.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) посвящена исследованию веществ с неспаренными электронами. Впервые оно было обнаружено в 1944 году, примерно в то же время, что и аналогичное явление — ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Из-за аппаратных и программных ограничений ЭПР развивался не так быстро, как ЯМР. Это привело к огромному разрыву между этими двумя методами. Поэтому, чтобы подчеркнуть прорыв в доклинической визуализации и представить EPRI как дополнительный метод к существующим, был введен термин «ERI». ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Приложения in vivo

Кислородная визуализация

Одним из многих возможных применений ERI является возможность измерения абсолютного значения кислорода. ^{[ 12 ]} Ширина сигнала ЭПР от кислородчувствительных спиновых зондов линейно зависит от концентрации кислорода в тканях. ^{[ 13 ]} Поэтому информация о значении кислорода собирается непосредственно с обследуемых участков. Кислородное картирование обычно используется для планирования и повышения эффективности лучевой терапии. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} Тритил-спиновые зонды наиболее подходят для использования в визуализации кислорода. ^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Редокс-статус и окислительный стресс

Уникальным свойством ERI является способность отслеживать активные формы кислорода (АФК). ^{[ 18 ]} Эти частицы универсальны и постоянно генерируются в живых организмах. АФК играют особую роль в окислительных и восстановительных механизмах. В нормальном физиологическом состоянии количество АФК контролируется антиоксидантами . Факторы, увеличивающие количество АФК (например, ионизирующая радиация, ионы металлов и т. д.), вызовут их перепроизводство. Это состояние приводит к дисбалансу между этими частицами и поэтому называется окислительным стрессом. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Фармакокинетика

ERI позволяет проводить динамические измерения и трехмерное отслеживание спинового зонда. ^{[ 6 ]} В этом случае термин «динамика» относится к быстрому повторению процесса визуализации и отслеживанию изменений интенсивности сигнала для каждого отображаемого местоположения с течением времени. Благодаря высокому временному разрешению и чувствительности метода можно различать фазы притока и оттока спинового зонда, биораспределение и время достижения максимальной концентрации спинового зонда. ^{[ 6 ]}

Спиновые зонды

В природных условиях свободные радикалы характеризуются чрезвычайно коротким сроком жизни, поэтому для захвата сигнала ЭПР необходимо доставить внешнюю молекулу со стабильным свободным радикалом. Обычно это происходит путем инъекции в организм животного. Для визуализации используются два основных класса спиновых зондов: нитроксидные и триарилметильные (ТАМ, тритильные) радикалы.

Нитроксидные радикалы чувствительны к концентрации кислорода, pH, концентрации тиолов, вязкости и полярности. ^{[ 2 ]} Проблема с этими типами спиновых зондов заключается в их быстром уменьшении, что иногда приводит к потере сигнала ЭПР. Триарилметильные радикалы характеризуются гораздо более длительным сроком службы и повышенной устойчивостью к восстанавливающим и окислительным биологическим агентам. Они идеально подходят для измерения концентрации кислорода, pH, концентрации тиолов, неорганического фосфата и окислительно-восстановительного статуса.

Хотя вышеупомянутые спиновые зонды являются наиболее популярным выбором, в ERI можно использовать гораздо больше. Одним из многих примеров является меланин – полимерный пигмент, содержащий смесь эумеланина и феомеланина. ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]} Это единственное вещество, встречающееся в естественных условиях и позволяющее регистрировать сигнал ЭПР без необходимости доставки посторонних спиновых зондов.

