Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego MRI wykorzystuje zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego, które polega na precesji wektora momentu magnetycznego jąder atomowych o niezerowym spinie ze ściśle określoną częstotliwością. Częstotliwość ta jest liniowo zależna od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego (precesja Larmora). Zastosowanie dodatkowego zmiennego pola magnetycznego o częstotliwości Larmora powoduje nutację momentu magnetycznego i wywołuje mierzalny sygnał rezonansu magnetycznego. Technika rezonansu magnetycznego stosowana jest obecnie w medycynie zarówno do obrazowania struktur tkankowych MRI (Magnetic Resonance Imaging), jak i składu chemicznego badanej próbki in vitro, jak również in vivo MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy). Identyfikacja wybranego związku chemicznego bazuje na efekcie przesunięcia chemicznego. Technika MRS (Rys. 1) w badaniach in vivo ma szereg ograniczeń: czas badania jest stosunkowo długi, rozdzielczość przestrzenna mała. Technika ta umożliwia identyfikację tylko wybranych, endogennych substancji, których fizjologiczne stężenie jest stosunkowo duże (rzędu milimoli/L). Poprawę jakości badania można uzyskać, stosując urządzenia o większej indukcji pola magnetycznego, cewki o specjalnej konstrukcji czy związki chemiczne znakowane fluorem 19F (np. 19F-Fluorouracyl).
Rys. 1 Przykładowy wynik 1H-MRS mózgu dla voxela 12 cm3, zarejestrowany na klinicznym aparacie MRI 3T Źródło: Opracowanie własne.
Innym sposobem zwiększenia czułości badania MRS jest zastosowanie nowej generacji związków kontrastujących – substancji chemicznych znakowanych atomami ulegającymi, w odpowiednich warunkach, hiperpolaryzacji. Hiperpolaryzowane związki kontrastujące emitują sygnał rezonansowy nawet 105 razy silniejszy niż w stanie podstawowym. Stan hiperpolaryzacji uzyskuje się dzięki zjawisku dynamicznej polaryzacji jądrowej DNP (Dynamic Nucler Polarization) [1]. Zjawisko to zostało odkryte w 1953 roku przez Alberta W. Overhausera i nazwane „jądrowym efektem Overhausera” [2]. Prace nad DNP Ardenkjæra-Larsena, Goldmana [3] i Nelson [4] pozwoliły na wprowadzenie tej metody do nauk biomedycznych. W metodzie wykorzystuje się różnicę w magnetyzacji jąder atomowych i elektronów w silnym polu magnetycznym, w temperaturze bliskiej 1 Kelvina (w tych warunkach stopień magnetyzacji elektronów jest bliski 1) [5]. Energia konieczna do przeniesienia polaryzacji z elektronu na jądro atomu jest dostarczana w formie promieniowania mikrofalowego (Rys. 2) [6].
Rys. 2 Schemat procesu DNP. Próbka składająca się z badanego związku (sub), wolnych rodników (e-) i rozpuszczalnika (g) znajduje się w stanie równowagi termicznej. Poddanie próbki promieniowaniu mikrofalowemu prowadzi do transferu polaryzacji z elektronów do związku. Rozpuszczalnik musi zapewnić jednolitą koncentrację próbki i wolnych rodników w objętości próbki.
W kolejnym etapie próbka zawierająca związek chemiczny znakowany hiperpolaryzowanymi atomami musi być szybko przygotowana do podania badanemu (przede wszystkim musi osiągnąć w bardzo krótkim czasie temperaturę pokojową) – proces ten nazywa się dysolucją. Po podaniu dożylnym przeprowadza się badanie metodą rezonansu magnetycznego z wykorzystaniem technik spektroskopii multinuklearnej. Należy zaznaczyć, że w praktyce tylko niektóre związki chemiczne mogą być zastosowane w tej metodzie. Związki te powinny charakteryzować się odpowiednio długim czasem relaksacji T1. Ponadto transport do komórek docelowych oraz procesy metaboliczne, którym podlegają, powinny być szybkie (rzędu kilku, kilkunastu sekund). Dodatkowo obowiązują typowe ograniczenia wynikające z przeciwwskazań do badań z zastosowaniem tomografii rezonansu magnetycznego. W celu prawidłowego odbioru sygnału aparat rezonansu magnetycznego musi być wyposażony w cewki nadawczo-odbiorcze RF, dostrojone do częstotliwości atomu, który uległ hiperpolaryzacji. Wśród atomów najczęściej stosowanych do znakowania związków chemicznych jest 13C; mogą także być wykorzystane 1H, 15N, 29Si czy też 89Y.
