Die Verwendung eines Mehrfach Dynamische einzelner Enzym-Phantom für Studien von hyperpolarisiertem Magnetic Resonance Agents

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Umwandlung von hyperpolarisiertem Pyruvat zu Lactat mittels Magnetresonanztomographie oder MRI in einer kontrollierten Phantomumgebung zu messen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der hyperpolarisierten MRI zu beantworten, beispielsweise die Fähigkeit eines Systems, die chemische Umwandlung von Pyruvat mittels Magnetresonanz nachzuweisen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass die chemische Umwandlung von Pyruvat ähnlich wie der Stoffwechsel in vivo abläuft, jedoch besser kontrollierbar und reproduzierbar ist als in lebenden Systemen.

Die Implikationen dieser Technik reichen bis zur Diagnose von Krebserkrankungen, da die in den meisten Krebsarten verbreitete erhöhte Umwandlung von Pyruvat zu Lactat durch das Phantommodell simuliert wird. Obwohl diese Methode Einblicke in die Krebsforschung ermöglicht, kann sie auch auf andere metabolische Bildgebungsverfahren, wie beispielsweise die Untersuchung des Herzstoffwechsels, angewendet werden. Im Allgemeinen könnten Anwender, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da die zeitlichen Beschränkungen, die hyperpolarisierten Medien inhärent sind, sehr kurz sind.

Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die Schritte zum Auflösen und Ausstoßen schwer zu erlernen sind, weil sie schnell erfolgen und präzise durchgeführt werden müssen. Geben Sie in einem Probengefäß für ein System zur dynamischen nuklearen Polarisation oder DNP-System 0,3 Mikroliter der Gadoteridol-Lösung und 13 Milligramm der Pyrrolsäure-Lösung pipettieren. Rühren Sie dieses Gemisch kurz im Probengefäß mit einer Pipettenspitze um.

Beginnen Sie den Probeneinsetzvorgang, indem Sie auf der Konsole des DNP-Systems die Schaltfläche „Probe einsetzen“ klicken. Wählen Sie im Assistenten für die Probe die Option „normale Probe“ aus und klicken Sie auf „Weiter“. Halten Sie die Probenschale senkrecht und setzen Sie vorsichtig den Einführstab auf die Oberseite der Probenschale auf.

Wenn dazu aufgefordert, öffnen Sie das DNP-System und geben Sie die Probe in den Einsatz für variable Temperaturen mithilfe der Einführstange ein. Ziehen Sie am Kolben am Ende der Probeneinführstange, um die Probe im Einsatz für variable Temperaturen freizugeben. Entfernen Sie die Probeneinführstange aus dem System und klicken Sie auf dem DNP-System-Display auf den nächsten Button.

Dann starten Sie die Polarisation, indem Sie im DNP-Systemkonsolen die Schaltfläche „Probe polarisieren“ anklicken. Geben Sie in der RINMR-Software HYPERSENSENMR zur Polarisationsüberwachungssoftware ein. Stellen Sie die Aufbaukonfiguration auf eins ein und drücken Sie die Eingabetaste.

Klicken Sie dann auf „Solid Build Up“. Nachdem Sie den Speicherort und den Namen der Datei festgelegt haben, wählen Sie im Dropdown-Tab auf der DNP-Systemkonsole das Profil für Kohlenstoff-13 aus. Klicken Sie auf Weiter.

Aktivieren Sie das Kästchen, um die Probenahme während des Aufbaus zu ermöglichen. Stellen Sie die Probennahmezeit auf 300 Sekunden ein und klicken Sie auf „Fertig stellen“. Messen Sie abschließend 3,85 Gramm des Lösungsmediums entweder volumetrisch mit einer Fünf-Milliliter-Spritze oder gewichtsmäßig mithilfe einer Waage ab.

Platzieren Sie den Phantom in der Mitte des Magneten, sodass leichter Zugang zu den Injektionsleitungen besteht. Stellen Sie sicher, dass ein Behälter vorhanden ist, um die Flüssigkeit aufzufangen, die über die Abluftleitung entweicht. Bereiten Sie die hochaktive Enzymmischung vor, indem Sie 240 µL NADH-Lösung, 125 µL LDH-Lösung und 335 µL Puffer miteinander vermischen.

Halten Sie die Lösung in einer Drei-Milliliter-Spritze bereit, die an die Injektionsleitung angeschlossen werden kann. Bereiten Sie anschließend die enzymatische Mischung mit geringer Aktivität vor, indem Sie 240 Mikroliter NADH-Lösung, 75 Mikroliter LDH-Lösung und 385 Mikroliter Puffer miteinander vermischen. Halten Sie diese Mischung in einer separaten Drei-Milliliter-Spritze bereit, die an die Injektionsleitung angeschlossen werden kann.

