Электронно-резонансная томография - Electron resonance imaging

Электронно-резонансная томография ( ЭРИ ) - это доклинический метод визуализации , наряду с позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ), компьютерной томографией (КТ), магнитно-резонансной томографией (МРТ) и другими методами. ERI предназначен для визуализации небольших лабораторных животных, и его уникальной особенностью является способность обнаруживать свободные радикалы . Этот метод также можно использовать для других целей, таких как материаловедение, качество продуктов питания и т. Д.

Для визуализации in vivo ERI является минимально инвазивным методом. Это требует внутривенной инъекции внешних веществ, называемых спиновыми зондами (обычно нитроксид или триарилметиловые соединения). Основным преимуществом метода ERI является возможность картирования параметров микросреды ткани, например парциального давления кислорода (pO2), окислительно-восстановительного статуса, окислительного стресса , концентрации тиола, pH , неорганического фосфора, вязкости и т. Д. ERI обычно используется для исследований в этих областях. в онкологии , нейродегенеративных заболеваний и разработки лекарственных средств.

Источник

ERI - это доклиническое приложение электронной парамагнитно-резонансной томографии (EPRI). Термин «ERI» был введен для того, чтобы отличать коммерческое устройство от устройств EPRI, которые обычно используются в академической сфере.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) предназначена для исследования веществ с неспаренными электронами. Впервые он был введен в 1944 году, примерно в то же время, что и аналогичное явление - ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Из-за аппаратных и программных ограничений ЭПР не развивался так быстро, как ЯМР. Это привело к огромному разрыву между этими двумя методами. Поэтому, чтобы подчеркнуть прорыв в доклинической визуализации, представив EPRI как дополнительный метод к существующим, был введен термин «ERI».

Приложения in vivo

Кислородная визуализация

Одним из многих возможных приложений ERI является возможность измерения абсолютного значения кислорода. Ширина сигнала ЭПР от чувствительных к кислороду спиновых зондов линейно зависит от концентрации кислорода в тканях. Таким образом, информация о содержании кислорода собирается непосредственно с исследуемых участков. Кислородное картирование обычно используется для планирования и повышения эффективности лечения лучевой терапией. Спиновые зонды из тритила являются наиболее подходящими для использования в кислородной визуализации.

Редокс-статус и окислительный стресс

Уникальным свойством ERI является способность отслеживать активные формы кислорода (АФК). Эти частицы универсальны и постоянно образуются в живых организмах. АФК играет особую роль в окислительных и восстановительных механизмах. В нормальном физиологическом состоянии количество АФК контролируется антиоксидантами . Факторы, увеличивающие количество АФК (например, ионизирующее излучение, ионы металлов и т. Д.), Вызовут их перепроизводство. Это состояние приводит к дисбалансу между этими частицами и поэтому называется окислительным стрессом.

Фармакокинетика.

ERI позволяет проводить динамические измерения и трехмерное отслеживание спинового зонда. В этом случае термин «динамика» относится к быстрому повторению процесса визуализации и отслеживанию изменений интенсивности сигнала для каждого местоположения, которое отображается с течением времени. Благодаря высокому временному разрешению и чувствительности метода можно различать фазы притока и оттока спинового зонда, биораспределение и время достижения максимальной концентрации спинового зонда.

Спиновые зонды

В естественных условиях свободные радикалы характеризуются чрезвычайно короткой продолжительностью жизни, поэтому для захвата сигнала ЭПР необходимо доставить внешнюю молекулу со стабильным свободным радикалом. Обычно это происходит путем инъекции в организм животного. Существует два основных класса спиновых зондов, используемых для визуализации: нитроксидные и триарилметильные (ТАМ, тритильные) радикалы.

Нитроксидные радикалы чувствительны к концентрации кислорода, pH, концентрации тиолов, вязкости и полярности. Проблема с этим типом спиновых зондов заключается в их быстром восстановлении, которое иногда приводит к потере сигнала ЭПР. Триарилметильные радикалы характеризуются гораздо большей продолжительностью жизни и повышенной стабильностью по отношению к восстанавливающим и окисляющим биологическим агентам. Они идеально подходят для измерения концентрации кислорода, pH, концентрации тиолов, неорганического фосфата и окислительно-восстановительного статуса.

