עבודה זו נתמכה על ידי מענק CPRIT (RP140021-P5) וכן בפרס אימון מחקר ג&#39;וליה ג&#39;ונס מתיוס Cancer Research Scholar CPRIT (RP140106, CMW).

הערה: (עיצוב פנטום) שני 3 מיליליטר תאי היו במכונה מתוך Ultem מצויד צינורות צצים (OD 1.5875 מ&quot;מ 0.762 מ&quot;מ ID) להזרקה ופליטה. לשכות הונחו צינור צנטריפוגות 50 מ&quot;ל מלא מים (איור 1). כדי למנוע חללי אות נוצרו על ידי בועות, לתאים והתורים היו מראש מלאים מים ללא יונים (DH 2 O). 1. פתרון כנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן 1 פתרון חיץ L (81.3 מ&quot;מ טריס pH 7.6, 203.3 מ&quot;מ NaCl). תשקלי 11.38 גבישים מוגדרים מראש גרם Trizma pH 7.6 ו 11.88 גרם NaCl ו להתמוסס 1 ליטר של DH 2 O. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן 50 פתרון המ&quot;מ NADH. תשקול 17.8 מ&quot;ג של dinucleotide אדנין β-nicotinamide (NADH), מופחת מלח dipotassium ו להתמוסס 280 μl של פתרון החיץ שהוכן בצעד אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן 250 U / ml אנזימי פתרון. תשקלו 78.75 יחידות פעילות של לקטט דהידרוגנאז (LDH) ו להתמוסס 315 חיץ μl מסעיףTEP אחד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכינו תערובת פירובט. תשקלי 21.4 מ&quot;ג Ox063 trityl הרדיקלי מתמוססים 1.26 גרם (~ 1 מ&quot;ל) [1 13 C] פירובט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן התקשורת פירוק (40 מ&quot;מ טריס pH 7.6, 40 mM NaOH, 0.27 mM EDTA ו -50 מ&quot;מ NaCl). תשקלי 5.96 גרם של pH גבישים מוגדרים מראש Trizma 7.6, 1.6 גרם של NaOH, 0.1 גרם מייבשים מלח disodium ethylenediaminetetraacetic חומצה (EDTA) ו -2.9 גרם NaCl ו להתמוסס 1 L DH 2 O. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן 01:10 פתרון gadoteridol (50 מ&quot;מ). מערבבים 1 μl של gadoteridol ב 9 μl של DH 2 O. הכנת 8 M [13 C] אוריאה. תשקול 1.465 5 [13 C] אוריאה מתמוססת 3 מיליליטר DH 2 O. </li></ol> 2. הכנת Hyperpolarized פירובט <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בתוך כוס מדגם עבור קיטוב גרעיני דינמי (DNP) מערכת, פיפטה 0.3 μl של פתרון gadoteridol ו -13 מ&quot;ג (~ 10 μl) של הפתרון פירובט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בקצרה מערבבים את התערובת בתוך הכוס המדגם עם קצה פיפטה. &lt;/ Li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס לדוגמא למערכת DNP. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא את הדלת למערכת DNP סגורה. תוכלו להתחיל את תהליך הכניסה המדגם על ידי לחיצה על כפתור מדגם להוסיף על קונסולת מערכת DNP. על אשף המדגם לבחור מדגם ולחץ נורמלים הבאה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמירה על כוס המדגם אנכית בעדינות למקם את מוט הכניסה מעל החלק העליון של הכוס המדגמת. כשיתבקש, לפתוח את מערכת DNP והכנס את הכוס לתוך כנס הטמפרטורה משתנה (VTI) באמצעות מוט הכניסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> משוך על הבוכנה בסוף מוט הכניסה המדגמת לשחרר המדגם במדד הטמפרטורה משתנה. הסר את מוט הכניסה מדגם מהמערכת ולחץ על הכפתור הבא על מסוף מערכת DNP. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום את הקיטוב. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ על כפתור ה הקיטוב התחלה על קונסולת מערכת DNP. בשנות ה .HYPERSENSENMR סוג התוכנה RINMR להשיק הקיטוב תוכנת ניטור. הגדר להצטבר התצורה 1 ולחצו אנטר. לאחר מכן לחץ מוצק לבנות up. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את המיקום והשם של הקובץ ולשמור. בחר את הפרופיל ל -13-C הנפתחת לשוני מסוף מערכת DNP ולחץ הבא. סמן את התיבה כדי לדגום בזמן המירוץ, זמן מדגם מוגדר 300 שניות ולחץ על סיום. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את 3.85 גרם (~ 4 מ&quot;ל) של התקשורת פירוק או לפי נפח עם מזרק 5 מ&quot;ל או לפי משקל באמצעות סולם. </li></ol> 3. הכנה של פנטום האנזים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלאו צינור microcentrifuge עם ~ 3 מ&quot;ל [13 C] פתרון אוריאה ולמקם אותו בצינור צנטריפוגות 50 מ&quot;ל. מלאו את צינור צנטריפוגות 50 מ&quot;ל עם DH 2 O. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טרום למלא את שני תאי אנזים ואת הקווים עם DH 2 O על ידי הזרקה ~ 3 מיליליטר DH 2 O לתוך קווי ההזרקה של הפנטום, מקפידה לשטוף כל בועות נוצרות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את הרפאים במרכז המגנט עם גישה קלה לקווי ההזרקה. ודא שיש כמה מיכל לתפוס את הנוזל כי יפרוק אל t<html> הוא קו הפליטה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן תערובת האנזים פעילות גבוהה (17.14 מ&quot;מ NADH, 44.57 LDH U / ml). מערבבים יחד 240 פתרון NADH μl, 125 μl פתרון LDH ו -335 חיץ μl ולשמור על מזרק 3 מ&quot;ל שניתן המצורפת בקו ההזרקה. הערה: לאחר בשילוב עם 500 μl של 40 פירובט מ&quot;מ ממערכת DNP, היקף פאנטום הסופי יהיה 1.2 מ&quot;ל עם ריכוזים של 16.7 מ&quot;מ פירובט, 10 מ&quot;מ NADH, ו -26 U / L LDH בתמיסה שנאגרו טריס עם pH ~ 7.5. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן תערובת האנזים פעילות נמוכה (17.14 מ&quot;מ NADH 26.79 U / ml LDH) מערבבים יחד 240 פתרון NADH μl, 75 μl פתרון LDH ו 385 חיץ μl ולשמור בתוך מזרק מ&quot;ל 3 נפרדת היכולה להיות מחוברים בקו ההזרקה. הערה: לאחר בשילוב עם 500 μl של 40 פירובט מ&quot;מ ממערכת DNP נפח פאנטום הסופי יהיה 1.2 מ&quot;ל עם ריכוזים של 16.7 מ&quot;מ פירובט, 10 מ&quot;מ NADH, ו 15,625 U / L LDH בתמיסה שנאגרו טריס עם pH ~ 7.5 . </li></ol><html> jove_title &quot;&gt; 4. להפעיל את כל אבטחת איכות (QA) וסריקות מיצוב <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מיצוב ראשוני. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען סריקת מיצוב FLASH חדשה במצב מבצע [1 ח] במצב נפח TX / RX. שינוי להגדיר ממדים 2: כלי בקרה ספקטרומטר -&gt; GS ערוך -&gt; מידות התקנה -&gt; 2. לחצו GSP על הפיקוח ספקטרומטר ולעבור רפאים עד שמרכזה המגנט. לחץ STOP ואז הרפובליקנים לחץ על Control ספקטרומטר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סריקת פיילוט. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען סריקת מיצוב TriPiolt חדשה במצב מבצע [1 ח] במצב נפח TX / RX. התפקיד Slice: בקרת סריקה -&gt; Slice בארון כלים&gt; להעביר פרוסות (להחזיק M לחץ על מקש וגרור; פרוסה בחר להעביר את מחוון החבילה הפרוסה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנענע 1 H קויל: כלי בקרה ספקטרומטר -&gt; ACQ -&gt; לנענע. Tune ומתאימים 1 H סליל מאחורי STOP מגנט ולחץ. תוך כדי לחיצה על כל מקש SHIFT הרמזור על חלון בקרת הסריקה. </li></ol></li></ol>class = &quot;jove_title&quot;&gt; 5. הגדרת רדיאלי הד מישורי Spectral Imaging סריקה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען הדמיה ספקטרוסקופיות מישוריים הד חדש רדיאלי (radEPSI) סריקה במצב פעולה [13 C] במצב נפח TX / RX. התפקיד Slice: כלי Slice בשלט הסריקה ופרוס לזוז (להחזיק M לחץ על מקש וגרור; פרוסה בחר להעביר את מחוון החבילה הפרוסה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנענע 13 C סליל ידי לחיצת כלי בקרת ספקטרומטר -&gt; ACQ -&gt; לנענע. קבע את הרווח מהמקלט 1,000-2,000 על ספקטרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע את בדיקת המערכת הסופית. בהתאם רצף, להתבונן אות פחמן 13 מהאולם אוראה פרוטוקול הסקאוט. הערה: פעולה זו מבטיחה כי המערכת מוגדרת כראוי לפני תחילת תהליך פירוק בלתי הפיך. </li></ol> 6. פירוק הפעלה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כאשר פירובט השיג&gt; 90% קיטוב (~ 1 שעה), פתרונות הפנטום מוכנים והסריקה מוגדרת ללחוץ על כפתור הפירוק לרוץ על סאי DNPגזע המסוף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כאשר יתבקש להעביר את מקל הפירוק למצב ההפעלה שלה ולהזריק תקשורת פירוק. סגור את מערכת DNP ולחץ על הכפתור סיים על קונסולת מערכת DNP. זז מקל פירוק חזרה נחתי עמדה כשתתבקש מכן לחץ על סיום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כשהמערכת DNP מספק את פירובט hyperpolarized (~ 2 דקות לאחר תחילת חימום) לסגת 500 μl של פתרון פירובט לתוך כל המזרקים פתרון ריכוז האנזים גבוה ונמוך. לאט (~ 10 שניות) להזריק מזרק אחד לתוך בקו ההזרקה. הערה: סריקה, הייתה יכולה להתרחש לפני ההזרקה או בכל עת עד 3 דקות לאחר ההזרקה בהתאם לפרוטוקול סריקה בשימוש. </li></ol> עיבוד תמונה 7. הערה: זה פנטום מתוכנן לשימוש עם אסטרטגיות הדמיה רבות. ראה 2 איור, כדוגמה את אופן הצגת תמונות rad-EPSI עובדו באמצעות Matlab. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען נתונים גולמיים מקובץ fid. Reshape הנתונים כדי להתאים את מספר התחזיות, קריא נקודות, הדים וחשבון עבור נתונים המאוחסנים כזוגות אמיתיים ומדומים. הפרד את נקודות הד זוגיים ואי-זוגיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התמרת גם ההדים אפילו או מוזר לאורך ממדים הד. ראייה לזהות את התדרים עבור פירובט ומיניקות. לשם פשטות הערך המוחלט של הספקטרום היה בשימוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפרד בין הלהקה המטבוליט ו התמרת לאורך כיוון לקודד בתדירות להניב sinograms מבודד לכל המטבוליט. ראדון הופכים להפוך את sinograms הנפרד לייצר תמונה או של לקטט או פירובט. </li></ol>

<ol>
	<li>Merritt, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+allows+a+direct+measure+of+flux+through+a+single+enzyme-catalyzed+step+by+NMR.">Hyperpolarized 13C allows a direct measure of flux through a single enzyme-catalyzed step by NMR.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104. 104, 19773-19777 (2007).</li><li>Rodrigues, T. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+tumor+glycolysis+using+hyperpolarized+13C-labeled+glucose.">Magnetic resonance imaging of tumor glycolysis using hyperpolarized 13C-labeled glucose.</a> Nature medicine. 20, 93-97 (2014).</li><li>Day, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+tumor+response+to+treatment+using+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+imaging+and+spectroscopy.">Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy.</a> Nature medicine. 13, 1382-1387 (2007).</li><li>Keshari, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+dehydroascorbate+as+an+endogenous+redox+sensor+for+in+vivo+metabolic+imaging.">Hyperpolarized 13C dehydroascorbate as an endogenous redox sensor for in vivo metabolic imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, 18606-18611 (2011).</li><li>Gallagher, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+pH+in+vivo+using+hyperpolarized+13C-labelled+bicarbonate.">Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate.</a> Nature. 453, 940-943 (2008).</li><li>Larson, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+tumor+hyperpolarized+[1-13C]-pyruvate+dynamics+using+time-resolved+multiband+RF+excitation+echo-planar+MRSI.">Investigation of tumor hyperpolarized [1-13C]-pyruvate dynamics using time-resolved multiband RF excitation echo-planar MRSI.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 63, 582-591 (2010).</li><li>Cunningham, C. H., Dominguez Viqueira, W., Hurd, R. E., Chen, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+correction+method+for+improved+spatial+correlation+of+hyperpolarized+13C+metabolites+and+anatomy.">Frequency correction method for improved spatial correlation of hyperpolarized 13C metabolites and anatomy.</a> NMR in biomedicine. 27, 212-218 (2014).</li><li>Larson, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+dynamic+3D+MR+spectroscopic+imaging+with+compressed+sensing+and+multiband+excitation+pulses+for+hyperpolarized+13C+studies.">Fast dynamic 3D MR spectroscopic imaging with compressed sensing and multiband excitation pulses for hyperpolarized 13C studies.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 65, 610-619 (2011).</li><li>Mayer, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+subsecond+spiral+chemical+shift+imaging+to+real-time+multislice+metabolic+imaging+of+the+rat+in+vivo+after+injection+of+hyperpolarized+13C1-pyruvate.">Application of subsecond spiral chemical shift imaging to real-time multislice metabolic imaging of the rat in vivo after injection of hyperpolarized 13C1-pyruvate.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 62, 557-564 (2009).</li><li>Walker, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Catalyzing+Phantom+for+Reproducible+Dynamic+Conversion+of+Hyperpolarized+[1-C-13]-Pyruvate.">A Catalyzing Phantom for Reproducible Dynamic Conversion of Hyperpolarized [1-C-13]-Pyruvate.</a> PloS one. 8, e71274 (2013).</li><li>Levin, Y. S., Mayer, D., Yen, Y. F., Hurd, R. E., Spielman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+fast+spiral+chemical+shift+imaging+using+least+squares+reconstruction:+application+for+hyperpolarized+(13)C+metabolic+imaging.">Optimization of fast spiral chemical shift imaging using least squares reconstruction: application for hyperpolarized (13)C metabolic imaging.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 58, 245-252 (2007).</li><li>von Morze, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+multiagent+hyperpolarized+(13)C+perfusion+imaging.">Simultaneous multiagent hyperpolarized (13)C perfusion imaging.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 72, 1599-1609 (2014).</li><li>Sogaard, L. V., Schilling, F., Janich, M. A., Menzel, M. I., Ardenkjaer-Larsen, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+measurement+of+apparent+diffusion+coefficients+of+hyperpolarized+(1)(3)C-labeled+metabolites.">In vivo measurement of apparent diffusion coefficients of hyperpolarized (1)(3)C-labeled metabolites.</a> NMR in biomedicine. 27, 561-569 (2014).</li><li>Patrick, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+transgene+expression+using+hyperpolarized+13C+urea+and+diffusion-weighted+magnetic+resonance+spectroscopy.">Detection of transgene expression using hyperpolarized 13C urea and diffusion-weighted magnetic resonance spectroscopy.</a> Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 73, 1401-1406 (2015).</li></ol>

פרסום מאמר וידאו זה נתמך על ידי תאגיד Bruker.

הדמיה בזמן אמת של מטבוליטים hyperpolarized יש אתגרים ייחודיים רבים עבור עיצוב רצף, אימות, ובקרת איכות. היכולת לפתור ההטרוגניות spatiotemporal רפאים מציעה פוטנציאל קליני משמעותי, אבל מונע שיטות QA ואימות הקשורים MRI קונבנציונלי. רצפי הדמיה מורכבים או אלגוריתמי שיקום יכולים להיות תלו...

ההשפעה הקלינית של תהודה מגנטית hyperpolarized (MRI) של 13 תרכובות C שכותרתו תלויה באופן מכריע ביכולתה למדוד את שיעורי המרה כימיים באמצעות הדמית ספקטרוסקופיות ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית בזמן אמת 1-5. במהלך רצף פיתוח ואימות, המרה כימית דינמי מושגת באמצעות כלל in vivo או במודלים במבחנה 6-9 המציעים מלא שחזור מוגבלים. לבדיקה חזקה והבטיח איכות, מערכת מבוקרת יותר השומרת על ההמרה הכימית אנדמית מדידה זו תהיה בחירה מועדפת. אנו להתוות שיטה להשיג המרה זו באופן לשחזור באמצעות רפאי אנזים יחידים דינמיים. רוב המחקרים עם hyperpolarized 13 סוכני C להתמקד הדמית מצעי hyperpolarized בסביבה ביולוגית מתפקדת. זוהי הבחירה הברורה אם המטרה היא ללמוד ביולוגיאל מעבדת או לקבוע פוטנציאל להשפעה על טיפול קליני. עם זאת, אם אפיון של כמה אלגוריתם עיבוד מדידת מערכת או נתונים רצויים, מודלים ביולוגיים יש חסרונות רבים כגון השתנות במרחב ובזמן טמונה 10. עם זאת, רוחות רפאים סטטי קונבנציונליות חסרות את המרה הכימית שמניעה את העניין הקליני הראשוני MRI של מצעי hyperpolarized, ולא ניתן להשתמש בם כדי לאפיין זיהוי של שיעורי המרה או פרמטרים דינמיים אחרים 11. שימוש במערכת אנזים אחד אנו יכולים לספק המרה כימית לשליטה לשחזור, המאפשר בדיקה קפדנית של אסטרטגיות הדמיה דינמיות. מערכת זו מופנית חוקרים מטעמו מפתחים אסטרטגיות הדמיה מצעים hyperpolarized ומאחלים לאפיין ביצועים להשוואה נגד גישות חלופיות. אם מדידות סטטי הן נקודת הסיום הרצויה ואז סטטי 13 המטבוליט-הנקרא C פנטומי wiיהיה להספיק 11. בצד השני אם אפיון ביולוגי מורכב יותר הוא קריטי השיטה (משלוח, וצפיפות תאית, וכו &#39;) ולאחר מכן מודלים ביולוגיים בפועל יהיו צורך 12-14. מערכת זו היא אידיאלית עבור הערכה של אסטרטגיות הדמיה כי מטרתנו היא לספק מדד כמותי של שיעורי המרה כימית לכאורה.

<table><tbody><tr><td>BioSpect 7T</td><td>Bruker</td><td>BioSpec 70/30 USR</td><td>7 Tesla Pre-Clinical MRI Scanner</td></tr><tr><td>HyperSense</td><td>Oxford Instruments</td><td>Hypersense DNP Polarizer</td><td>Dynamic Nuclear Polarizer for MRI agents</td></tr><tr><td>1-&lt;sup&gt;13&lt;/sup&gt;C-Pyrvic Acid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>677175</td><td>Carbon 13 labled neat pyruvic acid</td></tr><tr><td>Trityl Radical</td><td>GE Healthcare</td><td>OX063</td><td>Free radical used in Dynamic Nuclear Polarization</td></tr><tr><td>NaOH</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S8045</td><td></td></tr><tr><td>EDTA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>E6758</td><td>Ethylenediaminetetraacetic acid</td></tr><tr><td>LDH</td><td>Worthingthon</td><td>LS002755</td><td>Lactate Dehydrogenase from rabbit muscle</td></tr><tr><td>NADH</td><td>Sigma Aldrich</td><td>N4505</td><td>&amp;beta;-Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced dipotassium salt</td></tr><tr><td>Trizma</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T7943</td><td>Trizma Pre-set crystals</td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S7653</td><td></td></tr></tbody></table>

use of a multi-compartment dynamic single enzyme phantom for studies of hyperpolarized magnetic resonance agents

הדמיה של מצעים hyperpolarized ידי תהודה מגנטית נראה מבטיח קליני גדול להערכת תהליכים ביוכימיים קריטיים בזמן אמת. עקב אילוצי יסוד שקבעו מדינת hyperpolarized, טכניקות הדמיה ושחזור אקזוטיות נמצאות בשימוש נפוץ. מערכת מעשית לאפיון של שיטות הדמיה דינמית, רב-ספקטרלי נדרש אנושות. מערכת כזו חייבת reproducibly לשחזר את הדינמיקה הכימית הרלוונטית של רקמות נורמליות ופתולוגיים. מצע השימוש הנרחב ביותר עד כה הוא hyperpolarized [1- 13 C] -pyruvate להערכת מטבוליזם הסרטן. אנו מתארים מערכת פנטום אנזים מבוסס שמתווך ההמרה של פירובט כדי לקטט. התגובה היא יזמה על ידי הזרקה של סוכן hyperpolarized לתאים מרובים בתוך הרפאים, שכל אחד מהם מכיל ריכוזים שונים של חומרים כימיים כי לשלוט על קצב התגובה. תאים מרובים נחוצים על מנת להבטיח כי הר&quot;ירצפים גינג בנאמנות ללכוד את ההטרוגניות המרחבית המטבולית של רקמת גוף. מערכת זו תסייע הפיתוח ותיקוף אסטרטגיות הדמיה מתקדמות על ידי מתן דינמיקה כימית שאינן זמינים מרווחות רפאים קונבנציונליים, כמו גם מלא שחזור זה לא אפשרי in vivo.

תמונות 2D Slice-סלקטיבית נרכשו באמצעות רצף תמונת מצב radEPSI. תמונות המטבוליט שוחזרו באמצעות הקרנה הסתננה. התמונות המטבוליט היו מיושרים היטב עם תמונות פרוטון, כפי שניתן לראות באיור 2. בשנת hyperpolarized מערכת זו אות לקטט יכול להיווצר רק מהמרת האנזימטית ...

Watch this Scientific Journal Video about Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents at JoVE.com

Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

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

Imaging of hyperpolarized substrates by magnetic resonance shows great clinical promise for assessment of critical biochemical processes in real time. Due ...

use-multi-compartment-dynamic-single-enzyme-phantom-for-studies

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K Views.  University of Texas M.D. Anderson Cancer Center. A multi-compartment dynamic phantom is used to simulate some biology of interest for metabolic studies using hyperpolarized magnet resonance agents.

Video: Use of a Multi-compartment Dynamic Single Enzyme Phantom for Studies of Hyperpolarized Magnetic Resonance Agents

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 T generate only a small detectable net-magnetization of the sample at room temperature 1. Hence, most NMR and MRI applications rely on the detection of molecules at relative high concentration (e.g., water for imaging of biological tissue) or require excessive acquisition times. This limits our ability to exploit the very useful molecular specificity of NMR signals for many biochemical and medical applications. However, novel approaches have emerged in the past few years: Manipulation of the detected spin species prior to detection inside the NMR/MRI magnet can dramatically increase the magnetization and therefore allows detection of molecules at much lower concentration 2.
Here, we present a method for polarization of a xenon gas mixture (2-5% Xe, 10% N2, He balance) in a compact setup with a ca. 16000-fold signal enhancement. Modern line-narrowed diode lasers allow efficient polarization 7 and immediate use of gas mixture even if the noble gas is not separated from the other components. The SEOP apparatus is explained and determination of the achieved spin polarization is demonstrated for performance control of the method.
The hyperpolarized gas can be used for void space imaging, including gas flow imaging or diffusion studies at the interfaces with other materials 8,9. Moreover, the Xe NMR signal is extremely sensitive to its molecular environment 6. This enables the option to use it as an NMR/MRI contrast agent when dissolved in aqueous solution with functionalized molecular hosts that temporarily trap the gas 10,11. Direct detection and high-sensitivity indirect detection of such constructs is demonstrated in both spectroscopic and imaging mode.

The production of hyperpolarized xenon by means of spin exchange optical pumping (SEOP) is described. This method yields a ~10000-fold enhancement of the nuclear spin polarization of Xe-129 and has applications in nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging. Examples of gas phase and solution state experiments are given.

קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have emerged in conjunction with the state-of-the-art positron emission tomography with 18F-fluorodeoxyglucose ([18F]-FDG PET). 13C magnetic resonance spectroscopic imaging (13CMRSI) is a minimally invasive imaging method that enables the monitoring of metabolism in vivo and in real time. As with any other method based on 13C nuclear magnetic resonance (NMR), it faces the challenge of low thermal polarization and a subsequent low signal-to-noise ratio due to the relatively low gyromagnetic ratio of 13C and its low natural abundance in biological samples. By overcoming these limitations, dynamic nuclear polarization (DNP) with subsequent sample dissolution has recently enabled commonly used NMR and magnetic resonance imaging (MRI) systems to measure, study, and image key metabolic pathways in various biological systems. A particularly interesting and promising molecule used in 13CMRSI is [1-13C]pyruvate, which, in the last ten years, has been widely used for in vitro, preclinical, and, more recently, clinical studies to investigate the cellular energy metabolism in cancer and other diseases. In this article, we outline the technique of dissolution DNP using a 3.35 T preclinical DNP hyperpolarizer and demonstrate its usage in in vitro studies. A similar protocol for hyperpolarization may be applied for the most part in in vivo studies as well. To do so, we used lactate dehydrogenase (LDH) and catalyzed the metabolic reaction of [1-13C]pyruvate to [1-13C]lactate in a prostate carcinoma cell line, PC3, in vitro using 13CMRSI.

Hyperpolarized 13C Metabolic Magnetic Resonance Spectroscopy and Imaging

Dynamic nuclear polarization with subsequent sample dissolution has enabled real-time studies of metabolism in biological systems. Hyperpolarized [1-13C]pyruvate was used to study lactate dehydrogenase activity in a prostate carcinoma cell line in vitro.

Hyperpolarized<sup&gt; 13</sup&gt; ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית מטבולית C והדמיה

In the past decades, new methods for tumor staging, restaging, treatment response monitoring, and recurrence detection of a variety of cancers have ...

Cancer Research

Dissolution Dynamic Nuclear Polarization Instrumentation for Real-time Enzymatic Reaction Rate Measurements by NMR

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of metabolic transformations. Hyperpolarization via dissolution DNP circumvents part of the sensitivity issues thanks to the large out-of-equilibrium nuclear magnetization stemming from the electron-to-nucleus spin polarization transfer. The high NMR signal obtained can be used to monitor chemical reactions in real time. The downside of hyperpolarized NMR resides in the limited time window available for signal acquisition, which is usually on the order of the nuclear spin longitudinal relaxation time constant, T1, or, in favorable cases, on the order of the relaxation time constant associated with the singlet-state of coupled nuclei, TLLS. Cellular uptake of endogenous molecules and metabolic rates can provide essential information on tumor development and drug response. Numerous previous hyperpolarized NMR studies have demonstrated the relevancy of pyruvate as a metabolic substrate for monitoring enzymatic activity in vivo. This work provides a detailed description of the experimental setup and methods required for the study of enzymatic reactions, in particular the pyruvate-to-lactate conversion rate in presence of lactate dehydrogenase (LDH), by hyperpolarized NMR.

The sensitivity enhancement provided by dissolution dynamic nuclear polarization (DNP) enables following metabolic processes in real time by NMR and MRI. The characteristics and performances of a dedicated dissolution DNP setup designed for study enzymatic reactions are discussed.

פירוק דינמי גרעיני קיטוב Instrumentation מדידות קצב התגובה האנזימטית בזמן אמת על ידי התמ&quot;ג

The main limitation of NMR-based investigations is low sensitivity. This prompts for long acquisition times, thus preventing real-time NMR measurements of ...

Chemistry

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan electron-paramagnetic-resonance (RS-EPR), which can provide quantitative information under in vivo conditions on oxygen concentration, pH, redox status and concentration of signaling molecules (i.e., OH&#8226;, NO&#8226;). The RS-EPR technique has a higher sensitivity, improved spatial resolution (1 mm), and shorter acquisition time in comparison to the standard continuous wave (CW) technique. A variety of phantom configurations have been tested, with spatial resolution varying from 1 to 6 mm, and spectral width of the reporter molecules ranging from 16 &#181;T (160 mG) to 5 mT (50 G). A cross-loop bimodal resonator decouples excitation and detection, reducing the noise, while the rapid scan effect allows more power to be input to the spin system before saturation, increasing the EPR signal. This leads to a substantially higher signal-to-noise ratio than in conventional CW EPR experiments.

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

A new electron paramagnetic resonance (EPR) method, rapid scan EPR (RS-EPR), is demonstrated for 2D spectral spatial imaging which is superior to the traditional continuous wave (CW) technique and opens new venues for in vivo imaging. Results are demonstrated at 250 MHz, but the technique is applicable at any frequency.

ראפיד סריקת אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה פותחת אפיקים חדשים עבור פרמטרים חשובים מבחינת פיזיולוגית ההדמיה<em&gt; In vivo</em

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan ...

Bioengineering

High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy offers a unique access to probe the structure and dynamics of such proteins in biological membranes of increasing complexity. Here, we present modern solid-state NMR spectroscopy as a tool to study structure and dynamics of proteins in natural lipid membranes and at atomic scale. Such spectroscopic studies profit from the use of high-sensitivity ssNMR methods, i.e., proton-(1H)-detected ssNMR and DNP (Dynamic Nuclear Polarization) supported ssNMR. Using bacterial outer membrane beta-barrel protein BamA and the ion channel KcsA, we present methods to prepare isotope-labeled membrane proteins and to derive structural and motional information by ssNMR.

This work details robust basic routines on how to prepare isotope-labeled membrane protein samples and analyze them at high-resolution with modern solid-state NMR spectroscopy methods.

Membrane proteins are vital for cell function and thus represent important drug targets. Solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) spectroscopy ...

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various factors affect the relaxation rates, such as buffer composition, solution pH, temperature, and magnetic field. In this last regard, the spin-lattice relaxation time can be measured at clinical field strengths, but at lower fields, where these compounds are dispensed from the polarizer and transported to the MRI, the relaxation is even faster and difficult to measure. To have a better understanding of the amount of magnetization lost during transport, we used fast field-cycling relaxometry, with magnetic resonance detection of 13C nuclei at ~0.75 T, to measure the nuclear magnetic resonance dispersion of the spin-lattice relaxation time of hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Dissolution dynamic nuclear polarization was used to produce hyperpolarized samples of pyruvate at a concentration of 80 mmol/L and physiological pH (~7.8). These solutions were rapidly transferred to a fast field-cycling relaxometer so that relaxation of the sample magnetization could be measured as a function of time using a calibrated small flip angle (3&#176;-5&#176;). To map the T1 dispersion of the C-1 of pyruvate, we recorded data for different relaxation fields ranging between 0.237 mT and 0.705 T. With this information, we determined an empirical equation to estimate the spin-lattice relaxation of the hyperpolarized substrate within the mentioned range of magnetic fields. These results can be used to predict the amount of magnetization lost during transport and to improve experimental designs to minimize signal loss.

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

We present a protocol to measure the magnetic field dependence of the spin-lattice relaxation time of 13C-enriched compounds, hyperpolarized by means of dynamic nuclear polarization, using fast field-cycled relaxometry. Specifically, we have demonstrated this with [1-13C]pyruvate, but the protocol could be extended to other hyperpolarized substrates.

מדידת רשת ספין-סריג הרפיה השדה המגנטי של היפרקוטב [1-13ג] פיבט

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various ...

Fat-Water Phantoms for Magnetic Resonance Imaging Validation: A Flexible and Scalable Protocol

As new techniques are developed to image adipose tissue, methods to validate such protocols are becoming increasingly important. Phantoms, experimental replicas of a tissue or organ of interest, provide a low cost, flexible solution. However, without access to expensive and specialized equipment, constructing stable phantoms with high fat fractions (e.g., &#62;50% fat fraction levels such as those seen in brown adipose tissue) can be difficult due to the hydrophobic nature of lipids. This work presents a detailed, low cost protocol for creating 5x 100 mL&#160;phantoms with fat fractions of 0%, 25%, 50%, 75%, and 100% using basic lab supplies (hotplate, beakers, etc.) and easily accessible components (distilled water, agar, water-soluble surfactant, sodium benzoate, gadolinium-diethylenetriaminepentacetate (DTPA) contrast agent, peanut oil, and oil-soluble surfactant). The protocol was designed to be flexible; it can be used to create phantoms with different fat fractions and a wide range of volumes. Phantoms created with this technique were evaluated in the feasibility study that compared the fat fraction values from fat-water magnetic resonance imaging to the target values in the constructed phantoms. This study yielded a concordance correlation coefficient of 0.998 (95% confidence interval: 0.972-1.00). In summary, these studies demonstrate the utility of&#160;fat phantoms for validating adipose tissue imaging techniques across a range of clinically relevant tissues and organs.

The purpose of this work is to describe a protocol for creating a practical fat-water phantom that can be customized to produce phantoms with varying fat percentages and volumes.

שומן-מים פאנטום עבור אימות תהודה מגנטית: פרוטוקול מדרגיים וגמישים

As new techniques are developed to image adipose tissue, methods to validate such protocols are becoming increasingly important. Phantoms, experimental ...

Medicine

קבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולריזציה 129

Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces high-resolution images of an inhaled breath of xenon gas for investigation of lung function. However, implementing 129Xe MRI is uniquely challenging as it requires specialized hardware and equipment for hyperpolarization, procurement of xenon imaging coils and coil software, development and compilation of multinuclear MR imaging sequences, and reconstruction/analysis of acquired data. Without proper expertise, these tasks can be daunting, and failure to acquire high-quality images can be&#160;frustrating, and expensive. Here, we present some quality control (QC) protocols, troubleshooting practices, and helpful tools for129Xe MRI sites, which may aid in the acquisition of optimized, high-quality data and accurate results. The discussion will begin with an overview of the process for implementing HP 129Xe MRI, including requirements for a hyperpolarizer lab, the combination of 129Xe MRI coil hardware/software, data acquisition and sequence considerations, data structures, k-space and image properties, and measured signal and noise characteristics. Within each of these necessary steps lies opportunities for errors, challenges, and unfavorable occurrences leading to poor image quality or failed imaging, and this presentation aims to address some of the more commonly encountered issues. In particular, identification and characterization of anomalous noise patterns in acquired data are necessary to avoid image artifacts and low-quality images; examples will be given, and mitigation strategies will be discussed. We aim to make the 129Xe MRI implementation process easier for new sites while providing some guidelines and strategies for real-time troubleshooting.

מחבר זרקור: שימוש ב- MRI קסנון 129 היפרפולרי לחקר מחלות ריאה 

Here, we present a protocol for obtaining high-quality hyperpolarized xenon-129 magnetic resonance images, covering hardware, software, data acquisition, sequence selection, data management, k-space utilization, and noise analysis.

פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces ...

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

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים

Hyperpolarized

פירוק דינמי גרעיני קיטוב Instrumentation מדידות קצב התגובה האנזימטית בזמן אמת על ידי התמ"ג

ראפיד סריקת אלקטרונים פאראמגנטיים תהודה פותחת אפיקים חדשים עבור פרמטרים חשובים מבחינת פיזיולוגית ההדמיה

High-Resolution Studies of Proteins in Natural Membranes by Solid-State NMR

מדידת רשת ספין-סריג הרפיה השדה המגנטי של היפרקוטב [1-¹³ג] פיבט

שומן-מים פאנטום עבור אימות תהודה מגנטית: פרוטוקול מדרגיים וגמישים

פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה

פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה

פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה