一种新的电子顺磁共振（EPR）方法——快速扫描EPR（RS-EPR）被用于二维光谱空间成像，该方法优于传统的连续波（CW）技术，并为相关研究开辟了新的途径 体内 成像。结果在250 MHz下展示，但该技术适用于任何频率。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
我们展示了一种在250 MHz下利用快速扫描电子顺磁共振（RS-EPR）对稳定自由基报告分子进行二维光谱-空间成像的优越方法，该方法可在 体内 氧气浓度、pH、氧化还原状态及信号分子浓度的条件即， OH•，一氧化氮•RS-EPR 技术相比标准的连续波（CW）技术具有更高的灵敏度、更优的空间分辨率（1 mm）以及更短的采集时间。已测试多种模体构型，其空间分辨率范围为 1 至 6 mm，报告分子的谱宽范围为 16 µT（160 mG）至 5 mT（50 G）。交叉环双模谐振器实现了激发与检测的解耦，降低了噪声；同时，快速扫描效应允许在饱和前向自旋系统输入更多功率，从而增强 EPR 信号。这使得信噪比显著高于传统的 CW EPR 实验。
引言
与其他医学成像方式相比，电子顺磁共振成像（EPRI）能够 uniquely 定量成像包括 pH 在内的生理特性1-3pO24-7温度8组织的灌注与活性9微粘度及小分子扩散的难易程度10 和氧化应激11谷胱甘肽（GSH）在组织和细胞中裂解二硫键难易程度的评估12,13 可报告氧化还原状态。对于 体内 成像，选择250 MHz至1 GHz频率范围内的电子顺磁共振（EPR），因为这些频率能够提供足够的组织穿透深度（可达数厘米），从而在小动物中生成图像，且信号强度不会因介电损耗效应而显著减弱。更高的频率，例如9.5 GHz14 （X波段）和17 GHz（Ku-带15,16 可用于皮肤和毛发或单个细胞的成像。电子顺磁共振成像在所有频率下的成功应用均依赖于针对组织特异性的顺磁性自旋探针，以便对其位置和去向进行成像。
如果电子自旋探针所处的环境在空间上具有异质性，则电子顺磁共振（EPR）谱是来自所有位置贡献的总和。谱-空间成像将样品的体积划分为一系列微小的空间单元，并计算每个单元的EPR谱17。这使得可以通过测量EPR谱在空间上的变化来描绘局部环境的分布。利用磁场梯度将空间信息编码到EPR谱中，这些编码后的谱称为....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 250 MHz快速扫描线圈驱动器的设置
- 快速扫描实验条件的计算
注意：RS-EPR 中最重要的参数是扫描速率 α，其为扫描频率与扫描宽度的乘积（公式 3）。对于较窄的扫描宽度，采用较快的扫描速率；而对于较宽的扫场范围，则采用较慢的扫描速率。以下步骤以较宽扫场范围的情况为例，说明如何确定实验中线圈驱动器的参数，即 7 mT 的扫场宽度和 6.8 kHz 的扫描频率。- 确定谐振器带宽（BWRes).
(1)
其中 vres 是谐振器的工作频率 Q 是品质因数。用于获取代表性结果数据的快速扫描谐振腔，其 Q 值通常为 90。 - 确定快速扫描速率， α，由谐振器带宽所允许
- 确定谐振器带宽（BWRes).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
实验的产物是一组投影数据，这些数据被重建为二维图像（一个为光谱维度，一个为空间维度），并采用伪彩色标度来表示信号强度。深蓝色表示基线，即无信号区域；绿色表示低强度信号，红色表示最高强度信号。沿x轴（光谱维度）的切片在磁场轴上显示电子顺磁共振信号（EPR跃迁）；沿y轴（空间维度）的信号间距对应于谐振器中样品之间的实际物理空间距离。
图3展示了使用连续波（图3B）或快速扫描（图3A）方法对含有三种不同类型15N标记的氮氧自由基的模体所获得的两幅图像的比较（图3D）。其中谱线最宽的信号来自15N-Proxyl，这是一种在生理pH下带负电荷的五元吡咯烷环结构，可能有助于将分子靶向特定的细胞区室。双重峰信号属于15N-mHCTPO，其产生原因是分子中除一个氢原子外.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
快速扫描信号相较于连续波（CW）信号具有更高频率的组分，其所需的谐振器带宽更大，具体取决于谱线宽度、弛豫时间以及快速扫描的速度。特定实验所需的带宽由谱线宽度和磁场扫描速率共同决定（公式2）。该带宽需求还取决于所研究探针的弛豫时间（T2 和 T2*），且扫描速率较快时，信号的拖尾部分可能出现振荡。对于具有 T 的氮氧自由基2 ~500 纳秒，250 MHz（57th 落基山磁共振会议，Epel B 等，2015年），实验扫描速率通常不足以观察到任何振荡现象。
