Meten van de spin-Lattice ontspanning magnetische veld afhankelijkheid van Hypergepolariseerde [1-13C] Pyruvate
Summary
We presenteren een protocol voor het meten van de magnetische veld afhankelijkheid van de spin-Lattice ontspannings tijd van 13C-verrijkte verbindingen, hypergepolariseerd door middel van dynamische nucleaire polarisatie, met behulp van snelle veld-fietste relaxometrie. Concreet hebben we dit aangetoond met [1-13C] Pyruvate, maar het protocol kan worden uitgebreid naar andere hypergepolariseerde substraten.
Abstract
De fundamentele limiet voor in vivo beeldvormings toepassingen van hypergepolariseerde 13C-verrijkte verbindingen is hun eindige spin-Lattice ontspannings tijden. Verschillende factoren beïnvloeden de ontspannings percentages, zoals buffer samenstelling, pH van de oplossing, temperatuur en magnetisch veld. In dit laatste opzicht kan de ontspannings tijd van de spin-Lattice worden gemeten op klinische veldsterktes, maar op lagere velden, waar deze verbindingen van de polarisator worden afgeleverd en naar de MRI worden getransporteerd, is de ontspanning nog sneller en moeilijk te meten. Om een beter begrip te hebben van de hoeveelheid magnetisatie die tijdens het transport verloren is gegaan, gebruikten we snelle veld-Cycling relaxometrie, met magnetische resonantie detectie van 13C kernen bij ~ 0,75 T, om de nucleaire magnetische resonantie dispersie van de spin-Lattice ontspannings tijd van hypergepolariseerd [1-13C] Pyruvate. Ontbinding dynamische nucleaire polarisatie werd gebruikt om hypergepolariseerde monsters van pyruvaat te produceren met een concentratie van 80 mmol/L en fysiologische pH (~ 7,8). Deze oplossingen werden snel overgebracht naar een snelle veld-fiets relaxometer zodat de ontspanning van de monster magnetisatie kon worden gemeten als een functie van de tijd met behulp van een gekalibreerde kleine Flip hoek (3 °-5 °). Om de T1 dispersie van de C-1 van pyruvate in kaart te kunnen hebben, hebben we gegevens opgenomen voor verschillende ontspannings velden variërend tussen 0,237 MT en 0,705 T. Met deze informatie bepaalden we een empirische vergelijking om de spin-Lattice-relaxatie van het hypergepolariseerde substraat binnen het genoemde bereik van magnetische velden te schatten. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om de hoeveelheid magnetisatie verloren tijdens het transport te voorspellen en om experimentele ontwerpen te verbeteren signaalverlies te minimaliseren.
Introduction
Magnetische resonantie spectroscopische beeldvorming (MRSI) kan ruimtelijke kaarten van metabolieten die worden gedetecteerd door spectroscopische beeldvorming produceren, maar het praktische gebruik ervan wordt vaak beperkt door de relatief lage gevoeligheid. Deze lage gevoeligheid van in vivo magnetische resonantie beeldvorming en spectroscopie methoden vloeit voort uit de geringe mate van nucleaire magnetisatie haalbaar bij lichaams temperaturen en redelijke magnetische veldsterktes. Deze beperking kan echter worden overwonnen door het gebruik van dynamische nucleaire polarisatie (DNP) om de in vitro magnetisatie van vloeibare substraten sterk te verbeteren, die vervolgens worden geïnjecteerd om in vivo metabolisme te sonde met behulp van mrsi1,2 , 3 , 4. DNP is in staat om de magnetisatie van de meeste kernen met niet-nulzijnde nucleaire spin te verbeteren en is gebruikt om in vivo mrsi-gevoeligheid van 13C-verrijkte verbindingen zoals pyruvaat5,6, bicarbonaat te verhogen 7,8, fumaraat9, lactaat10, glutamine11, en anderen door meer dan vier bevelen van magnitude12. De toepassingen omvatten Imaging van vasculaire ziekte13,14,15, orgel perfusie13,16,17,18, Cancer detectie1,19,20,21,22, tumor fase23,24, en kwantificering van therapeutische respons2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
Slow spin-Lattice ontspanning is essentieel voor in vivo detectie met MRSI. Spin-Lattice ontspannings tijden (T1s) op de orde van tientallen seconden zijn mogelijk voor kernen met lage gyromagnetische verhoudingen binnen kleine moleculen in oplossing. Verschillende fysische factoren beïnvloeden de overdracht van energie tussen een nucleaire spin transitie en zijn omgeving (Lattice) die leidt tot ontspanning, met inbegrip van de magnetische veldsterkte, temperatuur en moleculaire conformatie27. Dipolaire ontspanning wordt gereduceerd in moleculen voor koolstof posities zonder protonen die direct zijn bevestigd, en deuteratie van oplos media kan de intermoleculaire dipolaire ontspanning verder verminderen. Helaas hebben HDO oplosmiddelen beperkte mogelijkheden om in vivo ontspanning uit te breiden. Verhoogde relaxatie van carbonylen of carbonzuren (zoals pyruvate) kan optreden bij hoge magnetische veldsterktes als gevolg van chemische verschuiving anisotropie. De aanwezigheid van paramagnetische onzuiverheden uit het vloeistofpad tijdens ontbinding na polarisatie kan een snelle ontspanning veroorzaken en moet worden vermeden of geëlimineerd met behulp van chelatoren.
