vol. 4 4/2015 Inżynier i Fizyk Medyczny
radiologia
\
radiology
184
artykuł
\
article
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, Gold-
mana [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 tempe-
raturze bliskiej 1 Kelvina (w tych warunkach stopień magnetyzacji
elektronów jest bliski 1) [5]. Energia konieczna do przeniesienia po-
laryzacji z elektronu na jądro atomu jest dostarczana w formie pro-
mieniowania mikrofalowego (Rys. 2) [6]. 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 tempe-
raturę pokojową) – proces ten nazywa się dysolucją. Po podaniu
dożylnym przeprowadza się badanie metodą rezonansu magne-
tycznego z wykorzystaniem technik spektroskopii multinuklearnej.
Należy zaznaczyć, że w praktyce tylko niektóre związki che-
miczne mogą być zastosowane w tej metodzie. Związki te po-
winny charakteryzować się odpowiednio długim czasem re-
laksacji T
1
. Ponadto transport do komórek docelowych oraz
procesy metaboliczne, którym podlegają, powinny być szybkie
(rzędu kilku, kilkunastu sekund). Dodatkowo obowiązują typo-
we ograniczenia wynikające z przeciwwskazań do badań z zasto-
sowaniem tomografii rezonansu magnetycznego.
W celu prawidłowego odbioru sygnału aparat rezonansu
magnetycznego musi być wyposażony w cewki nadawczo-od-
biorcze RF, dostrojone do częstotliwości atomu, który uległ
hiperpolaryzacji. Wśród atomów najczęściej stosowanych do
znakowania związków chemicznych jest
13
C; mogą także być wy-
korzystane
1
H,
15
N,
29
Si czy też
89
Y.
Do zarejestrowanych przebiegów procesów metabolicznych
można dopasować odpowiadające modele matematyczne. Po-
zwala to na uzyskanie parametrów ilościowych. W tym celu do
przebiegu amplitudowego metabolitów dopasowuje się jedno-
stronny model kompartmentowy (Rys. 3). Zakładając napływ
w postaci delty Diraca, otrzymuje się następujący model danych:
gdzie:
R
eff
– efektywna stała relaksacji uwzględniająca efekt relaksacji
podłużonej T
1
i zaniku hiperpolaryzacji w wyniku pobudzania
,
,
,
0
0
(1)
0
0
eff P pyr lac
pyr ala
pyr lac
eff L
pyr ala
eff A
R k
k
M
k
R
M
k
R
→ →
→
→
− −
−
=
−
−
Rys. 2
Schemat procesu DNP. Próbka składająca się z badanego związku (sub), wolnych rodni-
ków (e-) i rozpuszczalnika (g) znajduje się w stanie równowagi termicznej.
Poddanie próbki promieniowaniu mikrofalowemu prowadzi do transferu polaryzacji z elek-
tronów do związku. Rozpuszczalnik musi zapewnić jednolitą koncentrację próbki i wolnych
rodników w objętości próbki.
Rys. 3
Schemat jednostronnego modelu reakcji pirogronianu (pyr) z metabolitem
(m), głównie mleczanami lub alaniną
Otrzymanie parametrów ilościowych możliwe jest po dopa-
sowaniu 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 spi-
ralnego w połączeniu z wielopunktową metodą Dixona [9].
Tabela 1
Przykłady znaczników metabolicznych stosowanych w badaniach
DNP-MRS
Związek
Badany szlak metaboliczny
[1-
13
C] Pirogronian
Aktywność PDH
Aktywność LDH
Aktywność ALT
[1,2-
13
C] Pirogronian
Cykl Krebsa
[1-
13
C] Mleczan
Aktywność PDH
Aktywność LDH
Aktywność ALT
[1,4-
13
C]-Fumaran
Nekroza
Aktywność fumarazy
[1-
13
C] Octan
Aktywność acetylotransferazy karnitynowej
Aktywność Acetylo-CoA-syntazy
[2-
13
C] Fruktoza
Aktywność hexokinazy
Ekspresja GLUT5
[UL-
13
C]-Glukoza
Glikoliza
[1-
13
C]-Mocznik
Perfuzja
13
C-Dwuwęglan
pH
Aktywność anahydrazy węglanowej
Witamina-C
Redox
H
2
O
Angiografia
Wyróżnia się kilka typów związków chemicznych stosowa-
nych obecnie w badaniach przedklinicznych. Jedną z grup są
proste substancje endogenne zawierające grupę karboksylową,
