Abstract

Στόχος

Μαγγάνιο (Mn) είναι ένας θετικός παράγοντας αντίθεσης απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) που έχει χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση φυσιολογικές, βιοχημικές και μοριακές βιολογικές πληροφορίες. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον να διευρύνει τις εφαρμογές της, αλλά και μια μεγάλη πρόκληση είναι να αυξηθεί η ευαισθησία ανίχνευσης. Μια άλλη πρόκληση είναι να διακρίνει τις περιοχές του Mn που σχετίζονται με την ενίσχυση του σήματος από το φόντο ιστού με εγγενώς παρόμοια αντίθεση. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, η μελέτη αυτή ερευνά τη χρήση της ηχούς χρόνου ultrashort (UTE) και αφαίρεση UTE (SubUTE) απεικόνισης για πιο ευαίσθητες και ειδικές προσδιορισμό της συσσώρευσης Mn.

Υλικά και Μέθοδοι

Προσομοιώσεις διεξήχθησαν για να διερευνηθεί η σκοπιμότητα της UTE και SubUTE για Mn-ενισχυμένη MRI και για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων απεικόνισης. Φαντάσματα που περιέχουν υδατικά διαλύματα Mn απεικονίστηκαν σε ένα μαγνητικό τομογράφο για να επικυρώσει προσομοιώσεις προβλέψεις. κύτταρα καρκίνου του μαστού που είναι πολύ επιθετικό (MDA-MB-231 και μια πιο επιθετική παραλλαγή LM2) και ένα λιγότερο επιθετική κυτταρική σειρά (MCF7) επισημάνθηκαν με Mn και απεικονίζεται στην MRI. Όλα απεικόνισης πραγματοποιήθηκε σε ένα σαρωτή 3 Tesla και σύγκριση UTE και SubUTE έναντι των συμβατικών

T

1-σταθμισμένη χάλασε gradient echo απεικόνιση (SPGR).

Αποτελέσματα

προσομοιώσεις και απεικόνισης φάντασμα απέδειξαν ότι UTE και SubUTE παρέχεται σταθερή και γραμμική αύξηση της θετικής αντίθεσης σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων Mn, ενώ τα συμβατικά SPGR εμφανίζεται οροπέδιο του σήματος και την ενδεχόμενη μείωση. Μεγαλύτερες γωνίες άλλη είναι η βέλτιστη για την απεικόνιση υψηλότερες συγκεντρώσεις Mn. απεικόνισης καρκινικό κύτταρο μαστού έδειξαν ότι οι UTE και SubUTE παρέχεται υψηλή ευαισθησία, με SubUTE παρέχοντας καταστολή φόντου για βελτιωμένη ειδικότητα και εξαλείφοντας την ανάγκη για ένα προ-αντίθεσης αρχική εικόνα. Η ακολουθία SubUTE επέτρεψε την καλύτερη διάκριση των επιθετικών καρκινικών κυττάρων του μαστού.

Συμπεράσματα

UTE και SubUTE επιτρέπουν πιο ευαίσθητη και εξειδικευμένη ανίχνευση θετικών-αντίθεσης ενίσχυση Mn. Αυτή η δυνατότητα απεικόνισης μπορεί ενδεχομένως να ανοίξει πολλές νέες πόρτες για Mn-ενισχυμένη MRI σε αγγειακές, κυτταρική και μοριακή απεικόνιση

Παράθεση:. Nofiele JT, Cheng H-LM (2013) υπερβραχύ Echo Ώρα για Βελτιωμένη Μαγγάνιο Θετική-Contrast -Βελτιωμένη MRI του Καρκίνου. PLoS ONE 8 (3): e58617. doi: 10.1371 /journal.pone.0058617

Επιμέλεια: Tone Frost Bathen, Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας (NTNU), Νορβηγία

Ελήφθη: 6 Νοέμ, 2012? Αποδεκτές: 5 Φεβ του 2013? Δημοσιεύθηκε: 4, Μάρτη του 2013

Copyright: © 2013 Nofiele, Cheng. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Χρηματοδότηση:. Αυτή η μελέτη υποστηρίχθηκε από τη χρηματοδότηση από το Ίδρυμα SickKids και το Garron Οικογενειακό Κέντρο Καρκίνου Μικρές Grant Ανταγωνισμού. Οι χρηματοδότες δεν είχε κανένα ρόλο στο σχεδιασμό της μελέτης, τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, η απόφαση για τη δημοσίευση, ή την προετοιμασία του χειρογράφου