Er bestaan zeer weinig gegevens voor de relaxatie van 13C-bevattende verbindingen op lage velden, waarbij spin-Lattice ontspanning aanzienlijk sneller zou kunnen zijn. Het is echter belangrijk om T1 op lage velden te meten om ontspanning te begrijpen tijdens de bereiding van de agent die wordt gebruikt voor in-vivo-beeldvorming, aangezien de hypergepolariseerde contrastmiddelen gewoonlijk uit het DNP-apparaat in de buurt of op de aard Veld. Bijkomende fysische factoren zoals 13C-verrijkte substraat concentratie, pH van de oplossing, buffers en temperatuur beïnvloeden ook ontspanning en hebben bijgevolg een effect op de formulering van het agens. Al deze factoren zijn essentieel bij de bepaling van belangrijke parameters bij het optimaliseren van het DNP-oplossing, en de berekening van de grootte van signaalverlies dat optreedt bij het transport van het monster van de DNP-apparatuur naar de beeldvormings magneet.
Nucleaire magnetische resonantie dispersie (NMRD) metingen, d.w.z. T1 metingen, als een functie van magnetisch veld worden meestal verkregen met behulp van een NMR-spectrometer. Om deze metingen te verwerven, kan een pendelen methode worden gebruikt waarbij het monster voor het eerst uit de spectrometer wordt afgesloten om te ontspannen op een bepaald gebied dat door zijn positie in het randgebied van de magneet wordt vastgesteld28,29,30 en vervolgens snel teruggeplaatst in de NMR-magneet om de resterende magnetisatie te meten. Door dit proces op hetzelfde punt in het magnetische veld te herhalen, maar met toenemende ontspannings perioden, kan een ontspannings curve worden verkregen, die vervolgens kan worden geanalyseerd om T1te schatten.
We gebruiken een alternatieve techniek die bekend staat als snelle veld-Cycling relaxometrie31,32,33 om onze nmrd-gegevens te verwerven. We hebben een commerciële veld-Cycling Relax meter (Zie tabel van de materialen), voor T1 metingen van oplossingen die Hypergepolariseerde 13C kernen gewijzigd. In vergelijking met de shuttle methode maakt Field-Cycling deze relaxometer in staat om systematisch NMRD-gegevens te verwerven over een kleiner aantal magnetische velden (0,25 mT tot 1 T). Dit wordt bereikt door het magnetisch veld zelf snel te veranderen, niet de sample locatie in het magnetische veld. Daarom kan een monster gemagnetiseerd worden op een hoog veldsterkte, “ontspannen” op een lager veldsterkte, en vervolgens gemeten door verwerving van een vrij-inductie-verval op een vast veld (en Larmor frequentie) om het signaal te maximaliseren. Dit betekent dat de monstertemperatuur tijdens de meting kan worden gecontroleerd, en de NMR-sonde hoeft niet te worden afgestemd op elk ontspannings veld dat de automatische verwerving over het gehele magnetische veld bereik bevordert.
Door onze inspanningen te concentreren op de effecten van het doseren en vervoeren van de hypergepolariseerde oplossingen op lage magnetische velden, presenteert dit werk een gedetailleerde methodologie om de ontspannings tijd van de spin-Lattice van hypergepolariseerde 13C-pyruvate te meten met behulp van snelle veld-fietsen relaxometrie voor magnetische velden in het bereik van 0,237 mT tot 0,705 T. De belangrijkste resultaten van het gebruik van deze methodologie zijn eerder gepresenteerd voor [1-13C] Pyruvate34 en 13c-verrijkt natrium en cesium bicarbonaat35 , waarbij andere factoren zoals radicale concentratie en ontbinding pH ook bestudeerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gebruik van DNP om signaal verwerving te verbeteren is een technische oplossing voor onvoldoende magnetisch resonantie signaal dat beschikbaar is vanaf 13C-kernen in beperkte concentraties, zoals die worden gebruikt in dier injecties, maar presenteert andere experimentele uitdagingen. Elke ontspannings meting weergegeven in afbeelding 7 vertegenwoordigt een meting van een uniek voorbereid monster, omdat het na ontbinding niet opnieuw kan worden gepolariseerd voor hermeting. Di…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen het Ontario Institute for Cancer Research, Imaging Translation Program en de natuurwetenschappen en ingenieurs Onderzoeksraad van Canada bedanken voor de financiering van dit onderzoek. We erkennen ook graag nuttige discussies met Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canada, Gianni Ferrante, stelar s.r.l., Italië en William Mander, Oxford Instruments, UK.
Materials
| [1-13C]Pyruvic Acid | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 677175 | |
| 10mm NMR Tube | Norell, Inc., Morganton NC, USA | 1001-8 | |
| De-ionized water | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | E5134 | |
| HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Includes the following: "DNP-NMR Polarizer" software used to control and monitor the whole DNP polarizer; "RINMR" used to monitor the solid state polarization levels; "HyperTerminal" used to communicate the DNP software with the RINMR software that monitors the solid state polarization level. Also includes the MQC bench top spectrometer to monitor the liquid state polarization in conjunction with it own RINMR software | |
| MATLAB R2017b | MathWorks, Natick, MA | Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid. | |
| OX063 Triarylmethyl radical | Oxford Instruments, Abingdon, UK | ||
| pH meter – SympHony | VWR International, Mississauga, ON., Canada | SB70P | |
| ProHance | Bracco Diagnostics Inc. | Gadoteridol, Gd-HP-DO3A | |
| Pure Ethanol (100% pure) | Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada | P016EAAN | |
| Shim Coil | Developed in-house | ||
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S7653 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S8045 | |
| SpinMaster FFC2000 1T C/DC | Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy | Includes the software "AcqNMR" that is used to set experimental parameters, monitor the tuning and matching of the RF coil, loading different pulse sequences, calibrate flip angle, data acquisition and curve fitting, among other functions. Also includes a depth gauge, some weights and a depth stopper. | |
| Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T7943 |
References
- 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 Research. 66 (22), 10855-10860 (2006).
- Witney, T. H., Brindle, K. M. Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).
- Kurhanewicz, J., et al. Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
- Golman, K., et al. Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).
- Golman, K., in ‘t Zandt, R., Thaning, M. Real-time metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).
- Day, S. E., et al. Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (2), 557-563 (2011).
- Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).
- Wilson, D. M., et al. Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. Journal of Magnetic Resonance. 205 (1), 141-147 (2010).
- Gallagher, F. A., 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. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 106 (47), 19801-19806 (2009).
- Chen, A. P., et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).
- 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. Magnetic Resonance in Medicine. 60 (2), 253-257 (2008).
- Ardenkjaer-Larsen, J. H., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10158-10163 (2003).
- Ishii, M., et al. Hyperpolarized 13C MRI of the pulmonary vasculature and parenchyma. Magnetic Resonance in Medicine. 57 (3), 459-463 (2007).
- Lau, A. Z., Chen, A. P., Cunningham, C. H. Integrated Bloch-Siegert B(1) mapping and multislice imaging of hyperpolarized (1)(3)C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 67 (1), 62-71 (2012).
- Lau, A. Z., et al. Rapid multislice imaging of hyperpolarized 13C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1323-1331 (2010).
- Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. Molecular imaging with endogenous substances. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).
- Johansson, E., et al. Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).
- Johansson, E., et al. Perfusion assessment with bolus differentiation: a technique applicable to hyperpolarized tracers. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1043-1051 (2004).
- Albers, M. J., et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Research. 68 (20), 8607-8615 (2008).
- Chen, A. P., et al. Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1099-1106 (2007).
- Lupo, J. M., et al. Analysis of hyperpolarized dynamic 13C lactate imaging in a transgenic mouse model of prostate cancer. Magnetic Resonance Imaging. 28 (2), 153-162 (2010).
- von Morze, C., et al. Imaging of blood flow using hyperpolarized [(13)C]urea in preclinical cancer models. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).
- Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 66 (2), 505-519 (2011).
- Park, I., et al. Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (6), 1284-1290 (2011).
- Bohndiek, S. E., et al. Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Molecular Cancer Therapeutics. 9 (12), 3278-3288 (2010).
- Witney, T. H., et al. Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate. British Journal of Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).
- Levitt, M. H. . Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance. , (2001).
- Mieville, P., Jannin, S., Bodenhausen, G. Relaxometry of insensitive nuclei: optimizing dissolution dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 210 (1), 137-140 (2011).
- Redfield, A. G. Shuttling device for high-resolution measurements of relaxation and related phenomena in solution at low field, using a shared commercial 500 MHz NMR instrument. Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 753-768 (2003).
- Grosse, S., Gubaydullin, F., Scheelken, H., Vieth, H. -. M., Yurkovskaya, A. V. Field cycling by fast NMR probe transfer: Design and application in field-dependent CIDNP experiments. Applied Magnetic Resonance. 17 (2), 211-225 (1999).
- Kimmich, R., Anoardo, E. Field-cycling NMR relaxometry. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 44 (3-4), 257-320 (2004).
- Guðjónsdóttir, M., Belton, P., Webb, G. . Magnetic Resonance in Food Science: Challenges in a Changing World. , 65-72 (2009).
- Anoardo, E., Galli, G., Ferrante, G. Fast-field-cycling NMR: Applications and instrumentation. Applied Magnetic Resonance. 20 (3), 365-404 (2001).
- Chattergoon, N., Martinez-Santiesteban, F., Handler, W. B., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Scholl, T. J. Field dependence of T1 for hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Contrast Media & Molecular Imaging. 8 (1), 57-62 (2013).
- Martínez-Santiesteban, F. M., Dang, T. P., Lim, H., Chen, A. P., Scholl, T. J. T1 nuclear magnetic relaxation dispersion of hyperpolarized sodium and cesium hydrogencarbonate-13C. NMR in Biomedicine. 30 (9), 3749 (2017).