Zur Durchführung der initialen Positionierung laden Sie eine neue Lokalisierungsaufnahme. Bewegen Sie die Protonenspule durch Auswahl von Acq/Reco. Zeigen Sie die Anzeige an und öffnen Sie die Justierplattform.

Wählen Sie auf dem Einstellfeld Wobble Adjust aus und klicken Sie auf Öffnen. Stellen Sie die Sweep-Breite auf zehn Megahertz ein und klicken Sie auf Einrichten. Nach einem Moment sollten die Abstimmung und Anpassung der Protonenspulen im Erfassungsfenster erscheinen.

Bewegen Sie die Kohlenstoffspule, indem Sie das Spulenelement auf 13C oder Element zwei umstellen und die Sweep-Weite auf fünf Megahertz einstellen. Nach einem Moment sollten die Abstimmung und Anpassung der Kohlenstoffspule im Erfassungsfenster erscheinen; wenn sie korrekt abgestimmt ist, drücken Sie „Stop“. Um zur Scan-Steuerung zurückzukehren, drücken Sie „Übernehmen“, dann „Zurück“ und schließlich „Weiter“, um den Scan zu starten.

Es ist entscheidend, dass der Scan in diesem Schritt vollständig eingerichtet ist, bevor die Auflösung beginnt. Nach Beginn der Auflösung sollte diese nicht gestoppt werden, und es bleibt kaum Zeit, die Sequenzparameter anzupassen, bevor das hyperpolarisierte Pyruvat verabreicht wird. Laden Sie einen neuen Radio-Echo-Planare-Spektroskopie-Bildgebungs-Scan.

Stellen Sie die Schichtdicke auf 30 Millimeter ein, um die gesamte Reaktionskammer abzudecken. Wählen Sie den Betriebsmodus Kohlenstoff-13, indem Sie den System-Tab auswählen und den Betriebsmodus auf 13C Sende-Empfang umstellen. Sobald die Pyruvatlösung eine Polarisation von mehr als 90 % erreicht hat, sind die Lösungen und der Phantom bereit, und die Aufnahme ist konfiguriert.

Klicken Sie auf der DNP-Systemkonsole auf die Schaltfläche „Dissolution starten“. Wenn dazu aufgefordert, bringen Sie den Dissolutionsstab in seine Betriebsposition und injizieren Sie das Dissolutionsmedium. Schließen Sie das DNP-System und klicken Sie auf der DNP-Systemkonsole auf die Schaltfläche „Fertig“.

Es ist wichtig, dass die Injektion von Pyruvat und Enzym gleichmäßig erfolgt. Dies gewährleistet, dass die Enzymmischung ordnungsgemäß vermischt wird und in die Phantomkammer gelangt, bevor die chemische Umwandlung abgeschlossen ist. Wenn das DNP-System das hyperpolarisierte Pyruvat liefert, werden jeweils 500 Mikroliter der Pyruvatlösung in die Spritzen mit hoher und niedriger Enzymkonzentration aspiriert.

Injizieren Sie jede Spritze langsam in eine Injektionsleitung. Die Aufnahme kann je nach verwendeten Scan-Protokoll vor oder unmittelbar nach der Injektion gestartet werden. Nach Abschluss der Auflösung bewegen Sie den Lösungsstab auf Aufforderung in die Ruheposition zurück und klicken Sie anschließend auf „Fertig“.

Hier sind repräsentative Ergebnisse einer radioecho-planaren spektralen Bildgebungssequenz dargestellt. Das Pyruvat-Bild zeigt das starke Pyruvat-Signal in beiden Kammern. Das Lactat-Bild zeigt ein schwächeres Lactat-Signal, ist jedoch weiterhin auf die Kammern lokalisiert.

Das Signalverhältnis von hyperpolarisiertem Lactat und Pyruvat kann verwendet werden, um die Enzymaktivität in jeder Kammer zu schätzen. Die Signalverhältnisse in jeder Kammer entsprechen der vorhandenen Enzymaktivität. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie innerhalb einer Stunde durchgeführt werden.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, dass die Phantommischung und die Bildgebungssequenz vor Beginn des Auflösungsprozesses bereitstehen müssen. Mit dieser Methode können auch andere hyperpolarisierte Agentien und Enzyme verwendet werden, um weitere Fragen zu beantworten, beispielsweise wie gut eine Sequenz andere chemische Reaktionen abbilden kann. Diese Technik eröffnet Forschern auf dem Gebiet der hyperpolarisierten MRT die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit von Sequenzen mithilfe reproduzierbarer Phantome zu untersuchen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine Enzymmischung herstellt, um die Umwandlung von hyperpolarisiertem Pyruvat in Lactat zu ermöglichen, und wie man Kohlenstoff-13-angereichertes Pyruvat zur Bildgebung polarisiert. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit starken Magnetfeldern äußerst gefährlich sein kann, und ergreifen Sie stets Vorsichtsmaßnahmen wie einen kontrollierten Zugang zum Untersuchungsraum.