שימוש פנטום אנזים יחיד דינמי רב-תא ללימודים של סוכני תהודה מגנטית Hyperpolarized

המטרה הכוללת של הליך זה היא למדוד את ההמרה של פירובט בהיפר-פולריזציה ללקטט באמצעות דימות תהודה מגנטית או MRI בסביבת פנטום מבוקרת. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום ה-MRI בהיפר-פולריזציה, כגון יכולתו של מערכת לזהות המרה כימית של פירובט באמצעות תהודה מגנטית. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שההמרה הכימית של פירובט מתבצעת באופן דומה למטבוליזם in vivo, אך היא ניתנת לשליטה ולשחזור רב יותר מאשר במערכות חיות.

להשלכות של טכניקה זו יש השלכות על אבחון סרטן, מכיוון שההמרה המוגברת של pyruvate ל-lactate, הנפוצה ברוב סוגי הסרטן, מדומית על ידי סביבת הפנטום. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי סרטן, ניתן ליישמה גם בדימויים מטבוליים אחרים, כגון מטבוליזם של הלב. באופן כללי, אנשים שאינם מכירים את השיטה עשויים להתקשות, מכיוון שהמגבלות הזמניות הגלומות במדיה היפר-פולריזית הן קצרות.

הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית, שכן שלבי ההמסה והפליטה קשים ללמידה מכיוון שהם חייבים להתרחש במהירות ולבצעם בדיוק רב. יש להעביר בעזרת פיפט לתוך כוס דגימה עבור מערכת קיטוב גרעיני דינמי (DNP) כ-0.3 µL של תמיסת הגדוטרידול ו-13 mg של תמיסת חומצה פירובית. יש לערבב בקצרה תערובת זו בתוך כוס הדגימה באמצעות קצה של פיפט.

התחילו את תהליך הכנסת הדגימה על ידי לחיצה על כפתור הכנסת הדגימה (insert sample) בקונסולת מערכת ה-DNP. באשף הדגימות בחרו בדגימה רגילה (normal sample) ולחצו על הבא (next). תוך שמירה על כוס הדגימה במצב אנכי, הניחו בעדינות את מוט ההכנסה מעל חלקו העליון של כוס הדגימה.

כאשר תתבקשו, פתחו את מערכת ה-DNP והכניסו את הכוס אל תוך התושבת בעלת הטמפרטורה המשתנה באמצעות מוט ההכנסה. משכו את הבוכנה בקצה מוט הכנסת הדגימה כדי לשחרר את הדגימה אל תוך התושבת בעלת הטמפרטורה המשתנה. הוציאו את מוט הכנסת הדגימה מהמערכת ולחצו על כפתור ה-next בקונסולת מערכת ה-DNP.

לאחר מכן, התחל את הקוטב化 על ידי לחיצה על כפתור ה-polarise sample בקונסולת מערכת ה-DNP. בתוכנת ה-RINMR הקלד HYPERSENSENMR כדי לעבור לתוכנת ניטור הקוטב化. הגדר את ה-build up configuration ל-one ולחץ על enter.

לאחר מכן לחצו על solid build up. לאחר קביעת המיקום והשם של קובץ השמירה, בחרו בפרופיל עבור carbon 13 בתפריט הנפתח בלוח הבקרה של מערכת ה-DNP. לחצו על next.

סמנו את תיבת הסימון כדי לאפשר דגימה במהלך שלב ה-build up. הגדירו את זמן הדגימה ל-300 שניות ולחצו על finish up. לבסוף, מדדו 3.85 גרם של תמיסות ההמסה, או לפי נפח באמצעות מזרק של 5 מיליליטר או לפי משקל באמצעות מאזניים.

מקמו את הפנטום במרכז המגנט עם גישה נוחה לקווי ההזרקה. ודאו שקיים מכל לאיסוף הנוזל שיפלוט לקו הפליטה. הכינו את תערובת האנזים בעלת הפעילות הגבוהה על ידי ערבוב של 240 µL של תמיסת NADH, 125 µL של תמיסת LDH ו-335 µL של בופר.

שמרו את התמיסה במזרק של 3 ml שניתן לחבר לקו ההזרקה. לאחר מכן, הכינו את תערובת האנזימים בעלת הפעילות הנמוכה על ידי ערבוב של 240 µL של תמיסת NADH, 75 µL של תמיסת LDH ו-385 µL של בופר. שמרו תערובת זו במזרק נפרד של 3 ml שניתן לחבר לקו ההזרקה.