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

το μαγγάνιο (Mn), ένα σημαντικό μέταλλο για τον οργανισμό μας, είναι μία από τις πρώτες αναφέρθηκαν αντίθεσης παραμαγνητικών παραγόντων για την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) που οφείλεται στην αποτελεσματική ενίσχυση θετική αντίθεση της [1], [2]. Σε αντίθεση με γαδολίνιο, ένα παραμαγνητικό ιόν λανθανιδών εγκριθεί για κλινική χρήση, το μαγγάνιο είναι ένα ενδογενές συστατικό και συμπεριφέρεται σαν ένα αναλογικό ιόντων ασβεστίου που συχνά δρα ως ρυθμιστικό συμπαράγοντας σε έναν αριθμό σημαντικών ενζύμων και υποδοχέων [3]. Η μοναδική βιολογικές ιδιότητες της έχουν επιδέχονται διάφορες εφαρμογές στην λειτουργική και μοριακή απεικόνιση, κυρίως στην απεικόνιση του ήπατος [4], η λειτουργία του εγκεφάλου [5], το έμφραγμα του βιωσιμότητα [6], και, πιο πρόσφατα, τα καρκινικά κύτταρα [7], [ ,,,0],8]. Σε σχεδόν όλες τις εφαρμογές, το πρότυπο πρωτόκολλο είναι ένα

T

1-σταθμισμένη ακολουθία παλμών για την απόκτηση θετικής αντίθεσης σήματος σε περιοχές της συσσώρευσης Mn.

Μια πρόκληση για την επέκταση της εφαρμογής του Μη -Βελτιωμένη MRI είναι η ανάγκη να αυξηθεί η ευαισθησία ανίχνευσης. Μια άλλη πρόκληση είναι να διακρίνει τις περιοχές της θετικής αντίθεση οφείλεται σε Mn συσσώρευσης από άλλους ιστούς με τη φύση παρόμοια ένταση του σήματος. Αυτό είναι ένα δίλημμα σε κάθε είδους απεικόνιση με σκιαγραφικό, και η σύμβαση της χρήσης μιας εικόνας προ-αντίθεση για σύγκριση είναι, σε πολλές περιπτώσεις, πρακτικό, ειδικά όταν η συσσώρευση αντίθεση συμβαίνει αργά και χωρίς σύμπτωση εικόνα γίνεται ένα ζήτημα. Μια μέθοδος που δεν απαιτεί απεικόνισης προ-αντίθεσης και επιτρέπει συγκεκριμένες ακόμα ευαίσθητο προσδιορισμό της συσσώρευσης αντίθεσης είναι επιθυμητή.

υπερβραχύ χρόνος ηχούς (UTE) έχουν ακολουθίες παλμών [9] έχουν εφαρμοστεί σε αρνητικό νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου αντίθεση γι ‘αυτό ακριβή σκοπό: να βελτιωθεί η ευαισθησία ανίχνευσης και ειδικότητα [10], [11]. Σε αντίθεση με τα συμβατικά «μακρύ» echo αλληλουχίες του χρόνου, UTE αποκτά σήμα πολύ σύντομα μετά τη διέγερση. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα οξείδια του σιδήρου, καθώς ελαχιστοποιεί

T

2 και

T

2 *-σχετικών αποσύνθεση του σήματος και θερίζει

T

1 σχετίζονται με την ενίσχυση του σήματος, μετατρέποντας έτσι το συμβατικό «σκοτεινό» οξείδιο του σιδήρου αντίθεση σε ένα «φωτεινό» παράγοντα αντίθεσης. Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό της UTE είναι η δυνατότητα να συνδυάσει

T

1 και

T

2 * αποτελέσματα συνεργικά με την αφαίρεση αργότερα ηχώ από την εικόνα UTE, σχηματίζοντας έτσι ένα UTE αφαίρεση (SubUTE) εικόνα. Με τον τρόπο αυτό, η

T

2 *-σχετικές φθορά σήμα στην αργότερα ηχώ αποτελεσματικά αντιστρέφεται και προστίθεται στο

