Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Cancer Research
Click here for the English version

Cancer Research

hyperpolarized Published: December 30, 2016 doi: 10.3791/54751
Automatic Translation
*1,2,3, *1, 1, 1,2, 1, 3,4, 1,5,6, 1, 2, 3, 3, 1
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

Abstract

Geçmiş yıllarda, tümör evresi, yeniden değerlendirilmesinde, tedaviye yanıt izleme ve çeşitli kanserlerin nüks tespiti için yeni yöntemler 18 F-florodeoksiglukoz ([18 F ile state-of-the-art pozitron emisyon tomografisi ile birlikte ortaya çıkmıştır ] -FDG PET). 13C manyetik rezonans spektroskopi görüntüleme (13 CMRSI) in vivo ve gerçek zamanlı olarak metabolizma izlenmesini sağlayan bir minimal invaziv bir görüntüleme yöntemidir. 13C nükleer manyetik rezonans (NMR) göre herhangi bir başka yöntemle gibi, bu da 13 ° C ve düşük doğal bolluğu nispeten düşük dönermıknatıslık oranda düşük ısı polarizasyon ve daha sonraki bir düşük sinyal-gürültü oranının bir zorlukla karşı karşıya biyolojik örnekler. Bu sınırlamaları aşarak, daha sonraki numune çözünme ile dinamik nükleer polarizasyon (DNP) son zamanlarda yaygın olarak etkin ölçmek için NMR ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) sistemlerinde kullandıÇeşitli biyolojik sistemlerdeki çalışma ve görüntü anahtar metabolik yollar. 13 CMRSI kullanılan özellikle ilginç ve gelecek vaat eden bir molekül, son on yıl içinde, çok daha yakın in vitro klinik öncesi ve kullanılmaktadır, [1- 13 C] piruvat, hücresel enerji metabolizmasını araştırmak için klinik çalışmalarında araştırılmaktadır kanser ve diğer hastalıklar. Bu yazıda, bir 3.35 T preklinik DNP hyperpolarizer kullanarak çözünme DNP tekniğini anahat ve in vitro çalışmalarda kullanımını göstermektedir. Hiperpolarizasyon için benzer bir protokol hem de in vivo çalışmalarda çoğunlukla uygulanabilir. Bunu yapmak için, laktat dehidrojenaz (LDH) kullanılmış ve 13 CMRSI ile bir prostat karsinoma hücre hattı [1- 13 C] laktat, PC3, in vitro [1- 13C] piruvat metabolik reaksiyonu katalize.

Introduction

Halen, kanser geniş bir yelpazede tümör evrelemesinde, yeniden değerlendirilmesinde, tedaviye yanıt izleme ve nüks tespiti için en yaygın olarak kullanılan klinik yöntem [18F] -FDG PET olduğunu. 1 Ancak, son zamanlarda, çeşitli roman ve alternatif yaklaşımlar ortaya çıkmıştır. Bu yöntemlerden biri de 13 CMRSI olduğunu. Bu teknik, in vitro ya da gerçek zamanlı olarak in vivo metabolizma değerlendirmek için minimal invaziv MRI ardından, bir biyolojik numune içinde 13C-molekülünün giriş kapsar. Bununla birlikte, böyle [18F] -FDG PET veya bilgisayarlı tomografi gibi diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında 13 CMRSI en büyük zorluk, düşük sinyal-gürültü oranıdır.

NMR sinyali polarizasyon seviyesi, toplam nüfus iki enerji Devletleri sıkma yarım çekirdekler nüfus değişimi bir oranı (Şekil 1A) ile doğru orantılıdır. Polarizasyon th ürünü olançekirdeklerin e dönermıknatıslık oranı (γ) ve sıcaklık üzerine uygulanan manyetik alan şiddeti. 1H çekirdeklerinin Tipik bir polarizasyon nispeten düşük bir sinyal-gürültü oranı veren 3 T, 0.001%,% 0.005 kadar düzenindedir. Bugünün state-of-the-art MR nedeniyle sadece biyolojik numunelerde 1 H yüksek bolluk ve 1 H yüksek dönermıknatıslık oranı başarılı bir görüntüleme yöntemi olmuştur (y olan 1H = 42,576 MHz / T). Ancak, karbon gibi diğer çekirdekler, gözlemleyerek daha talep ediyor. Sadece kararlı, manyetik etki karbon izotop, 13C, tüm karbon atomlarının% 1,1 oluşturur. Buna ek olarak, 13 ° C (γ 13C = 10,705 MHz / T) dönermıknatıslık oranı daha düşük bir algılama verimliliği yol 1 H dört kat daha düşüktür. Özetle, düşük 13C bolluğu ve düşük γ 13C termal 13 C ölçümleri 1 hassasiyeti 0,0176% elde etmek için nedenIn vivo 'H-NMR ölçümü.