Ссылки

^ Уцуми Х., Муто Э., Масуда С., Хамада А. Измерение СОЭ свободных радикалов in vivo у целых мышей. Biochem Biophys Res Commun. 1990;172(3):1342–8.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Итон GR, Итон СС. Введение в визуализацию ЭПР с использованием градиентов магнитного поля. Понятия Магнитный Резон. 1995;7(1):49–67.
^ Котеча, Мригнаяни, Борис Эпель, Шрирам Равиндран, Дебора Дорсемус, Шьям Нукаварапу и Говард Халперн. (2018). «Неинвазивная кислородная визуализация абсолютного электронного парамагнитного резонанса для оценки оксигенации тканевого трансплантата» . Тканевая инженерия. Часть C: Методы . 24 (1): 14–19. дои : 10.1089/ten.TEC.2017.0236 . ПМК 5756934 . ПМИД 28844179 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ян Г, Лей П, Шуанцюань Цзи, Лян Л, Бутылка С.Э. Спиновые зонды для электронной парамагнитной резонансной томографии. Китайский научный бюллетень 53(24):3777-3789. Декабрь 2008 года.
^ Jump up to: ^а ^б М. Гоне, М. Барановский, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, С. Юрга, М. Муриас Мультигармоническая электронно-парамагнитная резонансная томография как инновационный подход для исследований in vivo. Свободный Радик. Биоло. И Медик. 152, 271-279, (2020)
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д М. Барановский, М. Гоне, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, М. Муриас Динамическая электронно-парамагнитная резонансная томография: современные методы биораспределения и фармакокинетической визуализации . Дж. Физ. хим. С 124, 19743-19752, (2020)
^ Бобко А.А., Юбэнк Т.Д., Дрисшерт Б., Храмцов В.В. In Vivo ЭПР-оценка pH, pO2, окислительно-восстановительного статуса и концентрации фосфата и глутатиона в микроокружении опухоли. J Vis Exp. 16 марта 2018 г.;(133).
^ Лоуренс Дж. Берлинер, Нарасимхам Л. Паринанди (2020). Измерение оксидантов и окислительного стресса в биологических системах, Биологический магнитный резонанс 34 (2020) . Биологический магнитный резонанс. Том. 34. дои : 10.1007/978-3-030-47318-1 . ISBN 978-3-030-47317-4 . ПМИД 33411425 . S2CID 221071036 .
^ Цейтлин М, Столин А.В., Гуггилапу П., Бобко А.А., Храмцов В.В., Цейтлин О., Райлман Р.Р. Комбинированная система позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и электронной парамагнитно-резонансной томографии (ЭПРИ): первоначальная оценка прототипа сканера. Физ Мед Биол. 2018;63(10):105010.
^ Завойский Э. Спин-магнитный резонанс в парамагнетике. Доктор физ. наук СССР. 1945;9:211–45.
^ Перселл Э., Торри Х., Паунд Р. Резонансное поглощение ядерными магнитными моментами в твердом теле. Phys Rev. 1946;69:37–338.
^ Элас М., Белл Р., Хлейхель Д., Барт Э.Д., Макфол С., Хейни С.Р., Белянска Дж., Пустельный К., Ан К.Х., Пелиццари К.А., Кочергинский М., Халперн Х.Дж. Электронно-парамагнитный резонанс. Изображение кислорода. Гипоксическая фракция плюс доза радиации тесно коррелирует с излечением опухоли при фибросаркомах FSa. Int J Радиат Онкол. 2008;71(2):542–9.
^ Халперн, Х.Дж., К.Ю, М. Перик, Э. Барт, Д.Д. Грдина и Б.А. Тейчер. (20 декабря 1994 г.). «Оксиметрия в глубине тканей с помощью низкочастотного электронного парамагнитного резонанса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 91, вып. 26 (20 декабря 1994 г.): 13047–51» . Proceedings of the National Academy of Sciences . 91 (26): 13047–13051. : 10.1073 /pnas.91.26.13047 . PMC 45578. . PMID 7809170 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Элас М. и др. Изображения кислорода, полученные с помощью ЭПР, предсказывают контроль над опухолью с помощью 50% дозы облучения, контролирующей опухоль. Рак Рез. 1 сентября 2013 г.;73(17):5328-35.
^ Эпель, Борис, Мэтью К. Маджио, Юджин Д. Барт, Ричард К. Миллер, Чарльз А. Пелиццари, Мартина Кшикавска-Серда, Субраманиан В. Сундраморти. (март 2019 г.). «Кислородная лучевая терапия». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики 103, вып. 4 (15 2019): 977–84» . Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 103 (4): 977–984. : 10.1016 /j.ijrobp.2018.10.041 . PMC 6478443. . PMID 30414912 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Тормышев, Виктор М., Александр М. Генаев, Георгий Е. Сальников, Ольга Ю. Рогожникова, Татьяна И. Троицкая, Дмитрий В. Трухин, Виктор И. Маматюк, Дмитрий С. Фадеев и Говард Дж. Халперн. (2012). «Триарилметанолы, несущие объемистые арильные группы, и экспериментальное наблюдение NOESY/EXSY механизма двухкольцевого переворота для изменения спиральности молекулярных пропеллеров». Европейский журнал органической химии 2012, вып. 3 (январь 2012 г.)» . Европейский журнал органической химии . 2012 (3): 623–629. : 10.1002 /ejoc.201101243 . PMC 3843112. . PMID 24294110 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Гомберг, М. (1897). «Тетрафенилметан» . Отчеты Немецкого химического общества . 30 (2): 2043–2047. дои : 10.1002/cber.189703002177 .
^ Эмото MC, Мацуока Ю, Ямада КИ, Сато-Акаба H4, Фуджи ХГ. Неинвазивная визуализация уровней и влияния глутатиона на окислительно-восстановительный статус мозга мышей с использованием электронной парамагнитно-резонансной томографии. Biochem Biophys Res Commun. 15 апреля 2017 г.; 485(4): 802-806.
^ Элас М., Итикава К., Халперн Х.Дж. Визуализация окислительного стресса у живых животных с помощью методов, основанных на электронном парамагнитном резонансе. Радиат Рез. 2012;177(4):514–23.
^ Фуджи Х., Сато-Акаба Х., Каваниши К., Хирата Х. Картирование окислительно-восстановительного статуса в мышиной модели с заболеванием головного мозга с помощью трехмерной ЭПР-визуализации: ЭПР-визуализация нитроксидов в голове мыши. Магн Резон Мед. 2011;65(1):295–303.
^ Ванеа Э., Шарлье Н., Девевер Дж., Дингуизли М., Ферон О., Баурен Дж. Ф., Галлез Б. Молекулярная электронно-парамагнитная резонансная томография меланина в меланомах: подтверждение концепции. ЯМР Биомед. 2008;21(3):296–300.
^ Шарлье Н., Десойл М., Госсуин Ю., Гиллис П., Галлез Б. Электронно- парамагнитно-резонансная томография меланина у медоносных пчел. Клеточная биохимия Биофиз. 2020 год

Внешние ссылки

ERI Imaging – Метод (Novilet)

[1] Уцуми Х., Муто Э., Масуда С., Хамада А. Измерение СОЭ свободных радикалов in vivo у целых мышей. Biochem Biophys Res Commun. 1990;172(3):1342–8.

[:2-2] Jump up to: ^а ^б ^с Итон GR, Итон СС. Введение в визуализацию ЭПР с использованием градиентов магнитного поля. Понятия Магнитный Резон. 1995;7(1):49–67.

[3] Котеча, Мригнаяни, Борис Эпель, Шрирам Равиндран, Дебора Дорсемус, Шьям Нукаварапу и Говард Халперн. (2018). «Неинвазивная кислородная визуализация абсолютного электронного парамагнитного резонанса для оценки оксигенации тканевого трансплантата» . Тканевая инженерия. Часть C: Методы . 24 (1): 14–19. дои : 10.1089/ten.TEC.2017.0236 . ПМК 5756934 . ПМИД 28844179 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[4] Ян Г, Лей П, Шуанцюань Цзи, Лян Л, Бутылка С.Э. Спиновые зонды для электронной парамагнитной резонансной томографии. Китайский научный бюллетень 53(24):3777-3789. Декабрь 2008 года.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б М. Гоне, М. Барановский, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, С. Юрга, М. Муриас Мультигармоническая электронно-парамагнитная резонансная томография как инновационный подход для исследований in vivo. Свободный Радик. Биоло. И Медик. 152, 271-279, (2020)

[:1-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д М. Барановский, М. Гоне, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, М. Муриас Динамическая электронно-парамагнитная резонансная томография: современные методы биораспределения и фармакокинетической визуализации . Дж. Физ. хим. С 124, 19743-19752, (2020)

[7] Бобко А.А., Юбэнк Т.Д., Дрисшерт Б., Храмцов В.В. In Vivo ЭПР-оценка pH, pO2, окислительно-восстановительного статуса и концентрации фосфата и глутатиона в микроокружении опухоли. J Vis Exp. 16 марта 2018 г.;(133).

[8] Лоуренс Дж. Берлинер, Нарасимхам Л. Паринанди (2020). Измерение оксидантов и окислительного стресса в биологических системах, Биологический магнитный резонанс 34 (2020) . Биологический магнитный резонанс. Том. 34. дои : 10.1007/978-3-030-47318-1 . ISBN 978-3-030-47317-4 . ПМИД 33411425 . S2CID 221071036 .

[9] Цейтлин М, Столин А.В., Гуггилапу П., Бобко А.А., Храмцов В.В., Цейтлин О., Райлман Р.Р. Комбинированная система позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и электронной парамагнитно-резонансной томографии (ЭПРИ): первоначальная оценка прототипа сканера. Физ Мед Биол. 2018;63(10):105010.

[10] Завойский Э. Спин-магнитный резонанс в парамагнетике. Доктор физ. наук СССР. 1945;9:211–45.

[11] Перселл Э., Торри Х., Паунд Р. Резонансное поглощение ядерными магнитными моментами в твердом теле. Phys Rev. 1946;69:37–338.

[12] Элас М., Белл Р., Хлейхель Д., Барт Э.Д., Макфол С., Хейни С.Р., Белянска Дж., Пустельный К., Ан К.Х., Пелиццари К.А., Кочергинский М., Халперн Х.Дж. Электронно-парамагнитный резонанс. Изображение кислорода. Гипоксическая фракция плюс доза радиации тесно коррелирует с излечением опухоли при фибросаркомах FSa. Int J Радиат Онкол. 2008;71(2):542–9.

[13] Халперн, Х.Дж., К.Ю, М. Перик, Э. Барт, Д.Д. Грдина и Б.А. Тейчер. (20 декабря 1994 г.). «Оксиметрия в глубине тканей с помощью низкочастотного электронного парамагнитного резонанса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 91, вып. 26 (20 декабря 1994 г.): 13047–51» . Proceedings of the National Academy of Sciences . 91 (26): 13047–13051. : 10.1073 /pnas.91.26.13047 . PMC 45578. . PMID 7809170 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[14] Элас М. и др. Изображения кислорода, полученные с помощью ЭПР, предсказывают контроль над опухолью с помощью 50% дозы облучения, контролирующей опухоль. Рак Рез. 1 сентября 2013 г.;73(17):5328-35.

[15] Эпель, Борис, Мэтью К. Маджио, Юджин Д. Барт, Ричард К. Миллер, Чарльз А. Пелиццари, Мартина Кшикавска-Серда, Субраманиан В. Сундраморти. (март 2019 г.). «Кислородная лучевая терапия». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики 103, вып. 4 (15 2019): 977–84» . Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 103 (4): 977–984. : 10.1016 /j.ijrobp.2018.10.041 . PMC 6478443. . PMID 30414912 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[16] Тормышев, Виктор М., Александр М. Генаев, Георгий Е. Сальников, Ольга Ю. Рогожникова, Татьяна И. Троицкая, Дмитрий В. Трухин, Виктор И. Маматюк, Дмитрий С. Фадеев и Говард Дж. Халперн. (2012). «Триарилметанолы, несущие объемистые арильные группы, и экспериментальное наблюдение NOESY/EXSY механизма двухкольцевого переворота для изменения спиральности молекулярных пропеллеров». Европейский журнал органической химии 2012, вып. 3 (январь 2012 г.)» . Европейский журнал органической химии . 2012 (3): 623–629. : 10.1002 /ejoc.201101243 . PMC 3843112. . PMID 24294110 doi {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[17] Гомберг, М. (1897). «Тетрафенилметан» . Отчеты Немецкого химического общества . 30 (2): 2043–2047. дои : 10.1002/cber.189703002177 .

[18] Эмото MC, Мацуока Ю, Ямада КИ, Сато-Акаба H4, Фуджи ХГ. Неинвазивная визуализация уровней и влияния глутатиона на окислительно-восстановительный статус мозга мышей с использованием электронной парамагнитно-резонансной томографии. Biochem Biophys Res Commun. 15 апреля 2017 г.; 485(4): 802-806.

[19] Элас М., Итикава К., Халперн Х.Дж. Визуализация окислительного стресса у живых животных с помощью методов, основанных на электронном парамагнитном резонансе. Радиат Рез. 2012;177(4):514–23.

[20] Фуджи Х., Сато-Акаба Х., Каваниши К., Хирата Х. Картирование окислительно-восстановительного статуса в мышиной модели с заболеванием головного мозга с помощью трехмерной ЭПР-визуализации: ЭПР-визуализация нитроксидов в голове мыши. Магн Резон Мед. 2011;65(1):295–303.

[21] Ванеа Э., Шарлье Н., Девевер Дж., Дингуизли М., Ферон О., Баурен Дж. Ф., Галлез Б. Молекулярная электронно-парамагнитная резонансная томография меланина в меланомах: подтверждение концепции. ЯМР Биомед. 2008;21(3):296–300.

[22] Шарлье Н., Десойл М., Госсуин Ю., Гиллис П., Галлез Б. Электронно- парамагнитно-резонансная томография меланина у медоносных пчел. Клеточная биохимия Биофиз. 2020 год

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]