כדי לבצע מיקום ראשוני, טענו סריקת לוקליזציה (localizer scan) חדשה. בצעו תנועות קטנות (Wobble) לסליל הפרוטונים על ידי בחירה ב-Acq/Reco. הציגו ופתחו את פלטפורמת הכיוונון.

בפאנל הכיוונון (adjustment panel) בחרו ב-Wobble Adjust ולחצו על Open. הגדירו את רוחב הסריקה (sweep width) ל-10 MHz ולחצו על set up. לאחר רגע, כיוון התהודה וההתאמה (tuning and matching) של סלילי הפרוטונים אמורים להופיע בחלון הרכישה (acquisition window).

בצעו Wobble לסליל הפחמן על ידי שינוי רכיב הסליל ל-13C או לרכיב שני, והגדרת רוחב הסריקה (sweep width) לחמישה megahertz. לאחר רגע, הכוונה (tuning) וההתאמה (matching) של סלילי הפחמן אמורות להופיע בחלון הרכישה; אם הכוונה תקינה, לחצו על stop. כדי לחזור לבקרת הסריקה, לחצו על apply, לאחר מכן על back, ולבסוף לחצו על continue כדי להתחיל את הסריקה.

חיוני שהסריקה בשלב זה תוגדר במלואה לפני תחילת ההמסה. לאחר שההמסה החלה, אין להפסיקה, ויהיה זמן קצר מאוד להתאמת פרמטרי הרצף לפני הזרקת ה-pyruvate ההיפר-פולרי.

הגדירו את עובי הפרוסה ל-30 millimeters כדי לכסות את כל תא התגובה. הגדירו את מצב הפעולה ל-carbon 13 על ידי בחירה בלשונית המערכת ושינוי מצב הפעולה ל-13C transmit receive. ברגע שהפירובט הגיע לרמת קיטוב של יותר מ-90%, התמיסות והפנטום מוכנים והסריקה מוגדרת.

לחצו על כפתור הפעלת ההמסה (run dissolution) בקונסולת מערכת ה-DNP. כאשר תופיע הבקשה, העבירו את מקל ההמסה למצב העבודה והזריקו את מדיום ההמסה. סגרו את מערכת ה-DNP ולחצו על כפתור הסיום (finished) בקונסולת מערכת ה-DNP.

חשוב שהזרקת הפירובאט והאנזים תבוצע בצורה חלקה. הדבר יבטיח שתערובת האנזים תערבב כראוי ותסופק לתא הפנטום לפני השלמת ההמרה הכימית. כאשר מערכת ה-DNP מספקת את שאיבת הפירובאט ההיפר-פולרי, מוזרקים 500 µL של תמיסת הפירובאט לתוך כל אחת ממזרקי התמיסות בריכוז אנזים גבוה ונמוך.

הזריקו לאט כל מזרק לתוך קו הזרקה. ניתן להתחיל את הסריקה לפני ההזרקה או מיד אחריה, בהתאם לפרוטוקול הסריקה שבו משתמשים. לאחר השלמת ההמסה, החזירו את מוט ההמסה לעמדת המנוחה כאשר תתבקשו לכך, ולאחר מכן לחצו על סיום.

תוצאות מייצגות של רצף דימוי ספקטרלי מסוג radio echo planar מוצגות כאן. תמונת הפירובט מראה אות פירובט חזק בשני הפרוזדורים. תמונת הלכתאט מראה אות לכתאט חלש יותר, אך הוא עדיין ממוקם בפרוזדורים.

ניתן להשתמש ביחס האות של לקטט ופירובט בהיפר-פולריזציה כדי להעריך את הפעילות האנזימטית בכל תא. יחסי האות בכל תא תואמים לפעילות האנזימטית הקיימת. לאחר רכישת המיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו בתוך שעה אחת.

בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור להכין את תערובת הפנטום ואת רצף הדמיה לפני תחילת תהליך ההמסה. בהמשך לפרוצדורה זו, ניתן להשתמש בסוכנים ואנזימים היפר-פולריים אחרים כדי לענות על שאלות נוספות, כגון מידת היכולת של רצף מסוים להדמות תגובות כימיות אחרות. טכניקה זו סוללת את הדרך עבור חוקרים בתחום ה-MRI ההיפר-פולרי לבחון את ביצועי הרצף באמצעות פנטומים הניתנים לשחזור.

לאחר צפייה בסרטון זה, תגמירו להבין כיצד להכין תערובת אנזימים כדי להקל על המרת פירובט בהיפר-פולריזציה ללקטט, וכיצד לבצע פולריזציה של פירובט מועשר ב-carbon 13 לצורך דימות. זכרו שעבודה עם שדות מגנטיים חזקים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון הגבלה של הגישה לחדר הסריקה.