PLoS ONE: Ultrakort Echo Tid til Forbedret Positiv-Contrast Mangan-MRI af Cancer

Abstrakt

Målsætning

Mangan (Mn) er en positiv magnetisk resonans imaging (MRI) kontrastmiddel, som er blevet anvendt til at opnå fysiologiske, biokemiske og molekylærbiologiske information. Der er stor interesse for at udvide sine programmer, men en stor udfordring er at øge afsløring følsomhed. En anden udfordring er at skelne regioner af Mn-relaterede signal forstærkning fra baggrund væv med iboende lignende kontrast. For at overvinde disse begrænsninger, denne undersøgelse undersøger brugen af ​​ultrakort ekko tid (UTE) og subtraktion UTE (SubUTE) billeddannelse til mere følsom og specifik bestemmelse af Mn akkumulation.

Materialer og metoder

Simuleringer blev udført for at undersøge muligheden for UTE og SubUTE for Mn-forstærket MRI og optimere imaging parametre. Fantomer indeholdende vandige Mn opløsninger blev afbildet på en MR scanner til at validere simuleringer forudsigelser. Brystkræftceller, der er meget aggressive (MDA-MB-231 og en mere aggressiv variant LM2) og en mindre aggressiv cellelinie (MCF7) blev mærket med Mn og afbildes på MRI. Alle imaging blev udført på en 3 Tesla scanner og sammenlignet UTE og SubUTE mod konventionel

T

1-vægtet forkælet gradient ekko (SPGR) billeddannelse.

Resultater

Simuleringer og fantom imaging viste, at UTE og SubUTE forudsat vedvarende og lineært stigende positiv kontrast over en bred vifte af Mn koncentrationer, mens konventionel SPGR viste signal plateau og eventuel nedgang. Højere flip vinkler er optimale til billeddannelse højere Mn koncentrationer. Brystkræft cell imaging viste, at UTE og SubUTE billede høj følsomhed, med SubUTE leverer baggrundsafblænding for forbedret specificitet og eliminerer behovet for en pre-kontrast baseline billede. Den SubUTE sekvens tillod det bedste skelnen af ​​aggressive brystkræftceller.

Konklusioner

UTE og SubUTE tillade mere følsom og specifik positiv kontrast detektering af Mn ekstraudstyr. Denne imaging evne kan potentielt åbne mange nye døre for Mn-forstærket MRI i vaskulær, cellulær og molekylær billeddannelse

Henvisning:. Nofiele JT, Cheng H-LM (2013) Ultrakort Echo Tid til Forbedret Positiv-Contrast Mangan Enhanced MRI of Cancer. PLoS ONE 8 (3): e58617. doi: 10,1371 /journal.pone.0058617

Redaktør: Tone Frost Bathen, The Norges teknisk-naturvidenskabelige universitet (NTNU), Norge

Modtaget: November 6, 2012; Accepteret: 5 feb 2013; Udgivet: Marts 4, 2013 |

Copyright: © 2013 Nofiele, Cheng. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Denne undersøgelse blev støttet af midler fra SickKids Foundation og The Garron Family Cancer Centre Lille Grant Konkurrence. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Mangan (Mn), et essentielt metal for vores krop, er en af ​​de tidligste indberettede paramagnetiske kontrastmidler til magnetisk resonans billeddannelse (MRI) på grund af dens effektive positive kontrastforbedring [1], [2]. I modsætning gadolinium, en paramagnetisk lanthanidion godkendt til klinisk anvendelse, mangan er et endogent bestanddel og opfører sig som en calciumion analog, der ofte virker som en regulerende cofaktor i en række vigtige enzymer og receptorer [3]. Dens unikke biologiske egenskaber har lånt sig til forskellige applikationer i funktionel og molekylær billeddannelse, især i billeddannelse leveren [4], hjernens funktion [5], myokardie levedygtighed [6], og på det seneste, cancerceller [7], [ ,,,0],8]. I næsten alle applikationer, standard protokol er en

T

1-vægtet puls sekvens for at opnå positivt signal kontrast i områder af Mn akkumulation.