Хотя вышеупомянутые спиновые датчики являются наиболее популярным выбором, в ERI можно использовать гораздо больше. Одним из многих примеров является меланин - полимерный пигмент, содержащий смесь эумеланина и феомеланина. Это единственное вещество, которое встречается в естественных условиях и позволяет регистрировать сигнал ЭПР без необходимости доставки посторонних спиновых зондов.

использованная литература

  1. ^ Utsumi H, Muto E, Masuda S, Hamada A. Измерение СОЭ свободных радикалов in vivo у целых мышей. Biochem Biophys Res Commun. 1990. 172 (3): 1342–8.
  2. ^ a b c Eaton GR, Eaton SS. Введение в визуализацию ЭПР с использованием градиентов магнитного поля. Концепции Магнитного Резона. 1995. 7 (1): 49–67.
  3. ^ Kotecha, Mrignayani, Борис Epel, Sriram Ravindran, Deborah Dorcemus, Syam Nukavarapu, и Говард Хальперн. (2018). «Неинвазивная кислородная визуализация с абсолютным электронным парамагнитным резонансом для оценки оксигенации тканевого трансплантата» . Тканевая инженерия, часть C: методы . 24 (1): 14–19. DOI : 10,1089 / ten.TEC.2017.0236 . PMC  5756934 . PMID  28844179 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Ян Г, Лэй П, Шуанцюань Цзи, Лян Л, Бутылка SE. Спиновые зонды для электронного парамагнитного резонанса. Китайский научный бюллетень 53 (24): 3777-3789. Декабрь 2008 г.
  5. ^ a b М. Гонет, М. Барановски, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, С. Юрга, М. Муриас Многогармоническая визуализация электронного парамагнитного резонанса как инновационный подход к исследованиям in vivo. Свободный Радич. Биоло. И медик. 152, 271-279, (2020)
  6. ^ a b c d М. Барановский, М. Гонет, Т. Чеховски, М. Кучинска, А. Плевински, П. Щепаник, М. Муриас. Динамическое электронно-парамагнитное резонансное моделирование: современный метод биораспределения и фармакокинетической визуализации . J. Phys. Chem. C 124, 19743-19752, (2020)
  7. ^ Бобко А. А., Eubank TD, Driesschaert B, Храмцов В.В.. Оценка ЭПР in vivo pH, pO2, окислительно-восстановительного статуса и концентраций фосфата и глутатиона в микроокружении опухоли. J Vis Exp. 2018 16 марта; (133).
  8. ^ Лоуренс Дж. Берлинер, Нарасимхам Л. Паринанди (2020). Измерение оксидантов и окислительного стресса в биологических системах, Биологический магнитный резонанс 34 (2020) . Биологический магнитный резонанс. 34 . DOI : 10.1007 / 978-3-030-47318-1 . ISBN 978-3-030-47317-4. PMID  33411425 . S2CID  221071036 .
  9. ^ Цейтлин М., Столин А.В., Гуггилапу П., Бобко А.А., Храмцов В.В., Цейтлин О., Райлман Р.Р. Система комбинированной позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и электронного парамагнитного резонанса (EPRI): первоначальная оценка прототипа сканера. Phys Med Biol. 2018; 63 (10): 105010.
  10. ^ Завойский Э. Спин-магнитный резонанс в парамагнетике. Журнал Физ. Наук СССР. 1945; 9: 211–45.
  11. ^ Перселл Э, Торри Х, Паунд Р. Резонансное поглощение ядерными магнитными моментами в твердом теле. Phys Rev.1946; 69: 37–338.
  12. ^ Элас М, Р Белл, Hleihel D, Barth ЭД, Макфол С, Хейни CR, Bielanska Дж, Pustelny К, Ahn КН, Pelizzari СА, Kocherginsky М, Хальперн HJ. Электронно-парамагнитный резонанс Изображение кислорода Гипоксическая фракция плюс доза излучения сильно коррелируют с излечением опухоли при фибросаркомах FSa. Int J Radiat Oncol. 2008. 71 (2): 542–9.
  13. ↑ Halpern, HJ, C. Yu, M. Peric, E. Barth, DJ Grdina и BA Teicher. (20 декабря 1994 г.). «Глубокая оксиметрия тканей с низкочастотным электронным парамагнитным резонансом». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 91, no. 26 (20 декабря 1994): 13047-51" . Труды Национальной академии наук . 91 (26):. 13047-13051 дои : 10.1073 / pnas.91.26.13047 . PMC  45578 . PMID  7809170 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Elas M и др. Кислородные изображения EPR предсказывают контроль над опухолью с помощью 50% дозы облучения от опухоли. Cancer Res. 2013 1 сентября; 73 (17): 5328-35.
  15. ^ Epel, Борис, Мэтью С. Maggio, Евгений Д. Барт, Ричард К. Миллер, Чарльз А. Pelizzari, Martyna Krzykawska-Serda, Субраманян V Сандрамурти. (Март 2019 г.). «Кислородно-лучевая терапия». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики 103, вып. 4 (15 2019): 977-84" . Международный журнал радиационной онкологии * Биология * Физика . 103 (4): 977-984. DOI : 10.1016 / j.ijrobp.2018.10.041 . ПМК  6478443 . PMID  30414912 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Tormyshev, Виктор Михайлович, Александр Михайлович Генаев, Георгий Евгеньевич Сальников, Ольга Ю. Рогожникова, Татьяна Ивановна Троицкая, Дмитрий В. Трухин, Виктор Иванович Mamatyuk, Дмитрий С. Фадеев, и Говард Дж Хальперн. (2012). «Триарилметанолы, несущие объемные арильные группы, и экспериментальное наблюдение NOESY / EXSY двухкольцевого механизма переворота для обращения спиральности молекулярных пропеллеров». Европейский журнал органической химии 2012, вып. 3 (январь 2012)» . Европейский Журнал органической химии . 2012 (3):. 623-629 DOI : 10.1002 / ejoc.201101243 . PMC  3843112 . PMID  24294110 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Гомберг, М. (1897). «Тетрафенилметан» . Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 30 (2): 2043–2047. DOI : 10.1002 / cber.189703002177 .
  18. ^ Эмото MC, Мацуока Y, Ямада К.И., Сато-Акаба H4, Фуджи HG. Неинвазивная визуализация уровней и эффектов глутатиона на окислительно-восстановительный статус мозга мышей с использованием электронного парамагнитного резонанса. Biochem Biophys Res Commun. 2017 15 апреля; 485 (4): 802-806.
  19. ^ Elas M, Итикава K, Хальперн HJ. Визуализация окислительного стресса у живых животных с помощью методов, основанных на электронном парамагнитном резонансе. Radiat Res. 2012. 177 (4): 514–23.
  20. ^ Фуджи Х., Сато-Акаба Х., Каваниши К., Хирата Х. Картирование окислительно-восстановительного статуса в мышиной модели болезни мозга с помощью трехмерной ЭПР-визуализации: ЭПР-визуализация нитроксидов в голове мыши. Magn Reson Med. 2011. 65 (1): 295–303.
  21. ^ Vanea E, Charlier N, Dewever J, Dinguizli M, Feron O, Baurain JF, Gallez B. Молекулярная электронно-парамагнитная резонансная томография меланина в меланомах: доказательство концепции. ЯМР Биомед. 2008. 21 (3): 296–300.
  22. ^ Charlier N, Desoil M, Gossuin Y, Gillis P, Gallez B. Электронная парамагнитная резонансная томография меланина в медоносной пчеле. Cell Biochem Biophys. 2020 г.

внешние ссылки

ERI Imaging - Метод (Новилет)