实验带宽通常受限于谐振腔带宽。快速扫描实验的每个半周期均在磁场/频率递减或递增的情况下记录，因此实验带宽为谐振腔带宽的½，如（公式1）所示。如果由于参数选择导致实验带宽超过谐振腔带宽，并且振荡被阻尼，则反卷积谱线将出现展宽。由于实验带宽由所研究自由基的扫描速率和线宽决定，因此理解这些特性是快速扫描实验的关键组成部分。
本方案展示了在250 MHz下对含有对氧气、黏度、p.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本研究工作部分得到了美国国立卫生研究院（NIH）资助项目 NIBIB EB002807 和 CA177744（GRE 和 SSE）以及授予 GRE、Howard J. Halpern（项目负责人）的 P41 EB002034 项目，以及丹佛大学的资助，特此致谢。Mark Tseytlin 获得了 NIH R21 EB022775、NIH K25 EB016040 和 NIH/NIGMS U54GM104942 的支持。作者感谢现就职于西弗吉尼亚大学的 Valery Khramtsov 和俄亥俄州立大学的 Illirian Dhimitruka 在合成 pH 敏感 TAM 自由基方面提供的帮助，以及马里兰大学的 Gerald Rosen 和 Joseph Kao 在合成 mHCTPO、proxyl、BMPO 和硝酰基自由基方面提供的帮助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-氧代-2,2,6,6-四(2H3)甲基-1-(3,3,5,5-2H4,1-15N)哌啶基氮氧自由基 (15N-PDT) | CDN Isotopes | M-2327 | 98% 原子 15N，98% 原子 D，魁北克，加拿大 |
| 4-1H-3-氨基甲酰基-2,2,5,5-四(2H3)甲基-3-吡咯烷基氮氧自由基 (15N-mHCTPO) | N/A | N/A | 在美国马里兰大学合成，详见参考文献29 |
| 3-羧基-2,2,5,5-四(2H3)甲基-1-(3,4,4-2H3,1-15N)吡咯烷基氮氧自由基 (15N-Proxyl) | N/A | N/A | 在美国马里兰大学合成，详见参考文献25 |
| 4 mm 石英 EPR 管 | Wilmad Glass | 707-SQ-100M | |
| 4-氧代-2,2,6,6-四(2H3)甲基-1-(3,3,5,5-2H4)哌啶基氮氧自由基 (14N-PDT) | CDN Isotopes | D-2328 | 98% 原子 D，魁北克，加拿大 |
| pH 敏感三苯甲基自由基 (aTAM4) | 俄亥俄州立大学 | N/A | 在俄亥俄州立大学合成，详见参考文献26 |
| 磷酸二氢钾 | J.T. Baker Chemicals | 1-3246 | |
| 6 mm 石英 EPR 管 | Wilmad Glass | Q-5M-6M-0-250/RB | |
| 8 mm 石英 EPR 管 | Wilmad Glass | Q-7M-8M-0-250/RB | |
| 5-叔丁氧羰基-5-甲基-1-吡咯啉-N-氧化物 (BMPO) | N/A | N/A | 在美国马里兰大学合成，详见参考文献30 |
| 过氧化氢 | 西格玛奥德里奇 | H1009 SIGMA | 30% |
| 16 mm 石英 EPR 管 | Wilmad Glass | 16-7PP-11QTZ | |
| 中压 450 W 紫外灯 | Hanovia | 679-A36 | 新泽西州费尔菲尔德 |
| L-谷胱甘肽（还原型） | 西格玛奥德里奇 | G470-5 | |
| 亚硝基 | NA | N/A | 在美国马里兰大学合成，详见参考文献31 |
| 氢氧化钠 | J.T. Baker Chemicals | 1-3146 |
参考文献
- Bobko, A. A., et al. In vivo monitoring of pH, redox status, and glutathione using L-band EPR for assessment of therapeutic effectiveness in solid tumors. Magn. Reson. Med. 67 (6), 1827-1836 (2012).
- Utsumi, H., et al.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