En udfordring at udvide anvendelsen af ​​Mn Enhanced MR er behovet for at øge afsløring følsomhed. En anden udfordring er at skelne regioner af positiv kontrast grundet Mn ophobning fra andre væv med iboende lignende signal intensitet. Dette er et dilemma i nogen form for kontrast-forstærket imaging, og konventionen af ​​at bruge en pre-kontrast billede til sammenligning er i mange tilfælde, upraktiske, især når kontrast ophobning sker langsomt og billede fejlregistrering bliver et problem. En metode, der ikke kræver forudgående kontrastbilledteknik og tillader specifik endnu følsom bestemmelse af kontrast akkumulation er ønskelig.

Ultrakort ekkotid (UTE) impulssekvenser [9], er blevet anvendt på negative kontrast jernoxidpartikler nanopartikler til denne præcis formål: at forbedre afsløring sensitivitet og specificitet [10], [11]. I modsætning til konventionelle “lange” echo tid sekvenser, UTE erhverver signalet meget hurtigt efter excitation. Dette er særligt relevant for jernoxider, da det minimerer

T

2 og

T

2 * -relateret signal henfald og høster

T

1-relateret signal forstærkning, og derved dreje konventionelle “mørke” kontrast jernoxid i en “lys” kontrastmiddel. Et andet unikt træk ved UTE er evnen til at kombinere

T

1 og

T

2 * virkninger synergistisk ved at subtrahere senere ekkoer fra UTE billedet, hvorved der dannes en subtraktion UTE (SubUTE) billede. Dermed

T

2 * relateret signal henfald på det senere ekko effektivt vendt, og tilføjet til

T

1-relateret signal stigning på UTE billede. Denne subtraktion metode ikke kun forbedrer følsomheden, men også giver baggrundsafblænding, da kun områder af kontrastmiddel ophobning ville opleve store

T

1 og

T

2 * effekter. Den håndfuld undersøgelser UTE har vist sin nytteværdi for mere specifik og følsom billeddannelse [10], [12], men disse har primært fokuseret på negativ kontrast jernoxider. Nytten af ​​UTE til billeddannelse andre MRI-kontrastmidler er stort set uudforsket.

I denne undersøgelse vores mål var at undersøge anvendelsen af ​​UTE og SubUTE at opnå en mere specifik og følsom positiv kontrast detektering af Mn ekstraudstyr. Selvom Mn er en

T

1-middel og ikke lider under de samme spørgsmål som negativ kontrast jernoxider, det står at drage fordel af mere specifik og følsom detektion. Blandt paramagnetiske kontrastmidler, kan Mn entydigt egnet til at drage fordel af den synergistiske

T

1 og

T

2 * effekter af SubUTE billedbehandling, på grund af en forholdsvis stor effekt på den tværgående relaktionsrate. Denne undersøgelse undersøger mulighederne og optimering af UTE og SubUTE detektion af Mn gennem teoretiske og fantom studier. En proof-of-concept studie demonstreres for Mn-forstærket kræft imaging, der viser, at UTE billedbehandling giver følsom påvisning af aggressive brystkræft, med SubUTE giver den bedste specificitet.

Materialer og metoder

teoretiske studier

UTE sekvens er en forkælet gradient ekko (SPGR) erhvervelse hvor signalet intensitet er beskrevet ved følgende steady-state ligningen: (1), hvor gentagelse tid (TR), echo tid (TE), og flipvinkel (θ) er justerbare imaging parametre; S

o er et globalt følsomhed faktor; og

T

1 og

T

2 * er langsgående og effektive tværgående magnetisering afslapning gange specifikke til vævet. Den UTE signal kan modelleres ved at indstille TE til nul, og dermed skabe et rent

T

1-vægtet billede uden

T

2 * -relateret signal forfald. Hvis et billede erhvervet på et senere ekkotid subtraheres fra UTE billedet, dvs. SubUTE (TE) = S (UTE) – S (TE), det resulterende forskel billedet giver synergistisk

T

1 og

T

2 * kontrast.

