Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Một chân trời mới của công nghệ DNP: ứng dụng trong quang phổ và hình ảnh cộng hưởng từ 13C in-vivo
Tóm tắt
Polarization hạt nhân động (DNP) là một kỹ thuật đang nổi lên để tăng cường độ nhạy (>10,000 lần) của quang phổ và hình ảnh cộng hưởng từ (MRSI), đặc biệt là cho các hạt nhân có hằng số tỷ lệ thấp. Phương pháp DNP dựa trên việc phân cực các spin hạt nhân trong trạng thái rắn vô định hình ở nhiệt độ thấp (khoảng 1 K) thông qua việc kết hợp các spin hạt nhân với các spin electron không cặp mà được thêm vào mẫu thông qua một gốc tự do hữu cơ. Trong trạng thái rắn vô định hình, phân cực spin electron cao có thể được chuyển giao tới các spin hạt nhân thông qua tia vi sóng. Trong khi kỹ thuật này đã được sử dụng trong nghiên cứu trạng thái rắn trong nhiều năm, chỉ gần đây các phương pháp hòa tan và phần cứng cần thiết đã được phát triển để tạo ra sự phân cực hạt nhân cao do DNP cung cấp để tạo ra các dung dịch hyperpolarized có thể tiêm phù hợp cho các nghiên cứu in vivo. Kỹ thuật này đã được áp dụng cho một số chuyển hóa tế bào có gắn nhãn 13C trong các hệ sinh học và sự chuyển đổi chuyển hóa của chúng đã được hình ảnh hóa theo thời gian thực. Bài đánh giá này tập trung ngắn gọn vào phương pháp DNP và các phân tử quan trọng đã được nghiên cứu cho đến nay trong các mô hình ung thư tiền lâm sàng, liên quan đến chuyển hóa hạ lưu của chúng in vivo hoặc các quá trình sinh học mà chúng có thể thăm dò. Đặc biệt, sự chuyển đổi giữa pyruvate gắn nhãn 13C hyperpolarized và lactate, được xúc tác bởi lactate dehydrogenase, đã được chứng minh có một số ứng dụng tiềm năng như chẩn đoán, xác định loại u và theo dõi phản ứng điều trị. Các chiến lược để tăng tính khả thi của kỹ thuật này trong các tình huống lâm sàng đã được thảo luận.
Từ khóa
#polarization hạt nhân động #quang phổ cộng hưởng từ #hình ảnh cộng hưởng từ #dung dịch hyperpolarized #chuyển hóa tế bào #pyruvate #lactate #ung thư tiền lâm sàngTài liệu tham khảo
Abragam A, Goldman M (1978) Principles of dynamic nuclear polarization. Rep Prog Phys 41:395–467
Albers MJ, Bok R, Chen AP, Cunningham CH, Zierhut ML, Zhang VY, Kohler SJ, Tropp J, Hurd RE, Yen YF et al (2008) Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Res 68:8607–8615
Aptekar JW, Cassidy MC, Johnson AC, Barton RA, Lee M, Ogier AC, Vo C, Anahtar MN, Ren Y, Bhatia SN et al (2009) Silicon nanoparticles as hyperpolarized magnetic resonance imaging agents. ACS Nano 3:4003–4008
Ardenkjaer-Larsen JH, Fridlund B, Gram A, Hansson G, Hansson L, Lerche MH, Servin R, Thaning M, Golman K (2003) Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proc Natl Acad Sci USA 100:10158–10163
Bohndiek SE, Kettunen MI, Hu DE, Kennedy BW, Boren J, Gallagher FA, Brindle KM (2011) Hyperpolarized [1-13C]-ascorbic and dehydroascorbic acid: vitamin C as a probe for imaging redox status in vivo. J Am Chem Soc 133:11795–11801
Brindle K (2008) New approaches for imaging tumour responses to treatment. Nat Rev Cancer 8:94–107
Chen AP, Albers MJ, Cunningham CH, Kohler SJ, Yen YF, Hurd RE, Tropp J, Bok R, Pauly JM, Nelson SJ et al (2007) Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3 T-initial experience. Magn Reson Med 58:1099–1106
Day SE, Kettunen MI, Gallagher FA, Hu DE, Lerche M, Wolber J, Golman K, Ardenkjaer-Larsen JH, Brindle KM (2007) Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nat Med 13:1382–1387
De Graaf RA (2007) In vivo NMR spectroscopy: principles and techniques, 2nd edn. Wiley, New York
Gabellieri C, Reynolds S, Lavie A, Payne GS, Leach MO, Eykyn TR (2008) Therapeutic target metabolism observed using hyperpolarized N-15 choline. J Am Chem Soc 130:4598–4599
Gallagher FA, Kettunen MI, Day SE, Hu DE, Ardenkjaer-Larsen JH, in ’t Zandt R, Jensen PR, Karlsson M, Golman K, Lerche MH, Brindle KM (2008a) Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature 453:940–973
Gallagher FA, Kettunen MI, Day SE, Lerche M, Brindle KM (2008b) 13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine. Magn Reson Med 60:253–257
Gallagher FA, Kettunen MI, Brindle KM (2009a) Biomedical applications of hyperpolarized (13)C magnetic resonance imaging. Prog Nucl Magn Reson Spectrosc 55:285–295
Gallagher FA, Kettunen MI, Hu DE, Jensen PR, In’t Zandt R, Karlsson M, Gisselsson A, Nelson SK, Witney TH, Bohndiek SE et al (2009b) 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 USA 106:19801–19806
Gallagher FA, Bohndiek SE, Kettunen MI, Lewis DY, Soloviev D, Brindle KM (2011) Hyperpolarized 13C MRI and PET: in vivo tumor biochemistry. J Nucl Med 52:1333–1336
Gatenby RA, Gillies RJ (2004) Why do cancers have high aerobic glycolysis? Nat Rev Cancer 4:891–899
Goldman M (1970) Spin temperature and nuclear magnetic resonance in solids. Clarendon, Oxford
Golman K, Olsson LE, Axelsson O, Mansson S, Karlsson M, Petersson JS (2003) Silvanus Thompson Memorial Lecture Molecular imaging using hyperpolarized 13C. Br J Radiol 76:S118–S127
Golman K, In ’t Zandt R, Thaning M (2006a) Real-time metabolic imaging. Proc Natl Acad Sci USA 103:11270–11275
Golman K, Zandt RI, Lerche M, Pehrson R, Ardenkjaer-Larsen JH (2006b) Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis. Cancer Res 66:10855–10860
Hu S, Lustig M, Balakrishnan A, Larson PE, Bok R, Kurhanewicz J, Nelson SJ, Goga A, Pauly JM, Vigneron DB (2010) 3D compressed sensing for highly accelerated hyperpolarized 13C MRSI with in vivo applications to transgenic mouse models of cancer. Magn Reson Med 63:312–321
Hu S, Balakrishnan A, Bok RA, Anderton B, Larson PE, Nelson SJ, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Goga A (2011) 13C-pyruvate imaging reveals alterations in glycolysis that precede c-Myc-induced tumor formation and regression. Cell Metab 14:131–142
Hwang CF, Hill DA (1967) Phenomenological model for the new effect in dynamic polarization. Phys Rev Lett 19:1011–1013
Hurd RE, Yen YF, Mayer D, Chen A, Wilson D, Kohler S, Bok R, Vigneron D, KurhanewiczJ, Tropp J, Spielman D, Pfefferbaum A. (2010) Metabolic imaging in the anesthetized rat brain using hyperpolarized [1-13C] pyruvate and [1-13C] ethylpyruvate. Magn Reson Med 63:1137–1143
Jeffries CD (1957) Polarization of nuclei by resonance saturation in paramagnetic crystals. Phys Rev 106:164–165
Johannesson H, Macholl S, Ardenkjaer-Larsen JH (2009) Dynamic nuclear polarization of [1-13C]pyruvic acid at 4.6 tesla. J Magn Reson 197:167–175
Keshari KR, Wilson DM, Chen AP, Bok R, Larson PEZ, Hu S, Van Criekinge M, Macdonald JM, Vigneron DB, Kurhanewicz J (2009) Hyperpolarized [2-13C]-fructose: A hemiketal DNP substrate for in vivo metabolic imaging. J Am Chem Soc 131:17591–17596
Keshari KR, Kurhanewicz J, Bok R, Larson PE, Vigneron DB, Wilson DM (2011) Hyperpolarized 13C dehydroascorbate as an endogenous redox sensor for in vivo metabolic imaging. Proc Natl Acad Sci USA 108:18606–18611
Kurhanewicz J, Vigneron DB, Brindle K, Chekmenev EY, Comment A, Cunningham CH, Deberardinis RJ, Green GG, Leach MO, Rajan SS et al (2011) Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia 13:81–97
Larson PE, Bok R, Kerr AB, Lustig M, Hu S, Chen AP, Nelson SJ, Pauly JM, Kurhanewicz J, Vigneron DB (2010) Investigation of tumor hyperpolarized [1-13C]-pyruvate dynamics using time-resolved multiband RF excitation echo-planar MRSI. Magn Reson Med 63:582–591
Larson PE, Hu S, Lustig M, Kerr AB, Nelson SJ, Kurhanewicz J, Pauly JM, Vigneron DB (2011) Fast dynamic 3D MR spectroscopic imaging with compressed sensing and multiband excitation pulses for hyperpolarized 13C studies. Magn Reson Med 65:610–619
Lustig M, Donoho DL, Pauly JM (2007) Sparse MRI: the application of compressed sensing for rapid MR imaging. Magn Reson Med 58:1182–1195
Mayer D, Yen YF, Tropp J, Pfefferbaum A, Hurd RE, Spielman DM (2009) Application of subsecond spiral chemical shift imaging to real-time multislice metabolic imaging of the rat in vivo after injection of hyperpolarized 13C1-pyruvate. Magn Reson Med 62:557–564
Merritt ME, Harrison C, Kovacs Z, Kshirsagar P, Malloy CR, Sherry AD (2007) Hyperpolarized Y-89 offers the potential of direct imaging of metal ions in biological systems by magnetic resonance. J Am Chem Soc 129:12942–12943
Overhauser AW (1953) Paramagnetic relaxation in metals. Phys Rev 89:689–700
Park I, Larson PE, Zierhut ML, Hu S, Bok R, Ozawa T, Kurhanewicz J, Vigneron DB, Vandenberg SR, James CD, Nelson SJ (2010) Hyperpolarized 13C magnetic resonance metabolic imaging: application to brain tumors. Neuro Oncol 12:133–144
van Heeswijk RB, Uffmann K, Comment A, Kurdzesau F, Perazzolo C, Cudalbu C, Jannin S, Konter JA, Hautle P, van den Brandt B et al (2009) Hyperpolarized lithium-6 as a sensor of nanomolar contrast agents. Magn Reson Med 61:1489–1493
von Morze C, Larson PEZ, Hu S, Keshari K, Wilson DM, Ardenkjaer-Larsen JH, Goga A, Bok R, Kurhanewicz J, Vigneron DB (2011) Imaging of blood flow using hyperpolarized 13C urea in preclinical cancer models. J Magn Reson Imaging 33:692–697
Ward CS, Venkatesh HS, Chaumeil MM, Brandes AH, VanCriekinge M, Dafni H, Sukumar S, Nelson SJ, Vigneron DB, Kurhanewicz J et al (2010) Noninvasive detection of target modulation following phosphatidylinositol 3-kinase inhibition using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Cancer Res 70:1296–1305
Warren WS, Jenista E, Branca RT, Chen X (2009) Increasing hyperpolarized spin lifetimes through true singlet eigenstates. Science 323:1711–1714
Wilson DM, Hurd RE, Keshari K, Van Criekinge M, Chen AP, Nelson SJ, Vigneron DB, Kurhanewicz J (2009) Generation of hyperpolarized substrates by secondary labeling with [1,1-13C] acetic anhydride. Proc Natl Acad Sci USA 106:5503–5507
Wilson DM, Keshari KR, Larson PEZ, Chen AP, Hu S, Van Criekinge M, Bok R, Nelson SJ, Macdonald JM, Vigneron DB, Kurhanewicz J (2010) Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. J Magn Reson 205:141–147
Witney TH, Kettunen MI, Day SE, Hu DE, Neves AA, Gallagher FA, Fulton SM, Brindle KM (2009) A comparison between radiolabeled fluorodeoxyglucose uptake and hyperpolarized 13C-labeled pyruvate utilization as methods for detecting tumor response to treatment. Neoplasia 11:574–U588
Witney TH, Kettunen MI, Hu DE, Gallagher FA, Bohndiek SE, Napolitano R, Brindle KM (2010) Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate. Br J Cancer 103:1400–1406