يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

التحليل الطيفي والرنين المغناطيسي الأيضي المفرط الاستقطاب 13C والتصوير

10.2K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/54751

⸱

ديسمبر 30, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Nuclear Medicine, Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, 2Department of Chemistry, Technische Universität München, 3GE Global Research, 4Zentralinstitut für Medizintechnik der Technischen Universität München (IMETUM), Technische Universität München, 5Institute for Biological and Medical Imaging (IBMI), Helmholtz Zentrum München, 6IDG Institute of Developmental Genetics, Helmholtz Zentrum München

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

وقد أتاح الاستقطاب النووي الديناميكي مع انحلال العينة اللاحق إجراء دراسات في الوقت الفعلي لعملية التمثيل الغذائي في الأنظمة البيولوجية. تم استخدام البيروفات مفرط الاستقطاب [1-13C] لدراسة نشاط نازعة هيدروجين اللاكتات في خط خلايا سرطان البروستاتا في المختبر.

الملخص

< p class = "jove_content"> في العقود الماضية ، ظهرت طرق جديدة لتحديد مراحل الورم ، وإعادة التأهيل ، ومراقبة الاستجابة للعلاج ، والكشف عن تكرار مجموعة متنوعة من السرطانات جنبا إلى جنب مع التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني الحديث مع 18F-فلوروديوكسي جلوكوز ([18فهرنهايت] -FDG PET). 13التصوير الطيفي بالرنين المغناطيسي C (13CMRSI) هو طريقة تصوير طفيفة التوغل تمكن من مراقبة التمثيل الغذائي في الجسم الحي وفي الوقت الفعلي. كما هو الحال مع أي طريقة أخرى تعتمد على الرنين المغناطيسي النووي 13درجة مئوية (NMR) ، فإنها تواجه تحديا يتمثل في الاستقطاب الحراري المنخفض ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة اللاحقة بسبب النسبة المغناطيسية الجيروسكوبية المنخفضة نسبيا البالغة 13درجة مئوية ووفرة طبيعية منخفضة في العينات البيولوجية. من خلال التغلب على هذه القيود ، فإن الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP) مع انحلال العينة اللاحق قد مكن مؤخرا من أنظمة الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) شائعة الاستخدام لقياس ودراسة وتصوير مسارات التمثيل الغذائي الرئيسية في أنظمة بيولوجية مختلفة. جزيء مثير للاهتمام وواعد بشكل خاص المستخدم في 13CMRSI هو [1-13C] البيروفات ، والذي ، في السنوات العشر الماضية ، تم استخدامه على نطاق واسع في المختبر ، وما قبل السريري ، ومؤخرا ، الدراسات السريرية للتحقيق في استقلاب الطاقة الخلوية في السرطان والأمراض الأخرى. في هذه المقالة ، نوضح تقنية انحلال DNP باستخدام فرط الاستقطاب DNP قبل السريري 3.35 T ونوضح استخدامه في الدراسات المختبرية. يمكن تطبيق بروتوكول مماثل لفرط الاستقطاب في الغالب في الدراسات في الجسم الحي أيضا. للقيام بذلك ، استخدمنا نازعة هيدروجين اللاكتات (LDH) وحفزنا التفاعل الأيضي ل [1-13C] البيروفات إلى [1-13C] اللاكتات في خط خلايا سرطان البروستاتا ، PC3 ، في المختبر باستخدام 13CMRSI.

المقدمة

في الوقت الحالي، تُعد تقنية [18F]-FDG PET الطريقة السريرية الأكثر استخدامًا لتحديد مراحل الورم، وإعادة تقييم المرحلة، ومراقبة الاستجابة للعلاج، والكشف عن تكرار الإصابة في مجموعة واسعة من السرطانات.1 ومع ذلك، ظهرت مؤخرًا عدة مناهج حديثة وبديلة، ومن بين هذه الطرق تقنية 13CMRSI. تتضمن هذه التقنية إدخال جزيء 13C في عينة بيولوجية، يتبعها تصوير بالرنين المغناطيسي طفيف التوغل لتقييم عملية التمثيل الغذائي in vitro أو in vivo في الوقت الفعلي. ومع ذلك، فإن التحدي الأكبر الذي يواجه 13CMRSI، مقارنة بالطرق الأخرى مثل [18F]-FDG PET أو التصوير المقطعي المحوسب، هو انخفاض نسبة الإشارة إلى الضجيج.

تتناسب إشارة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) تناسباً طردياً مع مستوى الاستقطاب، وهو نسبة الفرق في تعداد النوى ذات الغزل ½ في حالتين من الطاقة إلى التعداد الإجمالي (Figure 1A). الاستقطاب هو ناتج ضرب النسبة الجيرومغناطيسية (γ) للنوى وقوة المجال المغناطيسي المطبق مقسوماً على درجة الحرارة. الاستقطاب النموذجي لنوى 1H يتراوح ما بين 0.001% إلى 0.005% عند 3 T، مما يعطي نسبة إشارة إلى ضوضاء ضعيفة نسبياً. إن التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) الحديث والمتطور لم يكن طريقة تصوير ناجحة إلا بسبب الوفرة العالية لـ 1H في العينات البيولوجية والنسبة الجيرومغناطيسية العالية لـ 1H (γ1H = 42.576 MHz/T). ومع ذلك، فإن رصد نوى أخرى، مثل الكربون، يعد أمراً أكثر صعوبة. إن النظير الكربوني الوحيد المستقر والنشط مغناطيسياً، وهو 13C، يشكل 1.1% فقط من جميع ذرات الكربون. بالإضافة إلى ذلك، فإن النسبة الجيرومغناطيسية لـ 13C (γ13C = 10.705 MHz/T) أقل بأربع مرات من نسبة 1H، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الكشف. وباختصار، فإن انخفاض وفرة 13C وانخفاض γ13C يجعلان قياسات 13C الحرارية تحقق 0.0176% فقط من حساسية قياس 1H-NMR in vivo.

الاستقطاب النووي الديناميكي

تتمثل إحدى الطرق للتغلب على الحساسية المنخفضة نسبيًا لقياسات 13C في الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP). وقد وُصف هذا المفهوم لأول مرة للمعادن في عام 1953 بواسطة ألبرت و. أوفرهاوزر، حيث ذكر في مقاله: "لقد تبين أنه إذا تم إشباع رنين الغزل الإلكتروني لإلكترونات التوصيل، فإن النوى ستُستقطب إلى نفس الدرجة التي ستكون عليها لو كانت نسبتها الجيرومغناطيسية هي نسبة غزل الإلكترون."2 وفي وقت لاحق من ذلك العام، أكد كارفر وسليختر فرضية أوفرهاوزر تجريبيًا3. وفي عام 1958، وصف أبرجام وبروكتور هذا التأثير للإلكترونات في السوائل وأطلقوا عليه اسم "تأثير الحالة الصلبة". وعند درجات حرارة أقل من 4 K، يصل استقطاب الغزل الإلكتروني إلى ما يقرب من 100%، وهو أعلى بأكثر من ثلاثة أوامر مقدارية من استقطاب الغزل النووي (الشكل 1B)4. ويحدث هذا لأن النسبة الجيرومغناطيسية للإلكترون (γe = 28024.944 MHz/T) أعلى بثلاثة أوامر مقدارية من النسب الجيرومغناطيسية النووية. وتسمح التفاعلات الضعيفة بين الإلكترونات والنوى، مثل تأثير أوفرهاوزر، وتأثير الحالة الصلبة، والتأثير المتقاطع، وتأثير الخلط الحراري، بنقل الاستقطاب من غزول الإلكترونات إلى غزول النوى باستخدام تشعيع بالميكروويف بتردد قريب من تردد رنين الغزل الإلكتروني (EPR) المقابل5,6. وقد تم تطوير نظرية DNP بشكل أكبر لتشمل المزيد من الإلكترونات والخلط الحراري. ومع ذلك، لم يتم نشر وصف نظري كمي موحد لـ DNP حتى الآن7,8.