Ved tilstedeværelse af en MRI-kontrastmiddel, såsom Mn,

T

1 og

T

2 * er tilnærmet med: (2), hvor sænket ‘o’ betegner baseline (dvs. ingen kontrastmiddel),

r

1 og

r

2 * er kontrastmiddel relaxiviteter, og [CA] er kontrastmiddel koncentration. Kontrast, eller signalet forskel induceret af disse

T

1 og

T

2 * ændringer, kan bestemmes ud fra ligning. [1] og [2] som følger:

(3) kontrast blev evalueret for UTE billeddannelse under anvendelse af en meget kort TE, anvendes en længere TE typisk i konventionel SPGR billeddannelse, og ved hjælp SubUTE. Optimale indstillinger for TR, TE, og θ blev undersøgt for forskellige væv med forskellig baseline

T

1o og

T

2o * afslapning gange. Dette blev opnået ved at variere TR (6-100 ms), UTE (8-150 mikrosekunder), lang TE (0,01-100 ms),

T

1o (300-3000 ms),

T

2o * (25-100 ms) til at vurdere en række Mn koncentrationer (0,001-10 mM).

Phantom Studies

Mangan chlorid (MnCl

2) blev fremstillet ved opløsning af mangan (II) chlorid tetrahydrat (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ON, Canada) i vand ved forskellige koncentrationer. Opløsningerne blev anbragt i borsilikat glasrør med en diameter på 6 mm og en højde på 50 mm. De fantomer blev afbildet på en 3 Tesla MR scanner (ACHIEVA 3.0T TX, Philips Medical Systems, Best, Holland) ved hjælp af en 32-kanals modtager kun hoved spole.

r

1 og

r

2 relaxiviteter af MnCl

2 blev bestemt ved at måle

T

1 og

T

2 afslapning gange på forskellige MnCl

2 koncentrationer og beregning af regression hældning.

T

1 blev målt under anvendelse af en 2D inversion-recovery turbo spin-ekko (TSE) sekvens: inversion gange (TI) = [50, 100, 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 , 2000, 2500] ms, TR = 3000 ms, TE = 18,5 ms, TSE faktor = 4, 60 mm field-of-view (FOV), 3 mm skive tykkelse og 0,5 × 0,5 mm in-plane opløsning.

T

2 blev målt ved hjælp af en multi-ekko spin-ekko sekvens: TR = 2000 ms, 32 ekkoer med TE = [7,63, 15,3, …, 244] ms, 60 mm FOV, 3 mm skivetykkelse og 0,5 × 0,5 mm in-plane opløsning. Den relaksivitet

r

2 blev erstattet af

r

i Eq

2 *. [2] som en første tilnærmelse for phantom undersøgelse. Det er vigtigt at bemærke, at selv om denne antagelse er sandt for frit dispergerede partikler [13], [14], kan vi forvente,

r

2 * at være højere end

r

2, når Mn er grupperet i celler, baseret på dokumentation fra jernoxid litteratur,

r

2 *

r

2 på celle internalisering [ ,,,0],15] – [17]. Dette punkt diskuteres mere indgående i Discussion.

UTE sekvens blev kørt på fantomer ved hjælp af en 3D steady-state gradient-ekko sekvens ved at variere TE (fra 90 mikrosekunder til 10 ms) og θ (10, 30, 50, og 70 °) med TR fastsat til 30 ms. Som forberedelse skridt blev gradient kanaler omhyggeligt kalibreret for at minimere off-resonans artefakter, og melodien forsinkelse af spolen blev karakteriseret i kortest skiftetid. Multi-ekko data med radial udlæsning blev derefter erhvervet med følgende parametre: 60 mm cubic FOV, skivetykkelse 3 mm og 0,5 × 0,5 mm i planet opløsning, og en signal gennemsnit. Til sammenligning blev en konventionel erhvervelse 3D SPGR også udført med samme TR og θ som i købet UTE og indstilling TE = 2,83 ms (korteste).

Breast Cancer Cell Studies

Til undersøge værdien af ​​UTE for positiv kontrast billeddannelse af Mn i biologiske systemer, vi mærkede tre forskellige brystcancercellelinier med MnCl

2. De tre brystkræft var 231 /LM2-4, MDA-MB-231, og MCF-7. De første to er mere aggressive end MCF-7, med 231 //LM2-4 være en meget metastatisk variant af MDA-MB-231 genereret i Kerbel lab [18]. De andre to cellelinjer blev opnået fra ATCC (American Tissue Culture Collection, Manassas, VA, USA). Disse cellelinier vil herefter blive omtalt som LM2, MDA, og MCF7 hhv. Alle celler blev dyrket i 1640 RPMI-medium (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ON, Canada) suppleret med 10% kalvefosterserum og 0,5% penicillin streptomicin. Celler blev høstet ved at vaske 80-90% konfluerende kolber med PBS og tilsætning 0,05% trypsin EDTA (Gibco, Carlsbad, CA, USA). Celler blev inkuberet i 1 time med medium indeholdende forskellige koncentrationer af MnCl

2, mens de var i den eksponentielle vækstfase, hvorefter de blev skyllet med frisk medium og trypsinbehandlet som beskrevet ovenfor. Cellepellets blev derefter fremstillet ved centrifugering ved 440 g i 10 minutter i samme borsilikat glasrør, der anvendes til phantom billeddannelse. Umiddelbart efter, MRI blev udført på brystkræft cellepellets på en 3 Tesla MR scanner som tidligere beskrevet, under anvendelse af en række TES (90 mikrosekunder til 10 ms) og θ (10, 30, 50, og 70 °).

Dataanalyse

MR-data blev overført til en uafhængig arbejdsstation til analyse af kvantitative data ved hjælp in-house software udviklet i Matlab (v.7.8) (MathWorks, Natick, MA). For at beregne de

r

1 og

r

2 relaxiviteter af MnCl

2, regioner af interesse (ROIs) blev skitseret i midten af ​​hvert glas hætteglas på hvert billede og et signal intensitet kurve opnået ved hver pixel placering i ROI som funktion af TI (for

T

1 måling) eller TE (for

T

2 måling).

T

1 afslapning tid blev kvantificeret på en pixel-wise grundlag ved at montere signal intensitet til funktionen

En

× | 1-2 × exp (-Ti /

T

1) + exp (-TR /

T

1) |, hvor

En

T

1 er frie parametre.

T

2 afslapning tid blev kvantificeret på en pixel-wise basis af montering signal intensitet til en mono-eksponentielt henfald funktion tilføjet til en konstant forskydning at tage højde for støj. Den gennemsnitlige

T

1 og

T

2 i ROI blev beregnet sammen med standardafvigelser. Relaxiviteter

r

1 og

r

2 blev bestemt ved lineær regressionsanalyse af ændringen i middelværdi afslapning satser (1 /

T

1 og 1 /

T

2) versus Mn koncentration. For alle fantom og brystkræft celle billeddata blev sammenligninger blandt forskellige sekvenser foretaget på en ROI basis.

Resultater

Målte relaksiviteten konstanter vandig MnCl

2 ved 3 Tesla er

r

1 = 7,4 mM

-1S

-1 og

r

2 = 117 mM

-1S

-1 (Figur 1 ). Bemærk en meget højere

r

2 /

r

1 ratio i forhold til Gd-baserede paramagnetiske stoffer, hvor

r

2 /

r

1-forhold er nogenlunde enighed. Konsekvensen af ​​en stor

r

2 /

r

forhold

1 er tilstedeværelsen af ​​

T

2-relateret signal henfald ved højere kontrastmidler koncentrationer. Mens dette er suboptimal for positiv kontrast imaging og indsnævrer det koncentrationsområde, hvor ekstraudstyr kan høstes, det giver også en mulighed for yderligere kontrast mekanismer, der tilbydes af SubUTE billeddannelse.

Afslapning satser 1 /

T

1 og 1 /

T

2 versus MnCl

2-koncentration. Vist er middelværdier og standardafvigelser i hver region af interesse. Relaxiviteter

r

1 og

r

2 er beregnet ud fra lineær regression skråninger (

R

2 = 0,9997 for

r

1;.

R

2 = 0,9995 for

r

2)

Simuleringer sammenligner ydeevnen af ​​konventionelle

T

1-vægtet SPGR versus UTE (dvs. SPGR med en meget kort TE) og SubUTE er vist i figur 2, 3, 4. Figur 2 illustrerer SubUTE kontrast som funktion af TR, UTE,

T

1o og

T

2o *. Bemærk, at kun TR har en væsentlig indflydelse på positionen af ​​toppen af ​​den positive kontrast. Figur 3 sammenligner den relative kontrast af konventionel

T

1-vægtet SPGR versus SubUTE genereret af Mn ved koncentrationer på 0,1, 1 og 3 mM som en funktion af TE og θ. Til illustrative formål blev en TR på 30 ms valgt, da denne værdi var i overensstemmelse med de billeddannende krav (dvs. imaging volumen og skive tykkelse) af de i-vitro undersøgelser. I begge figurerne 2 og 3, er kontrast isocontours udtrykkes i forhold til den maksimale kontrast opnåelige for hver koncentration. Bemærk også, at selv om en række TES er vist op til 100 ms, den maksimale relevante TE i en bestemt situation må ikke være større end TR. Det centrale formål med figur 3 er at vise, hvordan du optimerer kontrasten, afhængigt af Mn rækkevidde. Generelt er nødvendige for at maksimere kontrasten ved højere Mn højere koncentrationer flip vinkler, og som vist i figur 2, er den optimale flipvinkel tæt koblet til TR. Den optimale TE for positiv SubUTE kontrast (dvs. længere TE) og den optimale θ er relativt uafhængige af vævet baseline

T

2o * og udviser en afhængighed af

T

1o kun ved meget lav kontrast koncentrationer mindre end 0,1 mM (data ikke vist). Figur 4 giver et andet perspektiv for at sammenligne de forskellige sekvenser ved at vise signalintensitet som funktion af Mn-koncentration. Som det ses også i figur 3, en højere flipvinkel giver mere lineær signalforstærkning ved højere koncentrationer. Vigtigst, Figur 4 viser klart, at både UTE og SubUTE giver meget mere lineær og vedvarende signal ekstraudstyr, selv i regimet, hvor signalet plateau ikke kan undgås på konventionelt

T

1-vægtet SPGR.

Den relative kontrast SubUTE for forskellige A) TR, B) UTE (dvs. korteste ekko tid), C) baseline væv

T

1o, og D) baseline væv

T

2o * for en Mn-koncentration på 1,0 mM. Hvor parametre holdes konstant, blev følgende værdier anvendes som supplement til målte relaxiviteter af MnCl

2: TR = 30 ms, UTE = 90 mikrosekunder,

T

1o = 1000 ms, og

T

2o * = 47 ms. Relative kontrast udtrykkes i forhold til den maksimale kontrast opnået på UTE. TR ses at have den største indflydelse på den optimale flipvinkel og TE (dvs. længere sekunder ekko).

Beregninger var baseret på TR = 30 ms, målt relaxiviteter af MnCl

2, og baseline væv

T

1o = 1000 ms og

T

2o * = 47 ms. For at sammenligne relative kontrast SPGR versus SubUTE, kontrast isocontours udtrykkes i forhold til den maksimale kontrast opnåelige for hver koncentration. En √2 støj straffespark blev tegnede sig for i forskellen signal om en SubUTE billede. For SubUTE plots blev den første ekko indstillet til 90 mikrosekunder og den anden længere ekko benævnes TE. Det ses, at SPGR giver positiv kontrast med korte TES (herunder UTE) og negative kontrast ved længere Tes, mens SubUTE giver strengt positiv kontrast.

Signal intensitet versus MnCl

2 koncentration for UTE ( stiplet linje) med TE = 90 mikrosekunder, SubUTE (fuldt optrukket linie) med TES = 90 mikrosekunder og 10 ms, og konventionel SPGR (stiplet linje) med TE = 2,83 ms. Beregninger var baseret på TR = 30 ms og baseline væv

T

1o = 1000 ms og

T

2o * = 47 ms. En √2 støj straffespark blev tegnede sig for i forskellen signal om en SubUTE billede. Det ses, at højere flip vinkler θ give større positiv kontrast høj MnC

2 koncentrationer.

Phantom resultater bekræftede teoretiske forudsigelser. Konventionel

T

1-vægtet SPGR lider signal plateau og eventuel signal fald, mens både UTE og SubUTE give vedvarende og stigende positiv kontrast med højere Mn koncentration. Figur 5 sammenligner signalintensitet på de forskellige sekvenser for θ = 50 °. De ekstraudstyr mønstre ligner simulering resultater.

Signal-støj i MnCl

2 fantomer versus MnCl

2 koncentration for UTE (stiplet linje) med TE = 90 mikrosekunder, SubUTE (fuldt optrukket linie ) med TES = 90 mikrosekunder og 10 ms, og konventionel SPGR (stiplet linje) med TE = 2,83 ms. Vist er middelværdier og standardafvigelser i hver region af interesse.

Brystkræft cell imaging resultater er vist i figur 6. Resultaterne er vist for θ = 50 °, da denne flipvinkel gav største kontrast ændringer på tværs af de forskellige inkubationstider koncentrationer. Det ses, at de to aggressive cellelinjer, LM2 (øverste række) og MDA (midterste række), optager meget mere Mn end MCF7 (nederste række), og derfor er mørke på

T

2-vægtet FSE og lyse på konventionel

T

1-vægtet SPGR. Bemærk, at fordi vi begrænset kontrast dosis til maksimalt 1,0 mM Mn til mærkning celler, har vi ikke indtastet signal plateau regime. Ikke desto mindre er det klart, at selv om konventionelle

T

1-vægtet SPGR viser forskelle mellem kræft cellelinjer, den UTE sekvens giver lidt højere signal. Ved at tilføje synergistisk kontrast mekanismer fra

T

2 * virkninger, den SubUTE sekvens understreger yderligere forskelle i Mn optagelse mellem aggressive og mindre aggressive kræftformer. SubUTE giver den bedste skelnen af ​​aggressive brystkræft af alle sekvenser, og kun det giver samtidig baggrund væv undertrykkelse.

Meget aggressive brystkræft LM2 (øverste række) og MDA (midterste række) og mindre aggressiv MCF7 (nederste række ) inkuberes med MnCl

2 i forskellige koncentrationer vises som billeder (venstre kolonne) og signal-støj (SNR) plots (højre kolonne). SNR plots præsentere middelværdier og standardafvigelser i hver region af interesse. Cell optagelse af Mn ses som negativ kontrast på

T

2-vægtet FSE og positiv kontrast til andre sekvenser. UTE (TE = 90 mikrosekunder) giver relativt højere signal end konventionelle

T

1-vægtet SPGR. SubUTE (TE = 90 mikrosekunder og 10 ms) undertrykker umærket eller baggrund væv og også undertrykker lav [Mn] ophobning, og giver den bedste kontrast mellem aggressive og mindre aggressive brystkræft.

Diskussion

UTE sekvens har været værdifuldt for at forbedre visualiseringen af ​​normalt mørke vises jernoxid nanopartikler og væv med kort

T

2 og

T

2 * ( fx knogle) ved at dreje negativ kontrast til positiv kontrast. Selvom MnCl

2 har

T

1 forbedrer egenskaber og deler ikke de samme problemer med negative kontrast jernoxider, som UTE er overvejende anvendt, følsomhed og specificitet af Mn-forstærket MRI kan gavn af UTE billedbehandling på grund af sin karakteristiske høje

r

2 /

r

1 ratio. I denne undersøgelse undersøgte vi gennem teoretisk, fantom og brystcancer celle studerer påvisning af Mn på UTE og SubUTE billeddannelse. Det vises, at UTE og SubUTE udvide spektret af Mn koncentrationer over hvilke positive kontrast opretholdes og forbliver lineært stigende, sammenlignet med konventionel SPGR der lider betydeligt

T

2 * effekter ved højere koncentrationer. Denne evne ikke blot forbedrer detektionsfølsomhed, men kan potentielt tilvejebringe et middel til kvantificering kontrast koncentrationer. Det er også vist, at fordi SubUTE er en subtraktion teknik, er baggrund væv undertrykkes effektivt, hvilket kan muliggøre en mere specifik bestemmelse af Mn akkumulering i en kontrast-forstærket undersøgelse uden anvendelse af en præ-kontrast baseline billede. Da Mn har en relativ høj

r

2 /

r

1 ratio

, kan SubUTE billedet giver endnu større kontrast end UTE når

T

1 og

T

2 * effekter gør sammenlignelige bidrag, generelt fundet ved højere Mn koncentrationer; dette opnås ved at kombinere normalt antagonistisk

T

1 og

T

2 * effekter i en synergistisk måde. Resultater i Mn-mærkede brystkræftceller viser, at SubUTE opnår den bedste skelnen af ​​lyse forekommende aggressive kræftformer fra mindre aggressive kræftformer, der har lignende kontrast som baggrund væv.

Vores teoretiske undersøgelse viser, at en optimal UTE og SubUTE kontrast kræver tuning flip vinkel og TE til den række af Mn koncentrationer under overvejelse. For eksempel højere koncentrationer af Mn translate til en lavere

T

1, hvilket betyder, at en højere flipvinkel er nødvendig for at opnå maksimal positiv kontrast. Det andet ekko anvendes til at danne SubUTE billedet bør ideelt ligge i de 10 ms spænder. Både den optimale flipvinkel og TE er primært bestemt af Mn-koncentration og TR. Bemærk i figur 3, at den lavere kontrast i SubUTE signal i forhold til SPGR (eller UTE) signal skyldes dels en √2 støj straf i en SubUTE forskel image og dels på grund af en stærk

T

1 effekt i forhold til

T

2 *. På trods af dette lavere følsomhed, SubUTE giver den største specificitet alle sekvenser.

Phantom imaging bekræftet teoretiske forudsigelser af signal plateau og eventuel signal fald på konventionel SPGR, mens UTE og SubUTE forudsat fortsat positiv kontrast ekstraudstyr op til [Mn] = 3,2 mM, den maksimale testede koncentration. Optimale indstillinger for flipvinkel og TE svarede til simulering resultater, med θ = 50 ° giver den optimale UTE og SubUTE kontraster over et bredt område af koncentrationer.

Brystkræft cell imaging bekræftede også, at UTE tilbudt bedre følsomhed og SubUTE bedre specificitet Mn-forbedrede aggressive celler end konventionel SPGR. Der er dog nogle tydelige forskelle fra phantom studier. For det første har Mn koncentrationsområde inkubationsmediet var meget lavere (op til 1 mM) for undersøgelserne celle-mærkning, som vores mål var at bruge så lav en dosis som muligt på celler. Over dette koncentrationsområde, teori forudsiger, at konventionel SPGR endnu ikke er trådt signalet plateau regime ses i fantom studiet, som vores celle billeddiagnostiske resultater bekræftet at være tilfældet. Men teorien forudsiger også en optimal flipvinkel mindre end 50 ° for de lavere koncentrationer anvendes til mærkning celler. Denne forskel tyder på en højere

r

2 * relaksivitet end forudsagt, hvilket potentielt forårsaget af ophobning af Mn til en større koncentration i celler og /eller dannelse af Mn klynger. For fuldt ud at forklare og præcist forudsige kontrast mekanismer i et cellulært miljø, er vi nødt til at forstå, hvordan Mn distribuerer inden for disse celler. En bedre forståelse af disse virkninger er vigtig for fremtidige in-vivo applikationer, men er ikke omfattet af denne artikel. På trods af denne uoverensstemmelse, er det klart, at selv i celler, den SubUTE tilgang er i stand til at høste synergistisk

T

1 og

T

2 * effekter ved højere Mn koncentrationer og give den bedste afsløring specificitet.

uoverensstemmelsen i det cellulære miljø nævnt ovenfor fremhæver en fundamental udfordring, når der simulerer in vitro eller in vivo miljø, nemlig afvigelsen af ​​kontrastmidlet distribution fra idealet om fri spredning . Vi brugte en måling af

r

2 som en første tilnærmelse til

r

2 *, primært fordi nøjagtig måling af

r

2 * er udfordrende og udsat for variationer fra en række forskellige kilder. Men denne antagelse sandsynligvis ikke holde gang Mn internaliseres. Som rapporteret i jernoxid litteratur,

r

2 *

r

2, når nanopartikler opdelte i celler i forhold til fri suspension [15] – [ ,,,0],17]. Selvom Mn er ikke det samme som jernoxider, kan vi postulere et lignende fænomen. Det vil sige, når Mn internaliseres af celler, er det ikke fordele sig ensartet, men i stedet akkumuleres i visse subcellulære strukturer, såsom mitokondrier og danner klynger. Som et resultat af opdeling,

r

1 vil falde på grund af begrænset vandudskiftning og

r

2 * vil stige på grund af mesoskopiske heterogeniteter fra bulk-magnetiske modtagelighed effekter. For at optimere UTE og SubUTE billeddannelse til celle studier, vil det fremtidige arbejde nødt til at undersøge fordelingen af ​​Mn i celler, hvordan fordelingen varierer med forskellige celletyper, og effekten på

r

2 og

r

2 * fra varierende Mn koncentration og distribution.

Bortset fra fordelene ved at give positiv kontrast og øget følsomhed under visse omstændigheder, måske den mest praktisk fordel af SubUTE in vivo er baggrundsafblænding , der effektivt eliminerer behovet for en pre-kontrast billede. Konventionen af ​​fratrække en præ-kontrast baseline billede fra kontrasten forbedret billede er besværligt, men er gjort til specifikt at lokalisere områder af kontrastmiddel akkumulation. Men basislinjen ofte ikke kan være helt co-registreret, enten på grund af patientens bevægelse eller fordi kontrast injektion blev gjort dage tidligere. Med SubUTE fremgangsmåde kun én sekvens køre og kontrasten materiale kan lokaliseres hvor det har bevæget sig i kroppen og til enhver tid, selv dage efter kontrast injektion.

Anvendelsen af ​​Mn har fået fornyet interesse som en MR-kontrastmiddel på grund af muligheden for at afledte detaljerede fysiologiske, biokemiske og molekylær biologiske oplysninger [3]. I denne undersøgelse har vi præsenteret en ny ansøgning om Mn-forstærket MRI: vurdere aggressivitet af kræftceller. Vores resultater viser, at vores nye begreb hjælp Mn at bestemme brystkræft aggressivitet er mulig og at den bedste skelnen af ​​aggressiv versus mindre aggressive celler opnås ved anvendelse af SubUTE. Fremtidige undersøgelser vil involvere udvikle den foreslåede metode in vivo, hvor der skal tages hensyn til sikker kontrast doseringer og forskelle i det cellulære miljø (fx celle tæthed) og afvigelse relaxiviteter fra in vitro scenarie i at optimere UTE og SubUTE billeddannelse. Ud over den viste værdi af UTE for billedbehandling kræft, er det vores håb, at med UTE som en ny imaging kapacitet til mere følsom og specifik påvisning af Mn, vil mange flere programmer tilknyttet Mn-forstærket MRI udforskes og udvikles til at karakterisere biologiske systemer.

konklusioner

i denne undersøgelse har vi indført en ny anvendelse af UTE og SubUTE billeddannelse til Mn-forstærket MRI. Selvom Mn er i sagens natur en positiv kontrast

T

1 agent, UTE og SubUTE forbedre afsløring følsomhed i forhold til konventionelle SPGR, og de gør det muligt vedvarende og lineær positiv kontrast forstærkning over et bredt udvalg af Mn koncentrationer, selv ved høje koncentrationer, hvor signalet normalt ville plateau eller falde. Den SubUTE sekvens giver yderligere specificitet Mn akkumulering ved at fjerne baggrund væv og endda øget følsomhed under visse omstændigheder ved at kombinere normalt antagonistisk

T

1 og

T

2 * effekter. Kontrast lokalisering på SubUTE kræver ikke en pre kontrast baseline billede, hvilket er en betydelig fordel i enhver kontrast-forstærket eksamen.

Tak

Vi takker Melanie S. Kotys-Traughber fra Philips Healthcare , Cleveland, Ohio, USA, for at gennemføre UTE sekvens.