La resonancia magnética con carbono 13 hiperpolarizado es una técnica de imagen médica funcional para sondear la perfusión y el metabolismo utilizando sustratos inyectados .
Resonancia magnética de carbono 13 hiperpolarizado | |
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Propósito | técnica de imagen para sondar la perfusión y el metabolismo |
Está habilitado por técnicas para la hiperpolarización de moléculas que contienen carbono-13 usando polarización nuclear dinámica y disolución rápida para crear una solución inyectable . [1] [2] Después de la inyección de un sustrato hiperpolarizado, la actividad metabólica puede mapearse en función de la conversión enzimática de la molécula inyectada. A diferencia de otros métodos de obtención de imágenes metabólicas, como la tomografía por emisión de positrones , la resonancia magnética con carbono 13 hiperpolarizado proporciona información química y espacial, lo que permite utilizar esta técnica para sondear la actividad de vías metabólicas específicas. Esto ha llevado a nuevas formas de obtener imágenes de la enfermedad. Por ejemplo, conversión metabólica de hiperpolarizadosEl piruvato en lactato se usa cada vez más para obtener imágenes de tejidos cancerosos a través del efecto Warburg . [3] [4] [5]
Hiperpolarización
Si bien la hiperpolarización de moléculas pequeñas inorgánicas (como 3 He y 129 Xe) generalmente se logra mediante bombeo óptico de intercambio de espín (SEOP), los compuestos útiles para la obtención de imágenes metabólicas (como 13 C o 15 N) generalmente se hiperpolarizan usando polarización nuclear dinámica (DNP). ). El DNP se puede realizar a temperaturas de funcionamiento de 1.1-1.2 K y campos magnéticos altos (~ 4T). [6] A continuación, los compuestos se descongelan y se disuelven para producir una solución a temperatura ambiente que contiene núcleos hiperpolarizados que se pueden inyectar.
Disolución e inyección
Muestras hiperpolarizados de 13 ácido pirúvico C se disuelven típicamente en alguna forma de solución acuosa que contenía diversos detergentes y tamponar reactivos. Por ejemplo, en un estudio de la detección de la respuesta del tumor a etopósido tratamiento, la muestra se disolvió en 40 mM HEPES , 94 mM NaOH , 30 mM NaCl , y 50 mg / L de EDTA . [3]
Modelos preclínicos
La resonancia magnética con carbono 13 hiperpolarzizado se está desarrollando actualmente como una herramienta de progreso de diagnóstico y tratamiento potencialmente rentable en varios cánceres , incluido el cáncer de próstata . Otros usos potenciales incluyen aplicaciones neurooncológicas tales como el monitoreo de eventos metabólicos in vivo en tiempo real. [7]
Ensayos clínicos
La mayoría de los estudios clínicos que utilizan la hiperpolarización de 13 C están estudiando actualmente el metabolismo del piruvato en el cáncer de próstata, probando la reproducibilidad de los datos de imágenes, así como la viabilidad de adquirir tiempo. [8]
Métodos de obtención de imágenes
Imágenes espectroscópicas
Las técnicas de imágenes espectroscópicas permiten extraer información química de experimentos de resonancia magnética con carbono 13 hiperpolarizado. El cambio químico distinto asociado con cada metabolito se puede aprovechar para sondear el intercambio de magnetización entre grupos correspondientes a cada uno de los metabolitos.
Excitación selectiva de metabolitos
Usando técnicas para excitación selectiva espacial y espectral simultánea, se pueden diseñar pulsos de RF para perturbar metabolitos individualmente. [9] [10] Esto permite la codificación de imágenes selectivas de metabolitos sin la necesidad de imágenes espectroscópicas. Esta técnica también permite aplicar diferentes ángulos de giro a cada metabolito, [11] [12] lo que permite diseñar secuencias de pulsos que hagan un uso óptimo de la polarización limitada disponible para la obtención de imágenes. [13] [14]
Modelos de imágenes dinámicas
A diferencia de la resonancia magnética convencional, los experimentos hiperpolarizados son inherentemente dinámicos, ya que las imágenes deben adquirirse a medida que el sustrato inyectado se esparce por el cuerpo y se metaboliza. Esto requiere el modelado y la estimación del sistema dinámico para cuantificar las tasas de reacción metabólica. Existen varios enfoques para modelar la evolución de la magnetización dentro de un solo vóxel.
