Inżynier i Fizyk Medyczny 4/2015 vol. 4
radiologia
/
radiology
185
artykuł
/
article
znakowane zwykle stabilnym izotopem węgla
13
C, podlegające
określonym procesom metabolicznym w organizmie żywym. Ich
dalsze przemiany zależą od aktywności określonych układów
enzymatycznych. Przykłady tego typu markerów metabolicz-
nych przedstawiono w tabeli 1. Obecnie jedynym preparatem
dopuszczonym przez Amerykańską Agencję ds. Żywności i Le-
ków FDA (
Food and Drug Administration
) do stosowania u ludzi
jest
13
C-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 T
1
hiperpolaryzacji wynosi około
60 sekund, co jest wystarczająco długim czasem dla przepro-
wadzenia 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 prze-
mianom w obrębie cytoplazmy lub w mitochondriach. W mito-
chondriach ulega procesowi dekarboksylacji tlenowej, w wy-
niku 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 ala-
ninowej) (Rys. 4).
Typowym wzorcem metabolicznym w komórkach nowo-
tworowych jest przemiana pirogronianów w kwas mlekowy
(zjawisko Warburga). Jeśli zatem w badaniu MRS po podaniu
pirogronianów (znakowanych hiperpolaryzowanymi atomami
13
C w pozycji 1; 1
13
C) stwierdza się wyraźny sygnał wskazujący
na obecność znakowanego
13
C kwasu mlekowego, należy rozpo-
znać proces nowotworowy. Natomiast obecność sygnału
13
C-a-
laniny sugeruje zmianę łagodną.
Innym związkiem chemicznym często stosowanym w bada-
niach doświadczalnych jest fumaran (1,4-
13
C
2
). Badanie po po-
daniu tego związku pozwala na ocenę skuteczności leczenia
guza nowotworowego – wynikiem przemian fumaranu w ob-
szarach martwicy jest obecność jabłczanu. Często stosowanym
związkiem chemicznym jest także dwuwęglan (H
13
CO
3
−). Stosu-
nek stężenia H
13
CO
3
−
/
13
CO
2
pozwala na określenie pH tkankowe-
go. 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 pro-
cesy metaboliczne zachodzące w komórkach mięśnia sercowe-
go w trakcie niedokrwienia, umożliwia ocenę perfuzji oraz „ży-
wotności” mięśnia sercowego. Określenie metabolizmu mięśnia
sercowego może okazać się niezwykle ważnym elementem dia-
gnostyki i leczenia choroby niedokrwiennej serca, jak również
kardiomiopatii.
Metoda hiperpolaryzacji kontrastów dla badań MRI jest ak-
tualnie na etapie badań przedklinicznych, które prowadzone są
w nielicznych ośrodkach medycznych i akademickich, które dys-
ponują niezbędną aparaturą pozwalającą przeprowadzać bada-
nia kliniczne z zastosowaniem metody DNP-MRS.
Podziękowania
Publikacja została przygotowana częściowo dzięki finansowaniu ze
środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Spo-
łecznego. Projekt PO KL „Technologie Informacyjne: Badania i ich
interdyscyplinarne zastosowania”.
Literatura
1.
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.
2.
A.W. Overhauser:
Polarization of nuclei in metals
, Phys Rev.,
92(2), 1953, 411-415.
3.
K. Golman, R.I. Zandt, M. Lerche, R. Pehrson, J.H. Ardenkjae-
r-Larsen:
Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic re-
sonance imaging for in vivo tumor diagnosis
, Cancer Res., 66(22),
2006, 10855-10860.
4.
S.J. Nelson, J. Kurhanewicz, D.B. Vigneron, P.E. Larson, A.L. Ha-
rzstark et al.:
Metabolic imaging of patients with prostate cancer
using hyperpolarized [1-13C]pyruvate
, Sci Transl Med., 5(198),
2013, 198ra108.
5.
F.A. Gallagher, S.E. Bohndiek, M.I. Kettunen, D.Y. Lewis, D. Solo-
viev, K.M. Brindle:
Hyperpolarized 13C MRI and PET: in vivo tumor
biochemistry
, J Nucl Med., 52(9), 2011, 1333-1336.
6.
S.J. Nelson, D. Vigneron, J. Kurhanewicz, A. Chen, R. Bok,
R. Hurd:
DNP-Hyperpolarized 13C Magnetic Resonance Metabo-
lic Imaging for Cancer Applications
, Appl Magn Reson., 34(3-4),
2008, 533-544.
7.
D.M. Wilson, K.R. Keshari, P.E. Larson, A.P. Chen, S. Hu, et al:
Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous as-
sessment of multiple enzymatic activities in vivo
, J Magn Reson.,
205(1), 2010, 141-147.
8.
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.
9.
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.
Rys. 4
Schemat oddychania komórkowego z kluczowymi dla badania DNP-MRS
związkami i enzymami