使用多室动态单酶仿体研究超极化磁共振造影剂

摘要

多室动态模体用于模拟使用超极化磁共振试剂进行代谢研究时感兴趣的某些生物学特性。

摘要

超极化底物的磁共振成像在实时评估关键生化过程方面展现出巨大的临床应用前景。由于超极化状态本身存在基本限制，通常需要采用非常规的成像与重建技术。因此，迫切需要一种实用的系统来表征动态、多谱段成像方法。该系统必须能够可重复地再现正常与病变组织中的相关化学动力学过程。迄今为止，应用最广泛的底物是超极化[1-¹³C]-丙酮酸评估癌症代谢。我们描述了一种基于酶的仿体系统，可介导丙酮酸向乳酸的转化。该反应通过将超极化试剂注入仿体内的多个腔室而启动，每个腔室含有不同浓度的试剂以调控反应速率。多个分隔腔室的存在对于确保成像序列能够真实捕捉组织的空间与代谢异质性至关重要。该系统通过提供常规仿体所不具备的化学动力学特征，以及无法实现的控制性与可重复性，将有助于先进成像策略的开发与验证 体内.

引言

超极化磁共振成像（MRI）对¹³C标记化合物的临床意义在很大程度上取决于其通过实时磁共振波谱和波谱成像测量化学转化速率的能力^1-5。在序列开发与验证过程中，动态化学转化通常通过体内或体外模型实现^6-9，但这些模型的可控性和可重复性有限。为了实现可靠的测试和质量控制，更理想的是采用一种能够保留该测量所特有的化学转化过程且更具可控性的系统。本文介绍了一种利用动态单酶模型 phantom 实现可重复化学转化的方法。

大多数使用超极化¹³C试剂的研究集中于在功能性的生物环境中成像超极化底物。如果目标是研究生物过程或评估其对临床诊疗的潜在影响，这种选择是显而易见的。然而，如果希望表征某种测量系统或数据处理算法，生物模型则存在诸多缺点，例如固有的空间和时间变异性¹⁰。然而，传统的静态模体缺乏驱动超极化底物磁共振成像临床关注的化学转化过程，因此无法用于表征转化速率或其他动态参数的检测能力¹¹。通过使用单一酶系统，我们可以提供可控且可重复的化学转化，从而实现对动态成像策略的严格检验。

该系统适用于正在开发超极化底物成像策略的研究人员，旨在表征其性能以与替代方法进行比较。若静态测量为预期终点，则进行静态测量 ¹³C标记的代谢物仿体即可满足要求¹¹另一方面，如果更复杂的生物学表征对于该方法至关重要（如递送效率、细胞密度， 等等。那么将需要真实的生物模型^12-14该系统非常适合用于评估旨在提供表观化学转化率定量测量值的成像策略。

方案

注意：（幻影设计）两个 3 ml 的腔室由 Ultem 材料加工而成，并配备 PEEK 管（外径 1.5875 mm，内径 0.762 mm）用于进样和排气。将腔室置于装满水的 50 ml 离心管中（图 1）。为避免气泡产生信号缺失，腔室和管路在使用前均用去离子水（dH₂O）预先充满。

1. 溶液配制

1. 配制1 L缓冲液（81.3 mM Tris，pH 7.6，203.3 mM NaCl）。称取11.38 g Trizma预调pH 7.6结晶和11.88 g NaCl，溶于1 L dH₂O中。
2. 配制50 mM NADH溶液。称取17.8 mg还原型二钾盐β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），溶于280 µl第一步配制的缓冲液中。
3. 配制250 U/ml酶溶液。称取78.75活性单位的乳酸脱氢酶（LDH），溶于315 µl第一步的缓冲液中。
4. 配制丙酮酸混合物。称取21.4 mg Ox063三苯甲基自由基，溶于1.26 g（约1 ml）[1-¹³C]丙酮酸中。
5. 配制溶解介质（40 mM Tris pH 7.6，40 mM NaOH，0.27 mM EDTA和50 mM NaCl）。称取5.96 g Trizma预调pH 7.6结晶、1.6 g NaOH、0.1 g乙二胺四乙酸二钠盐二水合物（EDTA）和2.9 g NaCl，溶于1 L dH₂O中。
6. 配制1:10钆特醇溶液（50 mM）。将1 µl钆特醇与9 µl dH₂O混合。配制8 M [¹³C]尿素。称取1.465 5 [¹³C]尿素，溶于3 ml dH₂O中。