مخطط عملية فرط الاستقطاب؛ تأثير DNP على الاستقطاب مقابل درجة الحرارة، ومقارنة المغازل.
الشكل 1: فهم الاستقطاب النووي الديناميكي وفرط الاستقطاب. أ) مقارنة تخطيطية لمجتمع المغازل في حالة استقطاب التوازن الحراري وحالة فرط الاستقطاب. ب) يعتمد الاستقطاب على درجة الحرارة. يصل استقطاب الإلكترون (e-) إلى 100% تحت 1.4 K. تتيح تقنية DNP نقل الاستقطاب من e- إلى نوى 13C، مما يزيد من استقطابها بمقدار يصل إلى 105 أضعاف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لإدخال تقنية الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP) في دراسات الأنظمة البيولوجية باستخدام الرنين المغناطيسي النووي للكربون 13C NMR، كان من الضروري تطوير عملية إذابة سريعة للعينات. وبعد مرور 50 عاماً على فرضية Overhauser، تمكن Jan H. Ardenkjaer-Larsen et al. من حل المشكلة التقنية الصعبة المتمثلة في نقل العينة المجمدة فائقة الاستقطاب إلى الحالة السائلة مع الحد الأدنى من فقدان الاستقطاب الفائق6. وقد فتحت تقنية DNP بالإذابة مجالاً بحثياً جديداً يسمى 13CMRSI، مما وفر طريقة جديدة لاستقصاص وتوصيف حالات مرضية مختلفة9,10. وعادةً ما يُستخدم كحوامل مستقرة لإلكترون غير مزدوج، جذر تريتيل tris (8-carboxy-2,2,6,6-tetra-(hydroxyethyl)-benzo-[1,2-4,5]-bis-(1,3)-dithiole-4-yl)-methyl sodium salt (OX063) أو (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO). وتُخلط هذه المواد مع الجزيء المطلوب المسمى بـ 13C وتُعرض لإشعاع الميكروويف بتردد قريب من تردد الرنين البارامغناطيسي الإلكتروني (EPR) المقابل. وباستخدام هذه التقنية، يمكن زيادة استقطاب نوى 13C بنسبة تصل إلى 37%11، مما يؤدي إلى تعزيز الاستقطاب بمقدار 105 ضعف مقارنة باستقطاب التوازن الحراري11,12. ومع ذلك، بمجرد توقف إشعاع الميكروويف و/أو نقل جزيء 13C إلى الحالة السائلة، يتلاشى الاستقطاب مع زمن الاسترخاء الطولي (T1) لنواة 13C التي تم استقطابها. لذا، يعد ابتكار تقنيات إذابة سريعة أو أي تقنية لاحقة تقلل الوقت الذي يسبق القياس التجريبي (أي الحقن) أمراً حاسماً للتطبيقات البيولوجية13.

هناك ثلاثة متطلبات رئيسية يجب أن يستوفيها الجزيء المرشح من أجل تحقيق نجاح... 13دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي القلبي (CMRSI). أولاً، الـ 13يجب أن تكون للنواة ذات الأهمية فترة T2 طويلة بما يكفي1 (> 10 ثوانٍ). إن اختيار الـ 13يُعد الوسم بالكربون (C-label) أمراً بالغ الأهمية. وأفضل النوى المرشحة هي ذرات الكربون التي لا يكون لها اتصال مباشر بـ 1نواة-H عبر رابطة. كما يجب أن يتم استقلابه بسرعة خلال 2 - 3 T1 مرات، مما ينتج عنه منتج استقلابي لاحق بإزاحة كيميائية تختلف اختلافاً جوهرياً عن المادة الأصلية. كما يجب أن يشكل خليط العينة زجاجاً غير متبلور عندما يكون في الحالة الصلبة، بحيث يؤدي التوزيع المكاني إلى تقليل المسافة بين الإلكترون و 13سي، مما يسمح بنقل الاستقطاب. وإذا كانت الجزيئة المرشحة لا تشكل زجاجاً غير متبلور بشكل طبيعي، فيجب أن تكون عالية الذوبان في عامل تزجيج، مثل الجلسرول أو ثنائي ميثيل سلفوكسيد.14وتؤدي هذه المتطلبات إلى وجود عدد صغير نسبياً من الجزيئات المرشحة. ومع ذلك، فحتى بعد الاكتشاف الناجح لجزيء مناسب، قد يكون تطوير بروتوكول عملي للاستقطاب المفرط تحدياً من الناحية التقنية.9,14,15.

في السنوات الأخيرة، تم استقطاب العديد من الركائز بنجاح، مثل [1-13C]pyruvate12,16-36، و [2-13C]pyruvate37، و [1-13C]ethyl pyruvate38، و [1-13C]lactate39، و [1-13C]fumarate40-43، و 13C-bicarbonate36,44,45، و [1-13C]sodium acetate43,46-49، و 13C-urea6,36,50,51، و [5-13C]glutamine15,52,53، و [1-13C]glutamate53,54، و [1-13C]2-oxoglutarate55، و [1-13C]alanine وغيرها14,56. وتعد الركيزة [1-13C]pyruvate مثيرة للاهتمام بشكل خاص وشائعة الاستخدام في عملية الاستقطاب الفائق. فهي تُستخدم على نطاق واسع في الدراسات قبل السريرية لاستقصاء استقلاب الطاقة الخلوية في أمراض مختلفة14,17,22. وتلبي [1-13C]pyruvate جميع متطلبات الاستقطاب الفائق الناجح، بما في ذلك قيمة T1 طويلة نسبيًا والنقل السريع عبر غشاء الخلية قبل أن يتم استقلابها لاحقًا. ويجري حاليًا نقل الدراسات قبل السريرية باستخدام [1-13C]pyruvate إلى التطبيق السريري57.

أيض البيروفات

من المعروف جيداً وجود صلة مباشرة بين الطفرات في الحمض النووي (DNA) للخلايا السرطانية والتغيرات في مساراتها الأيضية. فمنذ عشرينيات القرن الماضي، اكتشف أوتو واربورغ وجود زيادة في أيض الجلوكوز وإنتاج اللاكتات في الأورام مقارنة بالأنسجة السليمة58-60. ولاحقاً، تم وصف تغيرات متنوعة في مسارات أيضية أخرى، مثل مسار بنتوز فوسفات، ودورة حمض التريكربوكسيليك، والفسفرة التأكسدية، وتخليق النيوكليوتيدات والدهون.

يعد البيروفات المنتج النهائي لتحلل السكر. وفي الورم، يخضع لتحلل السكر اللاهوائي الذي يحفزه LDH61 ويتفاعل مع الشكل المختزل للإنزيم المساعد نيكوتيناميد أدنين دينوكليوتيد (NADH)، مما ينتج عنه اللاكتات والشكل المؤكسد للإنزيم المساعد (NAD+). وبدلاً من ذلك، يخضع البيروفات لتفاعل نقل أمين مع الغلوتامات لتكوين الألانين، والذي يحفزه ألانين ترانساميناز (ALT). وكلا التفاعلين قابلان للعكس بسهولة. كما يخضع البيروفات لعملية إزالة الكربون التي يحفزها بيروفات ديهيدروجيناز (PDH) إلى ثاني أكسيد الكربون وأستيل مرافق الإنزيم أ (acetyl-CoA)، وهو ما يمثل تفاعلاً غير عكسي في هذه الخطوة. ويمكن ربط التغيرات في معدلات هذه التفاعلات بتمثيل الورم الغذائي17,21,22,25,62. وتلخص المسارات الأيضية في الشكل 2.