Do zarejestrowanych przebiegów procesów metabolicznych można dopasować odpowiadające modele matematyczne. Pozwala to na uzyskanie parametrów ilościowych. W tym celu do przebiegu amplitudowego metabolitów dopasowuje się jednostronny model kompartmentowy (Rys. 3). Zakładając napływ w postaci delty Diraca, otrzymuje się następujący model danych:
gdzie: Reff – efektywna stała relaksacji uwzględniająca efekt relaksacji podłużonej T1 i zaniku hiperpolaryzacji w wyniku pobudzania
Rys. 3 Schemat jednostronnego modelu reakcji pirogronianu (pyr) z metabolitem (m), głównie mleczanami lub alaniną
Otrzymanie parametrów ilościowych możliwe jest po dopasowaniu modelu (1) do danych zarejestrowanych w kolejnych punktach czasowych. Można je uzyskać poprzez zastosowanie sekwencji echa planarnego w obrazowaniu spektroskopowym EPSI (Echoplanar Spectroscopic Imaging) [8] lub obrazowania spiralnego w połączeniu z wielopunktową metodą Dixona [9].
Tabela 1 Przykłady znaczników metabolicznych stosowanych w badaniach DNP-MRS
Wyróżnia się kilka typów związków chemicznych stosowanych obecnie w badaniach przedklinicznych. Jedną z grup są proste substancje endogenne zawierające grupę karboksylową, znakowane zwykle stabilnym izotopem węgla 13C, podlegające określonym procesom metabolicznym w organizmie żywym. Ich dalsze przemiany zależą od aktywności określonych układów enzymatycznych. Przykłady tego typu markerów metabolicznych przedstawiono w tabeli 1. Obecnie jedynym preparatem dopuszczonym przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków FDA (Food and Drug Administration) do stosowania u ludzi jest 13C-pirogronian, stosowany już do badań u chorych na raka prostaty [4]. Zastosowanie pirogronianów w metodzie DNP jest związane z szeregiem korzystnych parametrów zarówno fizyko-chemicznych, jak i biologicznych. Związek ten występuje w organizmie człowieka fizjologicznie, nie powoduje efektów toksycznych, czas relaksacji T1 hiperpolaryzacji wynosi około 60 sekund, co jest wystarczająco długim czasem dla przeprowadzenia dysolucji, podania badanemu, a następnie wykonania badania MRS. Pirogronian jest także podstawowym związkiem chemicznym powstającym w wyniku przemian metabolicznych glukozy – w przebiegu cyklu Krebsa. Podlega on dalszym przemianom w obrębie cytoplazmy lub w mitochondriach. W mitochondriach ulega procesowi dekarboksylacji tlenowej, w wyniku której powstają ATP, dwutlenek węgla i woda. Natomiast w obrębie cytoplazmy może ulec przemianie w kwas mlekowy (w wyniku aktywności enzymu dehydrogenazy mleczanowej) lub w alaninę (w wyniku aktywności enzymu transaminazy alaninowej) (Rys. 4).