2. 超极化丙酮酸的制备

1. 在动态核极化（DNP）系统的样品杯中，用移液器加入 0.3 µl 的钆特醇溶液和 13 mg（约 10 µl）的丙酮酸溶液。
2. 用移液器吸头轻轻搅拌样品杯中的混合物。
3. 将样品插入 DNP 系统。
   1. 确保 DNP 系统的门已关闭。在 DNP 系统控制台点击“插入样品”按钮，开始样品插入流程。在样品向导中选择“普通样品”，然后点击“下一步”。
   2. 保持样品杯垂直，将插入杆轻轻套在样品杯顶部。当系统提示时，打开 DNP 系统，使用插入杆将样品杯插入变温插件（VTI）中。
   3. 拉动样品插入杆末端的活塞，以释放变温插件中的样品。将样品插入杆从系统中取出，并在 DNP 系统控制台上点击“下一步”按钮。
4. 启动极化过程。
   1. 在 DNP 系统控制台上点击“开始极化”按钮。在 RINMR 软件中输入 .HYPERSENSENMR 以启动极化监测软件。将累积配置设为 1，然后按回车键，接着点击“固态累积”。
   2. 设置保存文件的位置和名称。在 DNP 系统控制台的下拉选项卡中选择 13-C 的配置文件，然后点击“下一步”。勾选“在累积过程中采样”的选项，将采样时间设为 300 秒，然后点击“完成”。
5. 用量筒或 5 ml 注射器量取约 4 ml（或使用天平称取 3.85 g）的溶解介质。

3. 酶体模的制备

1. 用约 3 ml 填充微量离心管 [¹³C] 尿素溶液并将其放入 50 ml 离心管中。用 dH₂O 注满 50 ml 离心管。₂O.
2. 预先用去离子水填充两个酶反应室及管路₂通过注射约3 ml dH₂O₂将液体注入模型的注射管线中，注意冲洗掉形成的任何气泡。
3. 将模体置于磁体中心，确保注射管路易于接触。同时确保有容器用于收集从排气管路排出的液体。
4. 制备高活性酶混合液（17.14 mM NADH，44.57 U/ml LDH）。将240 µl NADH溶液、125 µl LDH溶液与335 µl缓冲液混合，置于可连接注射管路的3 ml注射器中备用。
   注意：与DNP系统中的500 µl 40 mM丙酮酸溶液混合后，最终模拟样品体积为1.2 ml，其中丙酮酸浓度为16.7 mM，NADH浓度为10 mM，LDH浓度为26 U/L，溶于pH约为7.5的Tris缓冲溶液中。
5. 配制低活性酶混合液（17.14 mM NADH，26.79 U/ml LDH）：将240 µl NADH溶液、75 µl LDH溶液和385 µl缓冲液混合，置于一个独立的3 ml注射器中，并连接至加样管路。
   注意：与DNP系统中的500 µl 40 mM丙酮酸溶液混合后，最终模拟样品体积为1.2 ml，其中丙酮酸浓度为16.7 mM，NADH浓度为10 mM，LDH浓度为15.625 U/L，溶于pH约7.5的Tris缓冲溶液中。

4. 运行所有质量保证（QA）和定位扫描

1. 初始定位。
   1. 在操作模式 [¹H] TX/RX 体积模式下加载一个新的 FLASH 定位扫描。将设置尺寸更改为 2：谱仪控制工具 -> 编辑 GS -> 设置尺寸 -> 2。在谱仪控制上按下 GSP，并移动模体直至其在磁体中居中。按下 STOP，然后在谱仪控制上按下 GOP。
2. 预扫描。
   1. 在操作模式 [¹H] TX/RX 体积模式下加载一个新的 TriPilot 定位扫描。定位切片：扫描控制 -> 切片工具 -> 移动切片（按住 M 键并单击拖动；使用切片组滑块选择要移动的切片）。
   2. 调节 ¹H 线圈：谱仪控制工具 - > 采集 -> Wobble。调节磁体后方的 ¹H 线圈的调谐与匹配，然后按下 STOP。在按住 Shift 键的同时，点击扫描控制窗口上的交通灯图标。

5. 径向回波平面光谱成像扫描设置

1. 在操作模式下加载新的径向回波平面波谱成像（radEPSI）扫描，选择[¹³C] TX/RX 体积模式。在扫描控制中使用切片工具定位切片：按住 M 键并点击拖动以移动切片；通过切片组滑块选择要移动的切片。
2. 点击光谱仪控制工具 - > 采集 -> 调谐，对¹³C线圈进行调谐。在光谱仪上将接收增益设置为1,000–2,000。
3. 执行最终系统检查。根据所用序列，通过预扫描方案观察尿素腔室中的碳-13信号。
   注意：这可确保在开始不可逆的溶解过程之前系统已正确设置。