مخطط لعملية فرط الاستقطاب؛ تأثير DNP على الاستقطاب مقابل درجة الحرارة، مع مقارنة المغازل.
الشكل 2: مخطط للتفاعل الأيضي الرئيسي للبيروفات. يتم تحفيز تحويل البيروفات/اللاكتات بواسطة LDH، ويتم تحفيز تحويل البيروفات/الألانين بواسطة ALT. يتم تحويل البيروفات بشكل غير عكسي إلى acetyl-CoA و CO2 بواسطة PDH، ويكون CO2 في حالة توازن تعتمد على pH مع البيكربونات80. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لقد تم إثبات الكشف عن [1-13C]pyruvate عالي الاستقطاب ونواتج أيضه سابقاً في قلب الجرذ37,63-65، والكبد66، والعضلات، والكلى62,67. وقد أظهرت إحدى الدراسات وجود فروق ذات دلالة إحصائية في نسبة اللاكتات إلى الألانين بين كبد الجرذ الطبيعي وكبد الجرذ الصائم66، كما أظهرت ارتفاعاً كبيراً في مستوى [1-13C]lactate عالي الاستقطاب في سرطان الكبد68,69. وهناك أدلة تشير إلى إمكانية تحديد درجة الورم في سرطان الغدة المفرزة في بروستاتا الفأر المعدلة وراثياً (TRAMP) باستخدام [1-13C]pyruvate عالي الاستقطاب22، حيث أظهرت مستويات اللاكتات عالية الاستقطاب ارتباطاً وثيقاً بالدرجة النسيجية للأورام المستأصلة. كما تم اقتراح الألانين المحفز من pyruvate بواسطة ALT كعلامة مفيدة في سرطان الخلايا الكبدية لدى الجرذان23.

استُخدم قياس التدفق الاستقلابي للبيروفات-اللاكتات لمراقبة نقص التروية63,65,70 وكاستجابة للعلاج بالكيميائي السام للخلايا17,40، أو الأدوية الموجهة24,25,41، أو العلاج الإشعاعي26 في النماذج الحيوانية. كما استُخدم للكشف عن الاستجابة لمثبط فوسفاتيديل إينوسيتول 3-كيناز (PI3K) المعروف باسم LY294002 في نماذج الفئران المصابة بورم الأرومة الدبقية وسرطان الثدي25. كما لُوحظت تغيرات في استقلاب البيروفات في أورام الدماغ26 وسرطان البروستاتا24,71 بعد العلاج.

سرطان البروستاتا

تعد سرطان البروستاتا السرطان السائد لدى الرجال المسنين وثاني أهم سبب للوفاة المرتبطة بالسرطان لدى الرجال في جميع أنحاء العالم72. وحتى الآن، لا توجد طرق موثوقة وغير جراحية للتشخيص المبكر لسرطان البروستاتا وتوصيفه73,74، مما يؤكد الحاجة الملحة إلى تقنيات تصوير أيضية جديدة تتيح الكشف الدقيق وتحديد مراحل المرض لدى المرضى. وقد استُخدم سرطان البروستاتا كنموذج لإثبات إمكانيات الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP) بالذوبان مدمجاً مع 13CMRSI لدى المرضى57. واستُكمل هذا العمل في تجربة سريرية أولى استخدمت [1-13C]pyruvate و 13CMRSI لتصوير سرطان البروستاتا، وقد اكتملت هذه التجربة مؤخراً (NCT01229618).

كان الدافع وراء هذا العمل هو توضيح تطبيق طريقة 13CMRSI في سياق سريري مسبق باستخدام الخلايا بمزيد من التفصيل ولجمهور أوسع. من خلال قياس عملية التمثيل الغذائي لـ [1-13C]pyruvate إلى [1-13C]lactate المحفزة بواسطة LDH in vitro في خط خلايا سرطان البروستاتا PC3, نوضح التطبيق الممكن لتقنية dissolution DNP في الدراسات in vitro ونتناول الخطوات والتحديات الحاسمة أثناء التجارب.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. تحضير المحلول المخزون للعينة

  1. أضف gadoterate meglumine (GadM, 0.5 mol/L) إلى حمض [1-13C]pyruvic المركز للوصول إلى تركيز نهائي قدره 1-mmol/L من GadM. أضف ملح الصوديوم للـ trityl radical tris (8-carboxy-2,2,6,6-tetra-(hydroxyethyl)-benzo-[1,2-4,5]-bis-(1,3)-dithiole-4-yl)-methyl (OX063) إلى هذا المزيج للوصول إلى تركيز نهائي قدره 15 mmol/L. استخدم جهاز الـ Vortex حتى تمام الذوبان.
    ملاحظة: تم تصميم تحضير هذا المحلول المخزون للاستخدام مع جهاز DNP hyperpolarizer قبل سريري بقوة 3.35-T. عند استخدام جهاز hyperpolarizer سريري بقوة 7-T، لا تكون هناك حاجة لـ gadoterate meglumine لأن فوائده تصبح ضئيلة عند المجال المغناطيسي الأعلى. تزيد إضافة عامل تباين يعتمد على الجادولينيوم من الاستقطاب القابل للتحقيق في الحالة الصلبة وكذلك من معدل الاستقطاب. ومع ذلك، في الحالة السائلة، يعمل عامل التباين على تقصير زمن الاسترخاء T1.

2. تنمية المزرعة الخلوية

  1. قم بزراعة خلايا PC3 في قارورة زراعة تبلغ مساحة نموها 125-cm2. استخدم وسط F-12K الذي يحتوي على 10% من مصل العجل الجنيني (FCS) وحافظ على الخلايا عند درجة حرارة 37 °C في جو رطب بنسبة 5% CO2. قبل خطوة الإذابة، قم بإزالة الوسط من قارورة الزراعة.
    ملاحظة: يتطلب كل خط خلوي بروتوكول تحضير محدد لإكثار الخلايا. راجع المتطلبات مع مزود الخط الخلوي.

3. تحضير الخلايا للتجربة

  1. أزل الوسط الخلوي واغسل الخلايا بـ ~ 10 mL من المحلول الملحي الملحق بالفوسفات (PBS).
  2. أضف 5 mL من التربسين إلى القارورة وأعد قارورات المزرعة الخلوية إلى الحاضنة لمدة تتراوح من 3 إلى 5 دقائق.
  3. أضف ~ 5 mL من وسط F-12K لإيقاف مفعول التربسين.
  4. قم بتعداد الخلايا باستخدام عداد خلايا أوتوماتيكي. امزج 10 µL من محلول الخلايا مع 10 µL من محلول الصبغة. امزجهما جيداً باستخدام الماصة وانقل 10 µL من الخليط إلى غرفة "شريحة العد".
  5. قم بإزالة وتعداد الخلايا في القارورة (أو القارورات). انقل الأحجام المناسبة التي تحتوي على العدد المطلوب من الخلايا (على سبيل المثال، 5 x 106 إلى 108) إلى أنابيب بلاستيكية.
  6. قم بطرد الخلايا مركزياً عند 1,200 x g لمدة 5 دقائق وتخلص من السائل الطافي.
  7. أعد تعليق الخلايا في وسط F-12K الذي يحتوي على 10% FCS ليصل الحجم الإجمالي إلى 800 μL وانقلها إلى كوب تفاعل (2 mL). ضع كوب التفاعل في أنبوب بلاستيكي مملوء بالماء الدافئ.

4. تحضير عامل الإذابة

ملاحظة: عامل الإذابة هو سائل يُستخدم لإذابة العينة عالية الاستقطاب. في التطبيقات البيولوجية، يتم الإذابة عادةً باستخدام محاليل منظمة تعتمد على H2O أو أكسيد الديو تيريوم (D2O)، مثل PBS أو تريس(هيدروكسي ميثيل) أمينوميثان (Tris)، والتي تحتوي على 1 g/L من حمض إيثيلين ديامين رباعي حمض الأسيتيك (EDTA).