T

1 σχετίζονται με αύξηση του σήματος στην UTE εικόνα. Αυτή η μέθοδος αφαίρεσης όχι μόνο βελτιώνει την ευαισθησία, αλλά και παρέχει καταστολή φόντου, δεδομένου ότι μόνο περιοχές της συσσώρευσης παράγοντα αντίθεσης θα βιώσουν μεγάλες

T

1 και

T

2 * επιδράσεις. Η χούφτα των ερευνών σε UTE έχει αποδείξει τη χρησιμότητά του για πιο ειδικές και ευαίσθητες απεικόνισης [10], [12], αλλά αυτά έχουν επικεντρωθεί κυρίως σε οξείδια του σιδήρου αρνητικής αντίθεσης. Η χρησιμότητα της UTE για την απεικόνιση άλλων παραγόντων αντίθεσης MRI παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη.

Σε αυτή τη μελέτη, ο στόχος μας ήταν να διερευνηθεί η εφαρμογή της UTE και SubUTE να επιτευχθεί πιο συγκεκριμένη και ευαίσθητη ανίχνευση θετικών-αντίθεσης ενίσχυση Mn. Αν και Mn είναι

T

1-παράγοντα ενίσχυσης και δεν υποφέρει από τα ίδια προβλήματα, όπως τα οξείδια του σιδήρου αρνητική αντίθεσης, στέκεται να επωφεληθούν από πιο συγκεκριμένες και ευαίσθητη ανίχνευση. Μεταξύ παραμαγνητικά σκιαγραφικά μέσα, Mn μπορεί να είναι κατάλληλο μοναδικά να επωφεληθούν από τη συνεργιστική

T

1 και

T

2 * αποτελέσματα της απεικόνισης SubUTE, λόγω της σχετικά μεγάλης επίδρασης σχετικά με την εγκάρσια ρυθμό χαλάρωσης. Αυτή η μελέτη διερευνά τη σκοπιμότητα και τη βελτιστοποίηση της UTE και ανίχνευση SubUTE του Mn μέσω θεωρητικών και φάντασμα μελέτες. Μια μελέτη απόδειξη της έννοιας αποδεικνύεται για Mn-ενισχυμένη απεικόνιση του καρκίνου, δείχνει ότι η απεικόνιση UTE παρέχει ευαίσθητη ανίχνευση των επιθετικών καρκίνων του μαστού, με SubUTE παρέχοντας την καλύτερη εξειδίκευση.

Υλικά και Μέθοδοι

θεωρητικές μελέτες

Η ακολουθία UTE είναι μια ηχώ κακομαθημένο κλίση (SPGR) απόκτηση όπου η ένταση του σήματος περιγράφεται από το ακόλουθο κείμενο σταθερή κατάσταση εξίσωση: (1) όπου ο χρόνος επανάληψης (TR), χρόνος ηχούς (ΤΕ), και άλλη γωνία (θ) είναι ρυθμιζόμενες παραμέτρους απεικόνισης? S

o είναι ένας παγκόσμιος παράγοντας ευαισθησία? και

T

1 και

T

2 * είναι διαμήκη και αποτελεσματικά φορές εγκάρσιας μαγνήτισης χαλάρωση ειδικά για τον ιστό. Το σήμα UTE μπορεί να μοντελοποιηθεί με τον καθορισμό ΤΕ στο μηδέν, δημιουργώντας έτσι ένα καθαρά

T

1-σταθμισμένη εικόνα χωρίς

T

2 *-σχετικών αποσύνθεση του σήματος. Αν μια εικόνα που αποκτήθηκε σε μεταγενέστερο χρόνο ηχούς αφαιρείται από την εικόνα UTE, δηλαδή SubUTE (ΤΕ) = S (UTE) – S (ΤΕ), η προκύπτουσα διαφορά εικόνας παρέχει συνεργιστική

T

1 και

T

2 * αντίθεσης.

με την παρουσία ενός παράγοντα αντίθεσης MRI, όπως Mn,

T

1 και

Τ

2 * προσεγγίζονται από: (2), όπου ο δείκτης «o» δηλώνει την αρχική τιμή (δηλαδή όχι παράγοντας αντίθεσης),

r

1 και

r

2 * είναι των χρόνων παράγοντα αντίθεσης, και [CA] είναι η συγκέντρωση παράγοντα αντίθεσης. Αντίθετα, ή η διαφορά του σήματος που προκαλείται από αυτά τα

T

1 και

T

2 * αλλαγές, μπορεί να προσδιοριστεί από τις Εξ. [1] και [2] ως εξής:

(3) Contrast αξιολογήθηκε για απεικόνιση UTE χρησιμοποιώντας ένα πολύ σύντομο ΤΕ, χρησιμοποιείται μεγαλύτερη ΤΕ τυπικό σε συμβατική απεικόνιση SPGR, και χρησιμοποιώντας SubUTE. Βέλτιστες ρυθμίσεις για TR, ΤΕ, και θ ερευνήθηκαν για διάφορους ιστούς με διαφορετική αρχική τιμή

T

1o και

T

2o * φορές χαλάρωση. Αυτό επιτυγχάνεται με τη μεταβολή TR (6-100 ms), UTE (8-150 μs), μακρύ ΤΕ (0,01 έως 100 ms),

T

1o (300-3000 ms),

Τ

2o * (25-100 ms) για να αξιολογήσει μια σειρά από συγκεντρώσεις Mn (0.001-10 mM).

Φάντασμα Σπουδών

χλωριούχου μαγγανίου (ΜηΟ

2) διαλύματα παρασκευάστηκαν με διάλυση του μαγγανίου (II τετραϋδρίτης) χλωρίδιο (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ΟΝ, Canada) σε νερό σε διάφορες συγκεντρώσεις. Τα διαλύματα τοποθετήθηκαν σε σωλήνες βοριοπυριτικού γυαλιού με διάμετρο 6 mm και ύψος 50 mm. Τα φαντάσματα απεικονίστηκαν σε 3 Tesla μαγνητική τομογραφία σαρωτή (Achieva 3.0T TX, Philips Medical Systems, Best, Ολλανδία) χρησιμοποιώντας ένα 32-κανάλι λήψης μόνο πηνίο κεφάλι. Η

r

1 και

r

2 χρόνων αποκατάστασης του ΜηΟ

2 προσδιορίστηκαν με μέτρηση

T

1 και

Τ

φορές

2 χαλάρωσης σε διαφορετικές ΜηΟ

2 συγκεντρώσεις και τον υπολογισμό της κλίσης παλινδρόμησης.

T

1 μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα 2D turbo αντιστροφής-ανάκτησης spin-echo (ΜΣΕ) ακολουθία: χρόνους αναστροφής (TI) = [50, 100, 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 , 2000, 2500] ms, TR = 3000 ms, ΤΕ = 18,5 ms, παράγοντα ΜΣΕ = 4, 60 χιλιοστά πεδίο-of-view (FOV), πάχος τομής 3 mm, και 0,5 × ανάλυση 0,5 mm σε-αεροπλάνο.

T

2 μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα πολυ-ηχώ spin-echo ακολουθία: TR = ms 2000, 32 αντηχεί με ΤΕ = [7.63, 15.3, …, 244] ms, 60 χιλιοστά FOV, 3 χιλιοστά πάχος τομής, και 0,5 × 0,5 χιλιοστά ανάλυση σε αεροπλάνο. Η χαλαρότητα

r

2 υποκαταστάθηκε για

r

2 * στην Εξ. [2] ως μία πρώτη προσέγγιση για τη μελέτη phantom. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αν και αυτή η υπόθεση ισχύει για ελεύθερα διασκορπισμένα σωματίδια [13], [14], μπορούμε να περιμένουμε

r

2 * να είναι υψηλότερη από ό, τι

r

2 όταν Mn είναι συγκεντρωμένα μέσα στα κύτταρα, με βάση στοιχεία από τη βιβλιογραφία το οξείδιο του σιδήρου που

r

2 * & gt? & gt?

r

2 κατά την κυτταρική εσωτερίκευση [ ,,,0],15] – [17]. Αυτό το σημείο συζητείται πληρέστερα στη συζήτηση.

Η ακολουθία UTE είχε τρέξει στα φαντάσματα χρησιμοποιώντας μια ακολουθία κλίσης-echo σταθερή κατάσταση 3D μεταβάλλοντας ΤΕ (από 90 μs έως 10 ms) και θ (10, 30, 50, και 70 °) με TR καθορίζεται σε 30 ms. Ως ένα βήμα προετοιμασίας, η κλίση κανάλια προσεκτικά βαθμονομημένη για την ελαχιστοποίηση των off-συντονισμού αντικείμενα, και η καθυστέρηση μελωδία του πηνίου χαρακτηρίζεται για το συντομότερο χρόνο ενεργοποίησης. Multi-echo δεδομένων με ακτινικές ανάγνωση στη συνέχεια απέκτησε με τις ακόλουθες παραμέτρους: 60 χιλιοστά κυβικά FOV, πάχος τομής 3 mm, και 0,5 × 0,5 mm σε-επίπεδο ανάλυσης, και ένα μέσο σήμα. Για σύγκριση, μια συμβατική εξαγορά 3D SPGR πραγματοποιήθηκε επίσης, χρησιμοποιώντας την ίδια TR και θ όπως στην απόκτηση UTE και τον καθορισμό ΤΕ = 2,83 ms (συντομότερη).

κυττάρων καρκίνου του μαστού Μελέτες

Για να διερευνηθεί η αξία της UTE για την απεικόνιση επιβαλλόμενης αντίθεσης Mn σε βιολογικά συστήματα, θα επισημαίνονται τρεις διαφορετικές κυτταρικές σειρές καρκίνου του μαστού με ΜηΟΙ

2. Οι τρεις καρκίνοι του μαστού ήταν 231 /LM2-4, MDA-MB-231, και MCF-7. Τα πρώτα δύο είναι πιο επιθετικοί από MCF-7, με 231 //LM2-4 είναι μια ιδιαίτερα μεταστατική παραλλαγή των κυττάρων MDA-MB-231 που παράγεται στο εργαστήριο Kerbel [18]. Οι άλλες δύο κυτταρικές σειρές ελήφθησαν από την ATCC (American Tissue Culture Collection, Manassas, VA, USA). Αυτές οι κυτταρικές σειρές θα αναφέρεται στο εξής ως LM2, MDA, και MCF7, αντίστοιχα. Όλα τα κύτταρα αναπτύχθηκαν σε RPMI 1640-μέσο (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ΟΝ, Canada) συμπληρωμένο με 10% ορό εμβρύου μόσχου και 0,5% πενικιλίνη streptomicin. Τα κύτταρα συλλέχθηκαν με πλύσιμο 80-90% συρροή φιάλες με PBS και προσθέτοντας 0,05% θρυψίνη EDTA (Gibco, Carlsbad, CA, USA). Τα κύτταρα επωάστηκαν για 1 ώρα με μέσο που περιέχει διάφορες συγκεντρώσεις του ΜηΟ

2 ενώ ήταν στην εκθετική φάση ανάπτυξης, μετά την οποία ξεπλύθηκαν με φρέσκο ​​μέσο και επεξεργασία με θρυψίνη όπως περιγράφηκε παραπάνω. Οι σβώλοι κυττάρων στη συνέχεια παρασκευάστηκαν με φυγοκέντρηση σε 440 g για 10 λεπτά στις ίδιες σωλήνες βοριοπυριτικού γυαλιού που χρησιμοποιείται για φάντασμα απεικόνισης. Αμέσως μετά, η MRI πραγματοποιήθηκε σε καρκινικού κυττάρου μαστού σφαιρίδια σε ένα σαρωτή 3 Tesla MRI όπως περιγράφηκε προηγουμένως, χρησιμοποιώντας μια σειρά από TES (90 μs έως 10 ms) και θ (10, 30, 50, και 70 °).

ανάλυση δεδομένων

δεδομένα μαγνητική τομογραφία μεταφέρθηκε σε ανεξάρτητο σταθμό εργασίας για την ανάλυση των ποσοτικών δεδομένων με τη χρήση του λογισμικού in-house αναπτυχθεί σε Matlab (v.7.8) (MathWorks, Natick, ΜΑ). Για τον υπολογισμό των

r

1 και

r

2 χρόνων αποκατάστασης του ΜηΟ

2, περιοχές ενδιαφέροντος (ROI που) είχαν περιγράφονται στο κέντρο κάθε γυάλινο φιαλίδιο σε κάθε εικόνα και μια καμπύλη έντασης σήματος που λαμβάνεται σε κάθε θέση εικονοστοιχείου μέσα στο ROI ως συνάρτηση της TI (για

T

1 μέτρηση) ή ΤΕ (για

T

2 μέτρηση).

T

1 χαλάρωσης χρόνο ποσοτικά σε ένα pixel-σοφός βάση από την τοποθέτηση ένταση του σήματος στη λειτουργία

Μια

×