6. 运行溶出实验

1. 当丙酮酸盐达到 >90% 的极化度（约 1 小时）后，溶液和模体即已准备就绪，可配置扫描程序，并点击 DNP 系统控制台上的运行溶解按钮。
2. 当系统提示时，将溶解棒移至工作位置并注入溶解介质。关闭 DNP 系统，并点击 DNP 系统控制台上的完成按钮。当提示时，将溶解棒移回静止位置，然后点击完成。
3. 当 DNP 系统输送超极化丙酮酸盐（加热开始后约 2 分钟）时，将 500 µl 丙酮酸盐溶液分别吸入高酶浓度和低酶浓度溶液的注射器中。缓慢地（约 10 秒）将每支注射器中的溶液注入相应的注射管路。
   注意：扫描可在注射前或注射后最多 3 分钟内启动，具体取决于所使用的扫描方案。

7. 图像处理

注意：该模型设计用于多种成像策略。参见图2，以了解如何使用Matlab处理rad-EPSI图像的示例。

1. 从 fid 文件中加载原始数据。将数据重塑为与投影数量、读出点、回波数相匹配的结构，并考虑以实部和虚部对形式存储的数据。将偶数回波点和奇数回波点分别分离出来。
2. 沿回波维度对偶数或奇数回波进行傅里叶变换。通过视觉识别丙酮酸和乳酸的频率谱带。为简化处理，使用谱的绝对值。
3. 分离各个代谢物的谱带，并沿频率编码方向进行傅里叶变换，得到每个代谢物的独立正弦图。对各个正弦图进行逆拉东变换，生成乳酸或丙酮酸的图像。

结果

采用快照径向EPSI序列获取了具有层面选择性的二维图像。代谢物图像通过滤波反投影法重建。代谢物图像与质子图像具有良好的配准性，如图2所示。在该系统中，超极化乳酸信号仅能通过超极化丙酮酸的酶促转化生成。在图4中，底部腔室因乳酸脱氢酶（LDH）浓度较高，其乳酸信号更强，丙酮酸信号更弱，与顶部腔室相比存在明显差异。以相对代谢物信号作为酶浓度的估算依据，底部腔室的乳酸/丙酮酸比值比顶部腔室高1.47倍。底部与顶部腔室之间的实际酶浓度比值为1.66倍，与信号比值大致相符（图4）。

采用 IDEAL 序列生成了时间过程图像（图3）。代谢物图像与质子参考图像之间再次表现出高度一致性。请注意，本研究中未使用尿素模体。在右侧的高酶浓度腔室中，观察到非常强的初始乳酸信号。反应在到达腔室时几乎已完全催化（输送时间为9秒，乳酸信号峰值出现在1...

讨论

超极化代谢物的实时成像在序列设计、验证和质量控制方面面临诸多独特挑战。能够分辨时空和光谱异质性具有重要的临床潜力，但同时也排除了与传统磁共振成像相关的质量保证和验证方法。复杂的成像序列或重建算法可能存在细微的依赖关系，导致其在成像实验之外难以表征或验证。体内和体外模型因生物学异质性及其他实际因素的限制，难以用于表征或验证成像序列、硬件或数据处理算法。

具有多个空间区室和动态化学演化的系统，能够重现与成像超极化底物相关的关键特征 体内 但以受控方式进行。酶活性高低不同的区域可为定性与定量成像生物标志物的评估提供可重复的动态对比。空间上的变化确保几何畸变、错位及其他常见误差来源得到恰当校正。

尽管与生物系统相比可控性更高，但LDH催化的反应速率仍对实验条件非常敏感，是主要的不确定来源。关键的是，LDH对温度敏感。若需对后续测量结果进行比较，则必须严格确保所有测量过程中室温和液体温度保持恒定。此外，与超极化研究相关的高浓度丙酮酸迫使实验中必须使用高浓度的辅酶NADH和酶LDH。这...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BioSpect 7T	Bruker	BioSpec 70/30 USR	7 特斯拉临床前磁共振成像扫描仪
HyperSense	Oxford Instruments	Hypersense DNP Polarizer	用于磁共振成像试剂的动态核极化仪
1-13C-丙酮酸	Sigma Aldrich	677175	碳13标记的纯丙酮酸
三苯甲基自由基	GE Healthcare	OX063	动态核极化中使用的自由基
NaOH	Sigma Aldrich	S8045
EDTA	Sigma Aldrich	E6758	乙二胺四乙酸
LDH	Worthington	LS002755	兔肌肉来源乳酸脱氢酶
NADH	Sigma Aldrich	N4505	β-还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸二钾盐
Trizma	Sigma Aldrich	T7943	Trizma 预设晶体
NaCl	Sigma Aldrich	S7653