  1. تحضير محلول منظم PBS بتركيز 20 mmol/L
    1. لتحضير 100 mL من عامل الإذابة، أذب 36 mg من فوسفات أحادية الصوديوم (NaH2PO4)، و247 mg من فوسفات ثنائية الصوديوم (Na2HPO4)، و10 mg من EDTA في محلول من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بتركيز 20 mmol/L في D2O. اخلط المزيج جيداً حتى تمام الذوبان.
      ملاحظة: يتم إضافة EDTA (1 g/L) إلى المحلول المنظم للتخلص من أيونات الفيرومغناطيسية المحتملة، والتي يمكن أن تؤدي إلى إفساد الاستقطاب الفائق. ويُستخدم NaOH لمعادلة حمض البيروفيك بنسبة مولية 1:1 للوصول إلى pH 7.4.

5. تبريد وحدة الإدخال ذات درجة الحرارة المتغيرة (VTI)

  1. في النافذة الرئيسية لبرنامج مستقطب DNP-NMR، انقر فوق "Cooldown".
    ملاحظة: يؤدي هذا الإجراء إلى تشغيل مضخة التفريغ وتفريغ VTI إلى حوالي 5.0 mbar. بعد ذلك، يفتح الصمام الإبري الموجود بين VTI وخزان الهيليوم السائل بالكامل، مما يسمح بتدفق الهيليوم السائل إلى VTI. يتم تنظيم معدل التدفق بواسطة الصمام الإبري للحفاظ على الكمية المثلى من الهيليوم السائل في VTI حتى تصل إلى درجة غليان الهيليوم. بعد ذلك، يتم تفريغ VTI إلى فراغ شبه كامل، وتصل درجة الحرارة إلى حوالي 1.4 K. يتم ملء VTI بالهيليوم السائل بنسبة تصل إلى 65%. عند هذه النقطة، يصبح الجهاز جاهزاً لإدخال العينة.

6. تحضير العينة وإدخالها

  1. باستخدام ماصة دقيقة، أضف ~ 8 µL من المحلول المخزون للعينة الموسومة بـ 13C في كوب بلاستيكي.
  2. ثبّت الكوب البلاستيكي في قضيب الإدخال وابدأ عملية إدخال العينة بالضغط على "Insert sample" في نافذة البرنامج الرئيسية. اختر "Normal sample" ثم انقر على "Continue".
    ملاحظة: خلال هذه العملية، يغلق صمام الإبرة أولاً لوقف تدفق الهيليوم السائل إلى VTI، ومن ثم يزداد الضغط داخل VTI. يتم رفع حامل العينة الموجود داخل VTI من الهيليوم السائل، ويفتح صمام الإدخال في الجزء العلوي من VTI، ويتم إدخال تدفق من الهيليوم الغازي من صمام الإدخال لمنع التلوث الخارجي برطوبة الهواء.
  3. عند ظهور المطالبة، ادفع قضيب الإدخال المثبت به الكوب البلاستيكي لأسفل داخل VTI. تأكد من الوصول إلى حامل العينة في قاع VTI، وإلا فقد يدفع الهيليوم الغازي العينة خارج VTI.
  4. افصل قضيب الإدخال وقم بإزالته.
  5. أنهِ الإجراء بالنقر على "Next" في نافذة الحوار. يجب ألا تستغرق عملية إدخال العينة أكثر من 10 s.
    ملاحظة: يغلق صمام الإدخال بعد ذلك، ويتوقف تدفق الهيليوم الغازي، ويُغمر حامل العينة مع كوب العينة في الهيليوم السائل، ويفتح صمام الإبرة للسماح للهيليوم السائل بالتدفق إلى VTI. بعد 5 - 10 min، يبرد VTI إلى درجة أقل من 1.4 K، مما يسمح باستقطاب جميع الإلكترونات الحرة.
  6. تأكد من إدخال الكوب البلاستيكي الذي يحتوي على العينة بشكل صحيح في VTI من خلال التحقق من أنه غير متصل بقضيب الإدخال ولم يتم دفعه خارج VTI بواسطة غاز الهيليوم. ثم انقر على "Finish".

7. المسح بالميكروويف (اختياري)

ملاحظة: يتيح المسح الميكروويفي تحديد تردد الميكروويف الأمثل لزيادة معدل الاستقطاب المفرط لنوى 13C في المركب المستهدف.

  1. لقياس المسح بالميكروويف، ابدأ برنامج RINMR، واكتب "HYPERSENSENMR"، ثم انقر على "Select Config" و"Do Microsweep".
  2. لبدء العملية، اختر علامة التبويب "calibrate" في نافذة البرنامج الرئيسية.
  3. انقر على "Generate" واختر تردد البداية والنهاية (على سبيل المثال، 94.100 GHz-94.200 GHz)، وحجم خطوة التردد (على سبيل المثال، 20 MHz)، والقدرة (100 mW)، والزمن (60 s). ثم انقر على "Continue"، و"Enable"، و"Start".
    ملاحظة: باستخدام هذه الإعدادات، يقوم جهاز الاستقطاب الفائق أولاً باستقطاب العينة لمدة 60 s باستخدام تردد ميكروويف قدره 94.100 GHz وقدرة 100 mW. بعد ذلك، يطبق نبضة تردد راديوي (RF) بزاوية 90° ويكتسب إشارة 13C المستقطبة فائقا باستخدام المطياف المدمج. تكرر هذه الخطوات لكل خطوة في نطاق التردد المحدد. ولعمليات الاستقطاب الفائق اللاحقة، اختر تردد الميكروويف الذي سجل أقصى سعة للإشارة المقاسة.

8. الاستقطاب

  1. لقياس تراكم الاستقطاب، ابدأ تشغيل برنامج RINMR، ثم اكتب "HYPERSENSENMR"، وانقر على "Select Config" و"Solid Build-up".
  2. في النافذة الرئيسية لبرنامج مستقطب DNP-NMR، انقر على "Polarization" لبدء عملية الاستقطاب الفائق.
  3. اختر تردد الميكروويف الأمثل (الذي تم الحصول عليه أثناء مسح الميكروويف) والقدرة (على سبيل المثال، 100 mW) للعينة، ثم انقر على "Next".
  4. قم بتفعيل "Polarization build-up monitoring" وانقر على "Finish".
  5. قم باستقطاب العينة إلى > 95% (حوالي 60 min لـ [1-13C]pyruvate).
    ملاحظة: أثناء الاستقطاب، يتم توجيه موجات الميكروويف إلى VTI وإلى العينة، مما يؤدي إلى محاذاة سبينات 13C مع سبينات الإلكترونات غير المزدوجة ذات الاستقطاب الفائق. ولقياس تراكم الاستقطاب الفائق، يتم تطبيق نبضات RF بزاوية قلب (FA) مقدارها 5° بشكل دوري (على سبيل المثال، كل 300 s)، ويتم رسم الإشارة الناتجة كمنحنى لتراكم الاستقطاب.

9. الإذابة

  1. عندما تصل الاستقطابية إلى > 95%، ابدأ عملية الإذابة بالنقر على "Dissolution" في النافذة الرئيسية لبرنامج مستقطب DNP-NMR.
  2. اختر عملية الإذابة من القائمة المنسدلة وانقر على "Next".
    ملحوظة: يتيح المستقطب للمستخدم تحديد عملية الإذابة المطلوبة من خلال اختيار توقيت غاز المطاردة.
  3. قم بتحميل ~ 5 mL من عامل الإذابة عبر الصمام العلوي إلى وعاء مسخن في جزء الإذابة من المستقطب. احسب الحجم الدقيق المطلوب من عامل الإذابة باستخدام المعادلة التالية:
    معادلة التوازن الاستاتيكي؛ صيغة V_{DA}.
    حيث VDA هو الحجم المطلوب من عامل الإذابة، و mPA و mOX063 و mGad هي كتل pyruvate و OX063 و gadoterate meglumine، على التوالي، المضافة إلى المحلول المخزون للعينة.
  4. ضع عصا الإذابة في الموضع النشط فوق صمام الإدخال.
    ملحوظة: يسمح ذلك للجهاز بتوصيل أدوات الإذابة بكوب العينة في VTI.
  5. انقر على "Finish" لبدء عملية الإذابة.
    ملحوظة: يتم ضغط عامل الإذابة إلى 3 bar بواسطة غاز الهيليوم ثم يتم تسخينه لاحقاً حتى 200 °C، مما يؤدي إلى زيادة في الضغط. عندما يصل الضغط إلى 10 bar، يغلق الصمام الإبري لوقف تدفق الهيليوم السائل إلى VTI. ويرفع حامل العينة الكوب من الهيليوم السائل. ثم يتم خفض عصا الإذابة داخل VTI وتوصيلها بكوب العينة. يُدفع عامل الإذابة المهيأ بواسطة الضغط الناتج عن وعاء التسخين الذي يحتوي على محلول الإذابة المنظم وغاز الهيليوم، عبر عصا الإذابة وصولاً إلى الكوب، مما يتسبب في إذابة سريعة للعينة. يتدفق المحلول بعد ذلك إلى دورق التجميع عبر أنابيب بلاستيكية. ثم يتم رفع عصا الإذابة مع الكوب المتصل بها من VTI.
  6. انقل عصا الإذابة مع الكوب المتصل بها إلى وضع "cleaning" وأنهِ العملية بالنقر على "Finish".

10. الكشف عن إشارة 13C فائقة الاستقطاب

  1. 13مطيافية الرنين المغناطيسي الأيضي للكربون 13 في المختبر
    1. امزج 200 µL من عينة الـ 20 مللي مول/لتر فائقة الاستقطاب المذابة من دورق التجميع باستخدام 800 µL من محلول الخلايا.
      ملاحظة: يكون التركيز النهائي الناتج لـ [1-13تركيز البيروفات 4 مللي مول/لتر.
    2. امزج المعلق جيداً باستخدام ماصّة دقيقة وانقل ~ 600 µL في أنبوب رنين مغناطيسي نووي (NMR) مقاس 5 مم.
    3. أدخل أنبوب الرنين المغناطيسي النووي (NMR) قياس 5 مم في جهاز مطياف الرنين المغناطيسي النووي بقوة 1 تسلا. في النافذة الرئيسية للبرنامج، انقر فوق "تشغيل" (Run) لبدء القياس، مع تطبيق سلسلة مكونة من مائة 10° نبضات تردد راديوي كل 3 ثوانٍ.
      ملاحظة: قم بقياس الوقت المنقضي بين الخلط الأولي للعينة فائقة الاستقطاب مع الخلايا وبداية عملية الاستحواذ الطيفي. تأكد من ألا تتجاوز عملية الخلط 30 ثانية لتقليل فقدان الاستقطاب إلى أدنى حد.
  2. 13التصوير بالرنين المغناطيسي الأيضي بالكربون
    1. لبناء حاوية لـ في المختبر عند إجراء التجارب باستخدام مطياف الرنين المغناطيسي (MRI spectrometer)، خذ محقنة سعة 5 مل وقم بتوصيلها بقسطرة (قطرها = 1.2 مم) تكون طويلة بما يكفي لتمتد من المركز المتساوي للمطياف إلى المنطقة التي يمكن الوصول إليها في المطياف.
    2. املأ الـ في المختبر وعاء يحتوي على محلول الخلايا بالتركيز المطلوب للتجربة (على سبيل المثال، 108) أو باستخدام محلول إنزيمي.
    3. ضع في المختبر وعاء عند المركز المتساوي (isocenter) لمغناطيس التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). ضع 13وشيعة استقبال ذات تردد راديوي مضبوطة على السعة (C-tuned) فوق الحاوية. ضع محلولاً مركزاً 13وهمي معايرة مُعلم بالكربون (على سبيل المثال، 10 مول/لتر 13يوريا-C (C-urea) في مكان قريب.
    4. أدخل "في المختبر الحاوية" بالقرب من المركز المتماثل (iso-center) لجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي النووي (NMR).
    5. قم بتشغيل تسلسل التحديد الموضعي القياسي ثلاثي المستويات الخاص بالماسح الضوئي، ثم اضبط الـ في المختبر وضعية الحاوية بالنسبة للمركز المتساوي (iso-center)، حسب الحاجة.
    6. قم بتشغيل 1تتابع "تشريحي" مرجح بالزمن T2 يغطي الـ في المختبر تحديد موقع الحاوية. استخدم الإعدادات التالية: صدى دوران ثنائي الأبعاد (2D spin echo) باتجاه محوري، ووقت التكرار (TR) = 2,000 مللي ثانية، ووقت الصدى (TE) = 20 مللي ثانية، وسُمك الشريحة = 1 ملم، ومجال رؤية يغطي الـ في المختبر وعاء، و16 صدى لكل استثارة. وتأكد من إجراء موازنة المجال المغناطيسي (field shimming) على البروتونات خلال هذه الخطوة.
    7. في الصور التشريحية، اختر 5 مقاطع متجاورة ممركزة على المنطقة المستهدفة. حدد 13الحصول على معايرة طيفية تغطي المقاطع التشريحية المختارة. استخدم الإعدادات التالية: تتابع معايرة Block-Siegert ثنائي الأبعاد بتوجيه محوري وتشفير مركزي 12 × 12، وزمن التكرار (TR) = 1,000 مللي ثانية، وسماكة المقطع = 5 ملم، ومجال رؤية مطابق للصور التشريحية، وعدد المسوحات (NS) = 64، وعرض النطاق الترددي = 5,000 هرتز، وزاوية الانحراف (FA) = 90°.
    8. اختر الـ 13تسلسل معايرة الطيف C (لمزيد من المعلومات، راجع Schulte) وآخرون. 2011)75 من مكتبة تتابعات النبضات. قم بتنزيل تتابع النبضات إلى الماسح الضوئي من الكمبيوتر بالنقر على "Download". انقر على "Spectra Prescan" لتشغيل المسح الطيفي المسبق. في مخطط مقدار الطيف، قم بضبط القمة من الـ 13وهمي المعايرة C إلى مركز تردد الماسح. اضبط كسب المستقبل على الحد الأقصى. انقر فوق "Start" لتشغيل الـ 13تسلسل معايرة الطيف C. لاحظ كسب الإرسال والتردد المركزي المسجلين.
    9. مجموعة أ 13التقاط صور الإزاحة الكيميائية (CSI) التي تغطي المقاطع التشريحية المختارة. استخدم الإعدادات التالية: التصوير الطيفي صدى المستوي (EPSI) ثنائي الأبعاد باتجاه محوري وتشفير مركزي 12 × 12، وزمن التكرار (TR) = 400 ملي ثانية، وسمك المقطع = 5 ملم، ومجال رؤية مطابق للصور التشريحية، وعدد الإشارات (NS) = 300، وعرض النطاق الترددي = 5,000 هرتز.
      ملاحظة: يقوم التصوير الطيفي بالصدى المسطح (EPSI) بأخذ عينات من خط واحد في الفضاء k بشكل متكرر بعد تحفيز تردد راديوي (RF) واحد للحصول على المعلومات المكانية والطيفية في آن واحد. لمزيد من المعلومات حول تقنيات الاستحواذ، راجع المقال الذي كتبه Durst. وآخرون. 201576.
    10. تنزيل الـ 13قم بتشغيل تسلسل CSI وإجراء الفحص الطيفي المسبق. اضبط تردد الماسح الضوئي وأرسل الكسب وفقاً لما تحدده مخرجات تسلسل المعايرة.
    11. بعد ترسيب المحلول عالي الاستقطاب في قارورة التجميع، اسحب حوالي 3 مل في حقنة ثم احقنها في القسطرة المتصلة بـ في المختبر الحاوية. ابدأ عملية الاستحواذ. بعد اكتمال الاستحواذ، احفظ ملف البيانات الخام من أجل عملية إعادة البناء اللاحقة.

11. إعادة بناء البيانات

  1. طبق أحد النموذجين الحركيين الموصوفين لتحليل البيانات المكتسبة.
    1. في الطريقة الأولى لوصف حركية LDH، ولحساب القيمة الحركية (k)، قارن مجموع إشارة اللاكتات (MLAC) بإشارة جميع الجزيئات مفرطة الاستقطاب (Mx)21,77.
      معادلة ثابت التوازن الديناميكي k في الحركية الكيميائية، توضح الصيغة k=M_LAC/ΣM_x.
    2. في الطريقة الأخرى، قم بقياس إشارات اللاكتات والبيروفات بمرور الوقت ومطابقتها مع نموذج حركي17,25,71. ولحل معدل التبادل الأيضي، kPA→LAC، ومعدل اضمحلال الإشارة الفعلي للاكتات، rLAC، استخدم المعادلات التفاضلية الخطية التالية باستخدام نموذج التبادل التفاضلي ثنائي المواقع، مما يعطي بالنسبة للاكتات:

      معادلة تفاضلية لعملية كيميائية حيوية؛ تصور تغير المعدل بمرور الوقت؛ تحليل الصيغة.

ملاحظة: يعتمد معدل اضمحلال إشارة اللاكتات الفعال rLAC على زمن الاسترخاء الطولي للاكتات (T1,LAC)، ومعدل التبادل الأيضي العكسي من اللاكتات إلى البيروفات kLAC→PA، وزاوية القلب (FA) وزمن التكرار (TR) المطبقين، وشدة إشارة البيروفات (MPA) واللاكتات (MLAC)، مع مراعاة الانخفاض غير العكسي للإشارة بعد كل استثارة متتالية:

معادلة المعدل الأيضي، صيغة rLAC؛ التحليل الحركي في البحوث الكيميائية الحيوية.

وبناءً على ذلك، ينتج عن rLAC حد واحد غير قابل للفصل من اضمحلال الإشارة. ونظراً لإمكانية التصحيح لزاوية القلب ووقت التكرار، وبالرغم من وجود تدفق LAC→PA، فإننا نفترض أن معدل التبادل من اللاكتات إلى البيروفات (kLAC→PA) لا يحتاج إلى تضمينه في الحساب، وذلك استناداً إلى نتائج Harrison et al. 201278. حيث تظهر نتائجهم أن kLAC→PA لا يلعب دوراً محورياً كما قد يُفترض. ويتيح هذا النمط قياس زمن الاسترخاء T1 للاكتات. كما أن هذا النموذج مستقل عن إعطاء البيروفات في القياس، وهو أمر ليس محورياً ويمكن إهماله في حالة التجارب in vitro. ومع ذلك، فإنه يلعب دوراً هاماً في قياسات in vivo79.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

تظهر نتائج "المسح الميكروي" في الشكل 3. ويتبين منها أن تردد الميكروويف الأمثل لعينة [1-13C]pyruvate هو 94.156 GHz لجهاز الاستقطاب الفائق المحلي بقدرة 3.35-T. وقد أُجريت جميع تجارب الاستقطاب الفائق اللاحقة (n = 14) باستخدام تردد الميكروويف هذا وبقدرة 100 mW. طُبِّق الإشعاع الميكروي لمدة تتراوح بين 60 إلى 80 min، مما أدى إلى استقطاب فائق في الحالة الصلبة تجاوز 90%. والنتائج موضحة في الشكل 4. خُلط [13C]pyruvate المستقطب فائقاً مع 5 × 106 (n = 2)، و107 <...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

13يعد CMRSI مع مجسات فرط الاستقطاب طريقة واعدة لمراقبة التمثيل الغذائي في الوقت الفعلي في المختبر وفي الجسم الحي. أحد الجوانب المهمة جدا عند استخدام هذه العملية التجريبية هو التوحيد القياسي المناسب ، خاصة فيما يتعلق بالتجارب في المختبر . أولا ، يجب أن يتم تحضير العينة بشكل صحيح ومتسق لتحقيق نفس تركيز المواد شديدة الاستقطاب في كل تجربة. يتطلب ذلك وزنا دقيقا لكل من العينة المراد استقطابها والعينة المؤقتة. إذا كان التركيز غير صحيح ، فإن الرقم الهيدروجيني النهائي للمحلول ليس دقيقا ، مما ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يعمل رولف إف شولت وماريون آي مينزل في شركة جنرال إلكتريك العالمية للأبحاث.

شكر وتقدير

E.K. يقر بامتنان بدعم كلية الدراسات العليا للهندسة الحيوية (GSB) في جامعة ميونيخ التقنية. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) داخل مركز البحوث التعاونية SFB 824 ، "التصوير لاختيار علاجات السرطان ومراقبتها وتفردها".

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
HyperSense DNP PolariserOxford Instruments3.35 T قبل السريرية DNP hyperpolarizer
GE / Agilent MR901GE Healthcare / Agilent Technologies7 T ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي قبل السريري ، مع تجويف صغير مصمم للتجارب على المطايف
Spinsolve CarbonMagritek1 T NMR مع مغناطيس دائم
أكسيد الديوتيريومسيجما ألدريتش7789-20-0
فوسفات الصوديوم ثنائي القاعدةسيجما ألدريتش7558-79-4
فوسفات الصوديوم أحادي القاعدةسيجما ألدريتش7558-80-7
هيدروكسيد الصوديومسيجما ألدريتش1310-73-2
ثنائي الصوديوم إديتاتسيجما ألدريتش6381-92-6
حمض البيروفيك - 13< / sup>C1< / sub>مختبرات كامبريدج للنظائرCLM-8077-1
Dotarem (0.5 مليمول / لتر)Guerbetgadoterate meglumine   
تريس (8-كربوكسي -2،2،6،6-تترا- (هيدروكسي إيثيل) -بنزو- [1،2 & ndash ؛ 4،5] -bis- (1،3) -dithiole-4-yl) - ملح ميثيل الصوديوم (OX063) GEHealthcaretrityl الجذري المستخدم كمصدر لخط خلية الإلكترون
الحر PC3ATCCCRL1435
F-12K متوسط   ؛ATCC30-2004
مصل الأبقار الجنينيATCCSCRR-30-2020
محلول التربسين-EDTA ، 1xATCC30-2101
عينة من الكوبالبلاستيكي أكسفورد إنسترومنتس
تريبان الأزرقBio-Rad145-0013-MSDS

المراجع

  1. Rohren, E. M., Turkington, T. G., Coleman, R. E. Clinical applications of PET in oncology. Radiology. 231 (2), 305-332 (2004).
  2. Overhauser, A. W. Polarization of Nuclei in Metals. Phys. Rev. 92 (2), 411-415 (1953).
  3. Carver, T. R., Slichter, C. P. Polarization of Nuclear Spins in Metals. Phys. Rev. 92 (1), 212-213 (1953).
  4. Abragam, A., Proctor, W. G. Spin Temperature. Phys. Rev. 109 (5), 1441-1458 (1958).
  5. Abragam, a, Goldman, M. Principles of dynamic nuclear polarisation. Reports Prog. Phys. 41 (3), 395-467 (2001).
  6. Ardenkjaer-Larsen, J. H., Fridlund, B., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100 (18), 10158-10163 (2003).
  7. Shimon, D., Hovav, Y., Feintuch, A., Goldfarb, D., Vega, S. Dynamic nuclear polarization in the solid state: a transition between the cross effect and the solid effect. Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (16), 5729-5743 (2012).
  8. Serra, S. C., Rosso, A., Tedoldi, F. Electron and nuclear spin dynamics in the thermal mixing model of dynamic nuclear polarization. Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (38), 13299-13308 (2012).
  9. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Brindle, K. M. Biomedical applications of hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 55 (4), 285-295 (2009).
  10. Hurd, R. E., Yen, Y. -F., Chen, A., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Hyperpolarized 13C metabolic imaging using dissolution dynamic nuclear polarization. J. Magn. Reson. Imaging. 36 (6), 1314-1328 (2012).
  11. Ardenkjaer-Larsen, J. H., Fridlund, B., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100 (18), 10158-10163 (2003).
  12. Golman, K., in't Zandt, R., Thaning, M. Real-time metabolic imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. 103 (30), 11270-11275 (2006).
  13. Comment, A., Rentsch, J., et al. Producing over 100 ml of highly concentrated hyperpolarized solution by means of dissolution DNP. J. Magn. Reson. 194 (1), 152-155 (2008).
  14. Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Magn. Reson. Med. 66 (2), 505-519 (2011).
  15. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Day, S. E., Lerche, M., Brindle, K. M. 13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine. Magn. Reson. Med. 60 (2), 253-257 (2008).
  16. Chen, A. P., Albers, M. J., et al. Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience. Magn. Reson. Med. 58 (6), 1099-1106 (2007).
  17. Day, S. E., Kettunen, M. I., et al. Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nat. Med. 13 (11), 1382-1387 (2007).
  18. Schroeder, M. A., Swietach, P., et al. Measuring intracellular pH in the heart using hyperpolarized carbon dioxide and bicarbonate: a 13C and 31P magnetic resonance spectroscopy study. Cardiovasc. Res. 86 (1), 82-91 (2010).
  19. Hurd, R. E., Yen, Y. -F., Tropp, J., Pfefferbaum, A., Spielman, D. M., Mayer, D. Cerebral dynamics and metabolism of hyperpolarized [1-(13)C]pyruvate using time-resolved MR spectroscopic imaging. J. Cereb. Blood Flow Metab. 30 (13), 1734-1741 (2010).
  20. Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis. Cancer Res. 66 (22), 10855-10860 (2006).
  21. Park, I., Larson, P. E. Z., et al. Hyperpolarized 13C magnetic resonance metabolic imaging: application to brain tumors. Neuro. Oncol. 12 (2), 133-144 (2010).
  22. Albers, M. J., Bok, R., et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Res. 68 (20), 8607-8615 (2008).
  23. Yen, Y. -F., Le Roux, P., et al. T(2) relaxation times of (13)C metabolites in a rat hepatocellular carcinoma model measured in vivo using (13)C-MRS of hyperpolarized [1-(13)C]pyruvate. NMR Biomed. 23 (4), 414-423 (2010).
  24. Dafni, H., Larson, P. E. Z., et al. Hyperpolarized 13C spectroscopic imaging informs on hypoxia-inducible factor-1 and myc activity downstream of platelet-derived growth factor receptor. Cancer Res. 70 (19), 7400-7410 (2010).
  25. Ward, C. S., Venkatesh, H. S., et al. Noninvasive detection of target modulation following phosphatidylinositol 3-kinase inhibition using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Cancer Res. 70 (4), 1296-1305 (2010).
  26. Day, S. E., Kettunen, M. I., et al. Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging. Magn. Reson. Med. 65 (2), 557-563 (2011).
  27. Johannesson, H., Macholl, S., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Dynamic Nuclear Polarization of [1-13C]pyruvic acid at 4.6 tesla. J. Magn. Reson. 197 (2), 167-175 (2009).
  28. Durst, M., Koellisch, U., et al. Bolus tracking for improved metabolic imaging of hyperpolarised compounds. J. Magn. Reson. 243, 40-46 (2014).
  29. Khegai, O., Schulte, R. F., et al. Apparent rate constant mapping using hyperpolarized [1-(13)C]pyruvate. NMR Biomed. 27 (10), 1256-1265 (2014).
  30. Sogaard, L. V., Schilling, F., Janich, M. A., Menzel, M. I., Ardenkjaer-Larsen, J. H. In vivo measurement of apparent diffusion coefficients of hyperpolarized (1)(3)C-labeled metabolites. NMR Biomed. 27 (5), 561-569 (2014).
  31. Aquaro, G. D., Frijia, F., et al. 3D CMR mapping of metabolism by hyperpolarized 13C-pyruvate in ischemia-reperfusion. JACC. Cardiovasc. Imaging. 6 (6), 743-744 (2013).
  32. Menzel, M. I., Farrell, E. V., et al. Multimodal assessment of in vivo metabolism with hyperpolarized [1-13C]MR spectroscopy and 18F-FDG PET imaging in hepatocellular carcinoma tumor-bearing rats. J. Nucl. Med. 54 (7), 1113-1119 (2013).
  33. Schilling, F., Duwel, S., et al. Diffusion of hyperpolarized (13) C-metabolites in tumor cell spheroids using real-time NMR spectroscopy. NMR Biomed. 26 (5), 557-568 (2013).
  34. Schulte, R. F., Sperl, J. I., et al. Saturation-recovery metabolic-exchange rate imaging with hyperpolarized [1-13C] pyruvate using spectral-spatial excitation. Magn. Reson. Med. 69 (5), 1209-1216 (2013).
  35. Wiesinger, F., Weidl, E., et al. IDEAL spiral CSI for dynamic metabolic MR imaging of hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Magn. Reson. Med. 68 (1), 8-16 (2012).
  36. Wilson, D. M., Keshari, K. R., et al. Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. J. Magn. Reson. 205 (1), 141-147 (2010).
  37. Schroeder, M. A., Atherton, H. J., et al. Real-time assessment of Krebs cycle metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. FASEB J. Off. Publ. Fed. Am. Soc. Exp. Biol. 23 (8), 2529-2538 (2009).
  38. Hurd, R. E., Yen, Y. -F., et al. Metabolic imaging in the anesthetized rat brain using hyperpolarized [1-13C] pyruvate and [1-13C] ethyl pyruvate. Magn. Reson. Med. 63 (5), 1137-1143 (2010).
  39. Chen, A. P., Kurhanewicz, J., et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies. Magn. Reson. Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).
  40. Witney, T. H., Kettunen, M. I., et al. Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-(13)C]pyruvate and. Br. J. Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).
  41. Bohndiek, S. E., Kettunen, M. I., et al. Detecting tumor response to a vascular disrupting agent using hyperpolarized (13)C magnetic resonance spectroscopy. Mol. Cancer Ther. 9 (12), 3278-3288 (2010).
  42. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., et al. Production of hyperpolarized [1,4-13C2]malate from [1,4-13C2]fumarate is a marker of cell necrosis and treatment response in tumors. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106 (47), 19801-19806 (2009).
  43. Jensen, P. R., Peitersen, T., et al. Tissue-specific short chain fatty acid metabolism and slow metabolic recovery after ischemia from hyperpolarized NMR in vivo. J. Biol. Chem. 284 (52), 36077-36082 (2009).
