Phổ quang phổ đa cơ quan được siêu phân cực của gan và não sử dụng 1-13C-Pyruvate được tăng cường qua Parahydrogen

Applied Magnetic Resonance - 2023
Theresa L. K. Hune1, Salvatore Mamone1, Andreas B. Schmidt2, Inês Mahú3, Natascha D’Apolito4, Dirk Wiedermann4, Jens C. Brüning3, Stefan Glöggler5
1NMR Signal Enhancement Group, Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences, Göttingen, Germany
2Division of Medical Physics, Department of Radiology, Faculty of Medicine, Medical Center, University of Freiburg, Killianstr. 5a, 79106, Freiburg, Germany
3Department of Neuronal Control of Metabolism, Max Planck Institute for Metabolism Research, Gleueler Straße 50, 50931, Cologne, Germany
4Multimodal Imaging Group, Max Planck Institute for Metabolism Research, Gleueler Straße 50, 50931, Cologne, Germany
5Center for Biostructural Imaging of Neurodegeneration of the University Medical Center Göttingen, Göttingen, Germany

Tóm tắt

Tóm tắtSiêu phân cực trong cộng hưởng từ hạt nhân làm tăng cường tín hiệu lên nhiều bậc độ. Việc sử dụng trật tự spin đơn của parahydrogen để tạo ra sự phân cực spin không cân bằng lớn là một phương pháp nhanh chóng để thu được các chất chuyển hóa siêu phân cực trong vài giây. Trong những năm gần đây, nó đã thu hút sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực y sinh vì các chất chuyển hóa được tăng cường tín hiệu và giàu 13C cho phép các nghiên cứu chuyển hóa theo thời gian thực kết hợp với hình ảnh trong cơ thể sống. Bằng cách này, quá trình chuyển hóa có thể được theo dõi và đặc trưng hóa với độ chọn lọc không gian trong cơ thể. Ở đây, chúng tôi giới thiệu một phương pháp sử dụng các chất chuyển hóa được tăng cường tín hiệu để nghiên cứu nhiều cơ quan trong các tiêm riêng biệt nhằm thu được động học theo thời gian thực trong cơ thể sống của những cơ quan này. Bằng cách sử dụng 1-13C-pyruvate siêu phân cực, chúng tôi đã đo động học của quá trình chuyển đổi từ pyruvate thành lactate trong não và gan của chuột. Chúng tôi đã thực hiện điều này bằng cách tiêm pyruvate siêu phân cực hai lần trong vòng nửa giờ và sử dụng mỗi lần tiêm để đo phổ của một vùng quan tâm. Sự tương tác giữa các cơ quan và đặc biệt là cách mà các cơ quan khác nhau ảnh hưởng đến nhau trong các bệnh là một mối quan tâm lớn và chưa được hiểu rõ, do độ phức tạp cao của các hệ thống sinh học. Với nghiên cứu chứng minh nguyên lý được cung cấp ở đây, chúng tôi giới thiệu một công cụ mới để nghiên cứu sự tương tác liên quan đến cơ quan trong cơ thể sống. Nó cho phép đặc trưng hóa các cơ quan khác nhau của cùng một con vật trong vòng nửa giờ, điều này được thực hiện nhờ vào việc tăng cường tín hiệu nhanh chóng đạt được với parahydrogen.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

S.W. Provencher, Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra. Magn. Reson. Med. 30, 672–679 (1993)

M. Hajek, M. Dezortova, Introduction to clinical in vivo MR spectroscopy. Eur. J. Radiol. 67, 185–193 (2008)

D. Bertholdo, A. Watcharakorn, M. Castillo, Brain proton magnetic resonance spectroscopy: introduction and overview. Neuroimaging Clin. N. Am. 23, 359–380 (2013)

S. Posse, R. Otazo, S.R. Dager, J. Alger, MR spectroscopic imaging: principles and recent advances. J. Magn. Reson. Imaging 37, 1301–1325 (2013)

J.H. Ardenkjær-Larsen et al., Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. PNAS 100, 10158–10163 (2003)

S. Day, M. Kettunen, F. Gallagher et al., Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nat. Med. 13, 1382–1387 (2007)

A.C. Pinon, A. Capozzi, J.H. Ardenkjær-Larsen, Hyperpolarization via dissolution dynamic nuclear polarization: new technological and methodological advances. MAGMA 34, 5–23 (2021)

R.E. Hurd, Y.-F. Yen, A. Chen, J.H. Ardenkjaer-Larsen, Hyperpolarized 13C metabolic imaging using dissolution dynamic nuclear polarization. J. Magn. Reson. Imaging 36, 1314–1328 (2012)

H. Gutte et al., The use of dynamic nuclear polarization (13)C-pyruvate MRS in cancer. Am. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 5, 548–560 (2015)

F.A. Gallagher et al., Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature 453, 940–943 (2008)

S.J. Nelson et al., Metabolic imaging of patients with prostate cancer using hyperpolarized [13C]pyruvate. Sci. Transl. Med. 5, 198ra108-198ra108 (2013)

J.T. Grist et al., Quantifying normal human brain metabolism using hyperpolarized [1–13C]pyruvate and magnetic resonance imaging. Neuroimage 189, 171–179 (2019)

N. Bøgh et al., Imaging neurodegenerative metabolism in amyotrophic lateral sclerosis with hyperpolarized [1-13C]pyruvate MRI. Tomography 8, 1570–1577 (2022)

F. Zaccagna et al., Imaging glioblastoma metabolism by using hyperpolarized [1–13C]pyruvate demonstrates heterogeneity in lactate labeling: a proof of principle study. Radiology 4, e210076 (2022)

J.D. Kaggie et al., Deuterium metabolic imaging and hyperpolarized 13C-MRI of the normal human brain at clinical field strength reveals differential cerebral metabolism. Neuroimage 257, 119284 (2022)

K. Golman, R. Zandt, M. Thaning, Real-time metabolic imaging. PNAS 103, 11270–11275 (2006)

S. Jannin, A. Bornet, R. Melzi, G. Bodenhausen, High field dynamic nuclear polarization at 6.7T: Carbon-13 polarization above 70% within 20min. Chem. Phys. Lett. 549, 99–102 (2012)

C.R. Bowers, D.P. Weitekamp, Transformation of symmetrization order to nuclear-spin magnetization by chemical reaction and nuclear magnetic resonance. Phys. Rev. Lett. 57, 2645–2648 (1986)

C.R. Bowers, D.P. Weitekamp, Parahydrogen and synthesis allow dramatically enhanced nuclear alignment. J. Am. Chem. Soc 109, 5541–5542 (1987)

J. Natterer, J. Bargon, Parahydrogen induced polarization. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 31, 293–315 (1997)

R.A. Green et al., The theory and practice of hyperpolarization in magnetic resonance using parahydrogen. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 67, 1–48 (2012)

F. Reineri, T. Boi, S. Aime, ParaHydrogen induced polarization of 13C carboxylate resonance in acetate and pyruvate. Nat. Commun. 6, 5858 (2015)

S. Knecht et al., Rapid hyperpolarization and purification of the metabolite fumarate in aqueous solution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2025383118

E. Cavallari, C. Carrera, S. Aime, F. Reineri, Studies to enhance the hyperpolarization level in PHIP-SAH-produced C13-pyruvate. J. Magn. Reson. 289, 12–17 (2018)

S. Korchak, S. Yang, S. Mamone, S. Glöggler, Pulsed magnetic resonance to signal-enhance metabolites within seconds by utilizing para-hydrogen. ChemistryOpen 7, 344–348 (2018)

S. Korchak, S. Mamone, S. Glöggler, Over 50 % 1H and 13C polarization for generating hyperpolarized metabolites—a para-hydrogen approach. ChemistryOpen 7, 672–676 (2018)

S. Korchak, M. Emondts, S. Mamone, B. Blümich, S. Glöggler, Production of highly concentrated and hyperpolarized metabolites within seconds in high and low magnetic fields. Phys. Chemm Chem. Phys. 21, 22849–22856 (2019)

L. Dagys et al., Nuclear hyperpolarization of (1–13C)-pyruvate in aqueous solution by proton-relayed side-arm hydrogenation. Analyst 146, 1772–1778 (2021)

L. Kaltschnee et al., Hyperpolarization of amino acids in water utilizing parahydrogen on a rhodium nanocatalyst. Chem. Eur. J. 25, 11031–11035 (2019)

J. McCormick et al., More than 12 % polarization and 20 minute lifetime of 15N in a choline derivative utilizing parahydrogen and a rhodium nanocatalyst in water. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 10692–10696 (2018)

S. Mamone et al., A field-independent method for the rapid generation of hyperpolarized [1–13C]pyruvate in clean water solutions for biomedical applications. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202206298 (2022)

G. Stevanato et al., Real-time pyruvate chemical conversion monitoring enabled by PHIP. J. Am. Chem. Soc 145, 5864–5871 (2023)

Y. Ding et al., Rapidly signal-enhanced metabolites for atomic scale monitoring of living cells with magnetic resonance. Chemistry-Methods 2, e202200023 (2022)

P. Bhattacharya et al., Parahydrogen-induced polarization (PHIP) hyperpolarized MR receptor imaging in vivo: a pilot study of 13C imaging of atheroma in mice. NMR Biomed. 24, 1023–1028 (2011)

M. Gierse et al., Parahydrogen-polarized fumarate for preclinical in vivo metabolic magnetic resonance imaging. J. Am. Chem. Soc. 145, 5960–5969 (2023)

J.-B. Hövener et al., Parahydrogen-based hyperpolarization for biomedicine. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 11140–11162 (2018)

N.J. Stewart et al., Hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging of fumarate metabolism by parahydrogen-induced polarization: a proof-of-concept in vivo study. ChemPhysChem 22, 915–923 (2021)

L.M. Le Page, C. Guglielmetti, C.F. Najac, B. Tiret, M.M. Chaumeil, Hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy detects toxin-induced neuroinflammation in mice. NMR Biomed. 32, e4164 (2019)

L.M. Le Page, C. Guglielmetti, C. Taglang, M.M. Chaumeil, Imaging brain metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Trends Neurosci. 43, 343–354 (2020)

E. Cavallari et al., The 13C hyperpolarized pyruvate generated by ParaHydrogen detects the response of the heart to altered metabolism in real time. Sci. Rep. 8, 8366 (2018)

T. Hune et al., Metabolic tumor imaging with rapidly signal-enhanced 1–13C-pyruvate-d3. ChemPhysChem 24, e202200615 (2023)

I. Park et al., Hyperpolarized 13C magnetic resonance metabolic imaging: application to brain tumors. Neuro Oncol. 12, 133–144 (2010)

S. Düwel et al., Imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled zymonic acid. Nat. Commun 8, 15126 (2017)

R.E. Hurd et al., Metabolic imaging in the anesthetized rat brain using hyperpolarized [1-13C] pyruvate and [1-13C] ethyl pyruvate. Magn. Reson. Med. 63, 1137–1143 (2010)

R.E. Hurd et al., Cerebral dynamics and metabolism of hyperpolarized [1-13C]pyruvate using time-resolved MR spectroscopic imaging. J. Cereb. Blood Flow Metab. 30, 1734–1741 (2010)

S.J. Nelson et al., DNP-hyperpolarized 13C magnetic resonance metabolic imaging for cancer applications. Appl. Magn. Reson. 34, 533–544 (2008)

D.K. Hill et al., Model free approach to kinetic analysis of real-time hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy data. PLoS ONE 8(9), e71996 (2013)

D.M. Spielman et al., In vivo measurement of ethanol metabolism in the rat liver using magnetic resonance spectroscopy of hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Magn. Reson. Med. 62, 307–313 (2009)

Y. Wen et al., Sex differences in kidney function and metabolism assessed using hyperpolarized [1-13C]pyruvate interleaved spectroscopy and nonspecific imaging. Tomography 6, 5–13 (2020)

H. Lee et al., Determination of optimal scan time for the measurement of downstream metabolites in hyperpolarized 13C MRSI. IMRI 19, 212–217 (2015)

R. Makaryus et al., The metabolomic profile during isoflurane anesthesia differs from propofol anesthesia in the live rodent brain. J. Cereb. Blood Flow Metab. 31(6), 1432–1442 (2011)

S. Boretius et al., Halogenated volatile anesthetics alter brain metabolism as revealed by proton magnetic resonance spectroscopy of mice in vivo. Neuroimage 69, 244–255 (2013)

A.B. Schmidt, M. Zimmermann, H. de Massin, C.A. Müller, V. Ivantaev, J. Hennig, Dv. Elverfeldt, J.-B. Hövener, Quasi-continuous production of highly hyperpolarized carbon-13 contrast agents every 15 seconds within an MRI system. Commun. Chem. 5, 21 (2022)

Thông tin
Thông tin xuất bản

Applied Magnetic Resonance

Thông tin tác giả