Rys. 4 Schemat oddychania komórkowego z kluczowymi dla badania DNP-MRS związkami i enzymami
Typowym wzorcem metabolicznym w komórkach nowotworowych jest przemiana pirogronianów w kwas mlekowy (zjawisko Warburga). Jeśli zatem w badaniu MRS po podaniu pirogronianów (znakowanych hiperpolaryzowanymi atomami 13C w pozycji 1; 113C) stwierdza się wyraźny sygnał wskazujący na obecność znakowanego 13C kwasu mlekowego, należy rozpoznać proces nowotworowy. Natomiast obecność sygnału 13C-alaniny sugeruje zmianę łagodną. Innym związkiem chemicznym często stosowanym w badaniach doświadczalnych jest fumaran (1,4-13C2). Badanie po podaniu tego związku pozwala na ocenę skuteczności leczenia guza nowotworowego – wynikiem przemian fumaranu w obszarach martwicy jest obecność jabłczanu. Często stosowanym
związkiem chemicznym jest także dwuwęglan (H13CO3 −). Stosunek stężenia H13CO3−/13CO2 pozwala na określenie pH tkankowego. Parametr ten należy do jednych z ważniejszych wskaźników złośliwości zmiany nowotworowej. Metoda ta jest stosowana w badaniach doświadczalnych nad chłoniakami. Metoda DNP-MRS znajduje również szerokie zastosowanie w diagnostyce kardiologicznej. Pozwala scharakteryzować procesy metaboliczne zachodzące w komórkach mięśnia sercowego w trakcie niedokrwienia, umożliwia ocenę perfuzji oraz „żywotności” mięśnia sercowego. Określenie metabolizmu mięśnia sercowego może okazać się niezwykle ważnym elementem diagnostyki i leczenia choroby niedokrwiennej serca, jak również kardiomiopatii. Metoda hiperpolaryzacji kontrastów dla badań MRI jest aktualnie na etapie badań przedklinicznych, które prowadzone są w nielicznych ośrodkach medycznych i akademickich, które dysponują niezbędną aparaturą pozwalającą przeprowadzać badania kliniczne z zastosowaniem metody DNP-MRS.
Podziękowania
Publikacja została przygotowana częściowo dzięki finansowaniu ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Projekt PO KL „Technologie Informacyjne: Badania i ich interdyscyplinarne zastosowania”.
Literatura
J.H. Ardenkjaer-Larsen, B. Fridlund, A. Gram, G. Hansson, L. Hansson, et al.: Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR, Proc. Natl. Acad. Sci., 100(18), 2003, 10158-10163. . A.W. Overhauser: Polarization of nuclei in metals, Phys Rev., 92(2), 1953, 411-415. . K. Golman, R.I. Zandt, M. Lerche, R. Pehrson, J.H. Ardenkjaer-Larsen: Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis, Cancer Res., 66(22), 2006, 10855-10860. . S.J. Nelson, J. Kurhanewicz, D.B. Vigneron, P.E. Larson, A.L. Harzstark et al.: Metabolic imaging of patients with prostate cancer using hyperpolarized [1-13C]pyruvate, Sci Transl Med., 5(198), 2013, 198ra108. . F.A. Gallagher, S.E. Bohndiek, M.I. Kettunen, D.Y. Lewis, D. Soloviev, K.M. Brindle: Hyperpolarized 13C MRI and PET: in vivo tumor biochemistry, J Nucl Med., 52(9), 2011, 1333-1336. . S.J. Nelson, D. Vigneron, J. Kurhanewicz, A. Chen, R. Bok, R. Hurd: DNP-Hyperpolarized 13C Magnetic Resonance Metabolic Imaging for Cancer Applications, Appl Magn Reson., 34(3-4), 2008, 533-544. . D.M. Wilson, K.R. Keshari, P.E. Larson, A.P. Chen, S. Hu, et al: Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo, J Magn Reson., 205(1), 2010, 141-147. . S.E. Day, M.I. Kettunen, F.A. Gallagher, D.E. Hu, M. Lerche, et al.: Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy, Nat Med., 13(11), 2007, 1382-1387. . F. Wiesinger, E. Weidl, M.I. Menzel, M.A. Janich, O. Khegai, S.J. Glaser, R.F. Schulte, et al.: IDEAL spiral CSI for dynamic metabolic MR imaging of hyperpolarized [1-13C] pyruvate, Magn Reson Med, 68(1), 2012, 8-16.
Kamil Lorenc1, 2, Marek Cacko3, Michał Nieciecki3, Ewa Zalewska1, Leszek Królicki3, 4
1 Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza PAN, ul. Księcia Trojdena 4, 02-109 Warszawa, tel. +48 22 659 91 43, Kamil.Lorenc@ibib.waw.pl
2 Instytut Podstaw Informatyki PAN, ul. Jana Kazimierza 5, 01-248 Warszawa
3 Zakład Diagnostyki Obrazowej, Mazowiecki Szpital Bródnowski, ul. Kondratowicza 8, 03-242 Warszawa
4 Zakład Medycyny Nuklearnej, Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Banacha 1 a, 02-097 Warszawa, tel. +48 22 599 22 70