  44. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).
  45. Scholz, D. J., Janich, M. A., et al. Quantified pH imaging with hyperpolarized 13C-bicarbonate. Magn. Reson. Med. 73 (6), 2274-2282 (2015).
  46. Koellisch, U., Gringeri, C. V., et al. Metabolic imaging of hyperpolarized [1-(13) C]acetate and [1-(13) C]acetylcarnitine - investigation of the influence of dobutamine induced stress. Magn. Reson. Med. 74 (4), 1011-1018 (2015).
  47. Koellisch, U., Laustsen, C., et al. Investigation of metabolic changes in STZ-induced diabetic rats with hyperpolarized [1-13C]acetate. Physiol. Rep. 3 (8), (2015).
  48. Jensen, P. R., Meier, S., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Duus, J. O., Karlsson, M., Lerche, M. H. Detection of low-populated reaction intermediates with hyperpolarized NMR. Chem. Commun. (34), 5168-5170 (2009).
  49. Koelsch, B. L., Keshari, K. R., Peeters, T. H., Larson, P. E. Z., Wilson, D. M., Kurhanewicz, J. Diffusion MR of hyperpolarized 13C molecules in solution. Analyst. 138 (4), 1011-1014 (2013).
  50. Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. Molecular imaging with endogenous substances. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100 (18), 10435-10439 (2003).
  51. von Morze, C., Larson, P. E. Z., et al. Imaging of Blood Flow Using Hyperpolarized [(13)C]Urea in Preclinical Cancer Models. J. Magn. Reson. Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).
  52. Chiavazza, E., Kubala, E., et al. Earth's magnetic field enabled scalar coupling relaxation of 13C nuclei bound to fast-relaxing quadrupolar 14N in amide groups. J. Magn. Reson. 227, 35-38 (2013).
  53. Jensen, P. R., Karlsson, M., Meier, S., Duus, J., Lerche, M. H. Hyperpolarized amino acids for in vivo assays of transaminase activity. Chem. - A Eur. J. 15 (39), 10010-10012 (2009).
  54. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., et al. Detection of tumor glutamate metabolism in vivo using 13C magnetic resonance spectroscopy and hyperpolarized [1-13C]glutamate. Magn. Reson. Med. 66 (1), 18-23 (2011).
  55. Chaumeil, M. M., Larson, P. E. Z., et al. Hyperpolarized [1-13C] glutamate: a metabolic imaging biomarker of IDH1 mutational status in glioma. Cancer Res. 74 (16), 4247-4257 (2014).
  56. Keshari, K. R., Wilson, D. M. Chemistry and biochemistry of 13C hyperpolarized magnetic resonance using dynamic nuclear polarization. Chem. Soc. Rev. 43 (5), 1627-1659 (2014).
  57. Nelson, S. J., Kurhanewicz, J., et al. Metabolic Imaging of Patients with Prostate Cancer Using Hyperpolarized [1-13C]Pyruvate. Sci. Transl. Med. 5 (198), (2013).
  58. Warburg, O. On the origin of cancer cells. Science. 123 (3191), 309-314 (1956).
  59. Warburg, O., Wind, F., Negelein, E. {Ü}ber den Stoffwechsel von Tumoren im K{ö}rper. Klin. Wochenschr. 5 (19), 829-832 (1926).
  60. Barnes, A. B., De Paepe, G., et al. High-Field Dynamic Nuclear Polarization for Solid and Solution. Biological NMR. Appl. Magn. Reson. 34 (3-4), 237-263 (2008).
  61. Koukourakis, M. I., Giatromanolaki, A., Sivridis, E., Gatter, K. C., Harris, A. L. Pyruvate dehydrogenase and pyruvate dehydrogenase kinase expression in non small cell lung cancer and tumor-associated stroma. Neoplasia. 7 (1), 1-6 (2005).
  62. Golman, K., Petersson, J. S. Metabolic Imaging and Other Applications of Hyperpolarized 13C1. Acad. Radiol. 13 (8), 932-942 (2016).
  63. Golman, K., Petersson, J. S., et al. Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI. Magn. Reson. Med. 59 (5), 1005-1013 (2008).
  64. Merritt, M. E., Harrison, C., Storey, C., Jeffrey, F. M., Sherry, A. D., Malloy, C. R. Hyperpolarized 13C allows a direct measure of flux through a single enzyme-catalyzed step by NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104 (50), 19773-19777 (2007).
  65. Merritt, M. E., Harrison, C., Storey, C., Sherry, A. D., Malloy, C. R. Inhibition of carbohydrate oxidation during the first minute of reperfusion after brief ischemia NMR detection of hyperpolarized 13CO2 and H13CO3-. Magn. Reson. Med. 60 (5), 1029-1036 (2008).
  66. Hu, S., Chen, A. P., et al. In vivo carbon-13 dynamic MRS and MRSI of normal and fasted rat liver with hyperpolarized 13C-pyruvate. Mol. imaging Biol. MIB Off. Publ. Acad. Mol. Imaging. 11 (6), 399-407 (2009).
  67. Kohler, S. J., Yen, Y., et al. In vivo 13 carbon metabolic imaging at 3T with hyperpolarized 13C-1-pyruvate. Magn. Reson. Med. 58 (1), 65-69 (2007).
  68. Hu, S., Lustig, M., et al. 3D compressed sensing for highly accelerated hyperpolarized (13)C MRSI with in vivo applications to transgenic mouse models of cancer. Magn. Reson. Med. 63 (2), 312-321 (2010).
  69. Kurhanewicz, J., Vigneron, D. B., et al. Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
  70. Schroeder, M. A., Cochlin, L. E., Heather, L. C., Clarke, K., Radda, G. K., Tyler, D. J. In vivo assessment of pyruvate dehydrogenase flux in the heart using hyperpolarized carbon-13 magnetic resonance. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105 (33), 12051-12056 (2008).
  71. Zierhut, M. L., Yen, Y. -F., et al. Kinetic modeling of hyperpolarized 13C1-pyruvate metabolism in normal rats and TRAMP mice. J. Magn. Reson. 202 (1), 85-92 (2010).
  72. Dennis, L. K., Resnick, M. I. Analysis of recent trends in prostate cancer incidence and mortality. Prostate. 42 (4), 247-252 (2000).
  73. Jambor, I., Borra, R., et al. Functional imaging of localized prostate cancer aggressiveness using 11C-acetate PET/CT and 1H-MR spectroscopy. J. Nucl. Med. 51 (11), 1676-1683 (2010).
  74. Presti, J. C. J., Hricak, H., Narayan, P. A., Shinohara, K., White, S., Carroll, P. R. Local staging of prostatic carcinoma: comparison of transrectal sonography and endorectal MR imaging. AJR. Am. J. Roentgenol. 166 (1), 103-108 (1996).
  75. Schulte, R. F., Sacolick, L., et al. Transmit gain calibration for nonproton MR using the Bloch-Siegert shift. NMR Biomed. 24 (9), 1068-1072 (2011).
  76. Durst, M., Koellisch, U., et al. Comparison of acquisition schemes for hyperpolarised (1)(3)C imaging. NMR Biomed. 28 (6), 715-725 (2015).
  77. Janich, M. A., Menzel, M. I., et al. Effects of pyruvate dose on in vivo metabolism and quantification of hyperpolarized (1)(3)C spectra. NMR Biomed. 25 (1), 142-151 (2012).
  78. Harrison, C., Yang, C., et al. Comparison of kinetic models for analysis of pyruvate-to-lactate exchange by hyperpolarized 13 C NMR. NMR Biomed. 25 (11), 1286-1294 (2012).
  79. Gómez Damián, P. A., Sperl, J. I., et al. Multisite Kinetic Modeling of (13)C Metabolic MR Using [1-(13)C]Pyruvate. Radiol. Res. Pract. 2014, (2014).
  80. Talbot, J. -N., Gutman, F., et al. PET/CT in patients with hepatocellular carcinoma using [(18)F]fluorocholine: preliminary comparison with [(18)F]FDG PET/CT. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 33 (11), 1285-1289 (2006).
  81. Reeder, S. B., Pineda, A. R., et al. Iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation (IDEAL): application with fast spin-echo imaging. Magn. Reson. Med. 54 (3), 636-644 (2005).
  82. Laustsen, C., Ostergaard, J. A., et al. Assessment of early diabetic renal changes with hyperpolarized [1-(13) C]pyruvate. Diabetes. Metab. Res. Rev. 29 (2), 125-129 (2013).
  83. Serrao, E. M., Brindle, K. M. Potential Clinical Roles for Metabolic Imaging with Hyperpolarized [1-(13)C]Pyruvate. Front. Oncol. 6, 59(2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

13C 13 PC3 13C
التحليل الطيفي والرنين المغناطيسي الأيضي المفرط الاستقطاب 13C والتصوير
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.