piruvato | lactato | Alanina | |
---|---|---|---|
T1 | ~ 46,9-65 s dependiendo de la intensidad del campo B0 [15] | ||
T2 ( tumor de CHC ) | 0,9 ± 0,2 s [16] | 1,2 ± 0,1 s [16] | |
T2 (hígado sano) | 0,52 ± 0,03 s [16] | 0,38 ± 0,05 s [16] |
Modelo de dos especies con flujo unidireccional
El modelo más simple de flujo metabólico asume la conversión unidireccional del sustrato inyectado S en un producto P. Se supone que la tasa de conversión está gobernada por la constante de tasa de reacción
- .
( 1 )
El intercambio de magnetización entre las dos especies se puede modelar utilizando la ecuación diferencial ordinaria lineal.
dónde denota la velocidad a la que la magnetización transversal decae a polarización de equilibrio térmico, para la especie de producto P.
Modelo de dos especies con flujo bidireccional
El modelo de flujo unidireccional se puede ampliar para tener en cuenta el flujo metabólico bidireccional con tasa de avance y tasa de retroceso
( 2 )
La ecuación diferencial que describe el intercambio de magnetización es entonces
Efecto de la excitación por radiofrecuencia
La excitación repetida de radiofrecuencia (RF) de la muestra provoca una desintegración adicional del vector de magnetización. Para secuencias de ángulo de volteo constante , este efecto se puede aproximar usando una tasa de decaimiento efectiva mayor calculada como
dónde es el ángulo de volteo y es el tiempo de repetición. [17] También se pueden usar secuencias de ángulo de volteo variables en el tiempo, pero requieren que la dinámica se modele como un sistema híbrido con saltos discretos en el estado del sistema. [18]
Mapeo del metabolismo
El objetivo de muchos experimentos de resonancia magnética con carbono 13 hiperpolarizado es mapear la actividad de una vía metabólica particular. Los métodos para cuantificar la tasa metabólica a partir de datos de imágenes dinámicas incluyen la integración temporal de las curvas metabólicas, calcular la integral definida denominada en farmacocinética como el área bajo la curva ( AUC ) y tomar la proporción de integrales como un proxy de las constantes de tasa de interés.
Relación de área bajo la curva
La comparación de la integral definida bajo las curvas de sustrato y metabolito del producto se ha propuesto como una alternativa a las estimaciones de parámetros basadas en modelos como método para cuantificar la actividad metabólica. Bajo supuestos específicos, la razón
del área bajo la curva de producto AUC (P) al área bajo la curva de sustrato AUC (S) es proporcional a la tasa metabólica directa . [19]
Mapeo de parámetros de tasa
Cuando los supuestos bajo los cuales esta razón es proporcional a no se cumplen, o hay un ruido significativo en los datos recopilados, es deseable calcular las estimaciones de los parámetros del modelo directamente. Cuando el ruido es independiente e idénticamente distribuido y gaussiano , los parámetros pueden ajustarse utilizando una estimación de mínimos cuadrados no lineales . De lo contrario (por ejemplo, si se utilizan imágenes de magnitud con ruido distribuido por Rician ), los parámetros pueden estimarse mediante la estimación de máxima verosimilitud . La distribución espacial de las tasas metabólicas se puede visualizar estimando las tasas metabólicas correspondientes a la serie de tiempo de cada vóxel y trazando un mapa de calor de las tasas estimadas.
Ver también
- Resonancia magnética nuclear de carbono 13
- Polarización nuclear dinámica
- Imagen funcional
- Imágenes espectroscópicas de resonancia magnética
Referencias
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