Dinamik Nükleer Polarizasyon

13 C ölçümlerinin nispeten zayıf duyarlılığı aşmak için bir yöntem DNP olduğunu. Başlangıçta Albert W. Overhauser tarafından 1953 yılında metal tanımlanmıştır. Yazısında, o şöyle demiştir: "iletim elektronlarının elektron spin rezonans doymuş ise, çekirdekler kendi dönermıknatıslık oranı elektron spin o olsaydı onlar olurdu aynı derecede polarize olacağı gösterilmiştir." 2 Sonra o yıl, Carver ve Slichter deneysel Overhauser hipotezini 3 doğruladı. 1958 yılında, Abragam ve Proctor sıvılardaki elektronlar için bu etkiyi tarif ve adını "katı etkisi." 4 K altındaki sıcaklıklarda, elektron spin polarizasyon yaklaşık% 100'e ulaştığında ve nükleer spin polarizasyon (Şekil 1B) 4 daha yüksek büyüklükte fazla üç emir olduğunu. Telektronun dönermıknatıslık oranı (y e = 28024,944 MHz / T) nükleer dönermıknatıslık oranları daha yüksek büyüklükte üç emir olduğu için onun oluşur. Elektron ilgili elektron yakın bir frekans ile, mikrodalga ışıma altında nükleer spin spin böyle Overhauser etkisi, katı etkisi, çapraz etkisi ve termal karıştırma etkisi elektron ve çekirdekler arasındaki zayıf etkileşimler, polarizasyon transferine izin paramanyetik rezonans (EPR) frekans 5,6. DNP teorisi daha fazla elektron ve termal karıştırma dahil etmek için geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bugüne kadar, DNP hiçbir birleşik kantitatif teorik açıklama 7,8 yayımlanmıştır.

Şekil 1
Şekil 1: Dinamik Nükleer Polarizasyon ve hiperpolarizasyona anlama. Spin nüfusunun) şematik bir karşılaştırmasıTermal denge polarizasyon devlet ve hyperpolarized devlet. B) bir polarizasyon sıcaklığına bağlıdır. Bir elektron polarizasyonu (e -) 1.4 K. DNP altında% 100 10 5 kat kadar onların kutuplaşmayı arttırır 13 C çekirdeklere E- gelen kutuplaşma transferini sağlar ulaşır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

13C NMR kullanılarak biyolojik sistemlerin çalışmalarında DNP tanıtmak için, daha sonraki hızlı numune çözünme geliştirilmeye vardı. 50 yıl Overhauser hipotezi, Jan H. Ardenkjaer-Larsen ve ark sonra. Minimal hiperpolarizasyon kaybı 6 ile sıvı haline hiperpolarize dondurulmuş örnek getirme teknik açıdan zor sorunu çözüldü. Çözünme DNP yeni bir araştırma alanı 13 CMRS denilen açıldıBen, araştırmak ve çeşitli hastalık durumları 9,10 karakterize etmek için yeni bir yöntem sağlar. çiftlenmemiş elektronun, bir tritil radikal tris (8-karboksi-2,2,6,6-tetra (hidroksietil) benzopiran [1,2-4,5] bis- (1,3) olarak stabil taşıyıcılar -dithiole-4-il) -metil sodyum tuzu (OX063) ya da (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il) oksil (TEMPO), genellikle kullanılır. Bu arzu edilen 13 C-etiketli molekül ile karıştırıldı ve buna tekabül eden EPR frekansına yakın bir frekans ile mikrodalga ışımasına maruz kalmaktadır. Bu tekniği kullanarak, 13 C çekirdeklerin kutuplaşma% 37 11 kadar artırılabilir. Bu, termal denge polarizasyon 11,12 kıyasla 10 5 kat bir polarizasyon gelişmesine yarar. Ancak, mikrodalga ışınlama durdurulur ve / veya 13 C-molekül sıvı halde aktarılır en kısa sürede, polarizasyon polarize edilmiş 13C çekirdeğinin uzunlamasına gevşeme zamanı (T 1) ile bozunur. BöyleceHızlı çözünme teknikleri icat veya biyolojik uygulamalar 13 için çok önemlidir deneysel ölçüm (yani, enjeksiyon) önce süresini kısaltarak sonraki tekniği.

Aday molekülü başarılı 13 CMRSI çalışmaları için yerine getirmek için gereken üç önemli gereksinimleri vardır. İlk olarak, ilgilenilen 13C çekirdeği yeterince uzun bir T 1 (> 10 s) sahip olmalıdır. 13C-etiketin seçimi çok önemlidir. En iyi aday çekirdekleri bir bağ vasıtasıyla 1H-çekirdekleri ile doğrudan temas karbonlar vardır. Orijinal maddeden önemli ölçüde farklı bir kimyasal kayma ile alt baş metabolik ürün elde 3 T 1 kez - aynı zamanda hızlı bir şekilde 2 metabolize edilmesi gerekmektedir. Alansal dağılımı elektron ve 13 ° C arasındaki mesafeyi azaltır ve böylece örnek karışımı trans sağlayan bir amorf cam, düz bir halde oluşturmalıdırpolarizasyon ferin. Aday molekülün doğal amorf bir cam meydana gelmez, bu gliserol ya da dimetil sülfoksit 14 kadar yüksek bir camlama madde içinde eriyebilir olması gerekir. Bu şartlar Aday moleküllerin nispeten az sayıda sonuçlanır. Ancak, hatta uygun bir molekülün başarılı keşfinden sonra, hiperpolarizasyon için bir çalışma protokolü gelişmekte 9,14,15 teknik olarak zor olabilir.

36, [2- 13C] pirüvat 37, [1- 13C] etil piruvat 38, [1- 13 C - Son yıllarda, çok sayıda alt-tabakalar gibi [1- 13C] piruvat 12,16 olarak, başarılı bir şekilde polarize olmuş ] laktat 39, [1- 13C] fumarat 40-43, 13 Cı-bikarbonat 36,44,45, [1- 13C] sodyum asetat 43,46 - 49, 13 C-üre 6,36,50,51 , [5- 13C] glutamiNE 15,52,53, [1- 13C] glutamat 53,54, [1- 13C] 2-oksoglutarat 55, [1- 13C] alanin, ve diğer 14,56. Hiperpolarizasyon için özellikle ilgi çekicidir ve yaygın olarak kullanılan alt-tabaka [1- 13C] pirüvat olup. Çok çeşitli hastalıkların 14,17,22 hücresel enerji metabolizmasını araştırmak üzere klinik öncesi çalışmalarda kullanılmıştır. [1 13 C] pirüvat metabolize olan sonradan önce hücre zarından nispeten uzun T 1 ve hızlı ulaşım dahil olmak üzere başarılı hiperpolarizasyon için tüm gereksinimleri karşılamaktadır. [1 13 C] piruvat ile klinik öncesi çalışmalar halen klinikte 57 çevrilmektedir ediliyor.

Piruvat metabolizması

İyi bir kanser hücrelerinin DNA ve onların metabolik yollar değişikliklere mutasyon arasında doğrudan bir bağ var olduğu bilinmektedir. Zaten 1920'lerde, Otto Warburg discov60 - sağlıklı doku 58 göre tümörlerde glikoz ve laktat üretimi metabolizma artışı olduğunu göz önünde bulundurmuştur. Daha sonra, bu, pentoz fosfat yolu, trikarboksilik asit döngüsü ve oksidatif fosforilasyon ve nükleotidler ve lipid sentezleri gibi başka metabolik yol, çeşitli münavebeli tarif edilmiştir.

Piruvat glikolizin nihai ürünü olan. Tümör, bu LDH 61 ile katalize anaerobik glikoliz maruz koenzim nikotinamid adenin dinükleotidin indirgenmiş formu ile reaksiyona (NADH), laktat ve koenzim (NAD +) oksitlenmiş formda elde edilir. Seçenek olarak ise, piruvat transaminaz alanin (ALT) ile katalize alanin oluşturulması için glutamat ile transaminasyon reaksiyonu maruz kalır. Her iki reaksiyon kolayca geri dönüşümlüdür. Piruvat, aynı zamanda, karbon dioksit ve asetil-CoA'nın, R, piruvat dehidrogenaz (PDH) ile katalize dekarboksilasyonu maruzBu aşamada geri dönülmez bir şekilde reaksiyon epresenting. Bu reaksiyon oranları Alternations tümör metabolizması 17,21,22,25,62 ile bağlantılı olabilir. Metabolik yollar Şekil 2'de özetlenmiştir.

şekil 2
Şekil 2: piruvat majör metabolik tepkime diyagramı. Piruvat / laktat dönüşüm LDH ile katalize edilir ve pirüvat / alanin dönüşüm ALT ile katalize edilmektedir. Piruvat tersinmez ve PDH CO 2,-asetil CoA'ya dönüştürülmesi ve CO2 bikarbonat 80 olan bir pH değerine bağımlı bir denge halindedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Hiperpolarize [1- 13C] piruvat ve metabolitlerinin tespiti daha önce farede gösterilmiştir Osanat 37,63 - 65, karaciğer 66, kas ve böbrek 62,67. Bir çalışmada, normal ve aç bırakılmış sıçan karaciğer 66 arasındaki laktat-alanine-oranında önemli farklılıklar gösterdi ve karaciğer kanseri 68,69 bir yüksek yükseltilmiş ve hiperpolarize [1- 13C] laktat düzeyi sergilemiştir. Tümör derecesi eksize tümörlerin histolojik grade ile yüksek korelasyon gösteren hyperpolarized laktat düzeyleri ile, hiperpolarize [1- 13 C] piruvat 22 kullanarak fare prostat (TRAMP) bir transgenik adenokarsinomaya tespit edilebilir olduğuna dair kanıtlar vardır. Alt ile piruvattan katalize alanin sıçan karaciğer kanseri 23 yararlı bir marker olarak önerilmiştir.

Piruvat-laktat metabolik akı ölçümü, izlenmesi iskemi 63,65,70 ve sitotoksik kemoterapi 17,40, hedeflenen ilaç tedavisine yanıt olarak kullanılmıştır <destek> 24,25,41 ya da hayvan modellerinde, radyoterapi 26. Ayrıca, glioblastoma ve meme kanseri fare modellerinde 25 fosfatidilinositol 3-kinaz (PI3K) inhibitörü LY294002 yanıtının saptanması için kullanılmıştır. Beyindeki piruvat metabolizması değişiklikleri 26 ve prostat kanseri 24,71, aynı zamanda tedaviden sonra gözlenmiştir tümörler.

prostat Kanseri

Prostat kanseri tüm dünyada 72 erkeklerde ölüme bağlı yaşlı erkek ve ikinci lider kanser baskın kanser türüdür. Bugüne kadar hiçbir güvenilir, non-invaziv yöntemler sıkı algılama ve hastaların evreleme sağlamak için yeni metabolik görüntüleme teknikleri için acil ihtiyaç vurgulayan prostat kanseri 73,74 erken tanı ve karakterizasyonu için kullanılabilir. Prostat kanseri hastada 13 CMRSI ile birlikte çözünme DNP olanaklarını göstermek için bir model olarak kullanıldı57 s. Bu çalışma, prostat kanseri görüntüleme için bir ilk klinik istihdam deneme [1- 13 C] piruvat ve 13 CMRSI devam edildi ve sadece son zamanlarda (NCT01229618) tamamlandı gelmiştir.

Bu çalışmanın arkasındaki motivasyon hücreleri ile bir preklinik ortamda 13 CMRSI yönteminin uygulanması daha detaylı ve daha geniş bir kitleye için göstermek için idi. PC3 prostat karsinomlu hücre çizgisi in vitro [1- 13C] laktata [1- 13C] piruvat LDH katalize metabolizma Ölçüm, in vitro çalışmalarda çözünme DNP olası uygulanabilirliğini ve önemli adımlar adres ve deneyler sırasında zorluklar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
HyperSense DNP Polariser Oxford Instruments 3.35 T preclinical DNP hyperpolarizer
GE/Agilent MR901 GE Healthcare/Agilent Technologies 7 T preclinical MRI scanner, with small bore designed for experiments onrodent
Spinsolve Carbon Magritek 1 T NMR spectrometer with permanent magnet
Deuterium Oxide Sigma Aldrich 7789-20-0
Sodium phosphate dibasic Sigma Aldrich 7558-79-4
Sodium phosphate monbasic Sigma Aldrich 7558-80-7
Sodium hydroxide Sigma Aldrich 1310-73-2
Disodium edetate Sigma Aldrich 6381-92-6
Pyruvic acid - 13C1 Cambridge Isotopes Laboratories CLM-8077-1
Dotarem (0.5 mmol/L) Guerbet gadoterate meglumine  
tris (8-carboxy-2,2,6,6-tetra-(hydroxyethyl)-benzo-[1,2–4,5]-bis-(1,3)-dithiole-4-yl)-methyl sodium salt (OX063) GE Healthcare trityl radical used as a sourse of free electron
PC3 cell line ATCC CRL1435
F-12K medium  ATCC 30-2004
Fetal Bovine Serum ATCC SCRR-30-2020
Trypsine-EDTA Solution, 1x ATCC 30-2101
Sample plastic cup Oxford Instruments
Trypan blue Bio-Rad 145-0013-MSDS

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
hyperpolarized<sup&gt; 13</sup&gt; C Metabolik Manyetik Rezonans Spektroskopisi ve Görüntüleme
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kubala, E., Muñoz-Álvarez, … More

Kubala, E., Muñoz-Álvarez, K. A., Topping, G., Hundshammer, C., Feuerecker, B., Gómez, P. A., Pariani, G., Schilling, F., Glaser, S. J., Schulte, R. F., Menzel, M. I., Schwaiger, M. Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging. J. Vis. Exp. (118), e54751, doi:10.3791/54751 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter