Abstract
Mål
Mangan (Mn) er en positiv magnetic resonance imaging (MRI) kontrastmiddel som har vært brukt for å oppnå fysiologiske, biokjemiske og molekylære biologisk informasjon. Det er stor interesse for å utvide sine søknader, men en stor utfordring er å øke deteksjonsfølsomhet. En annen utfordring er å skille områder av Mn-relaterte signalforsterkning fra bakgrunnen vev med iboende lignende kontrast. For å overvinne disse begrensningene, undersøker denne studien bruk av ultra ekko tid (UTE) og subtraksjon UTE (SubUTE) bildebehandling for mer sensitiv og spesifikk bestemmelse av Mn opphopning.
Materialer og metoder
Simuleringer ble utført for å undersøke mulighetene for UTE og SubUTE for Mn-MR-undersøkelse og for å optimalisere bildeparametere. Phantoms inneholder vandige Mn løsninger ble fotografert på en MR skanner for å validere simuleringer spådommer. Brystkreft celler som er meget aggressive (MDA-MB-231, og en mer aggressiv variant LM2) og en mindre aggressiv cellelinje (MCF7) ble merket med Mn og avbildes på MR. All tenkelig ble utført på en tre Tesla skanner og sammenlignet UTE og SubUTE mot konvensjonell
T
1 vektet bortskjemte gradient ekko (SPGR) bildebehandling.
Resultater
simuleringer og phantom bildebehandling viste at UTE og SubUTE gitt vedvarende og lineært økende positiv kontrast over et bredt spekter av Mn konsentrasjoner, mens konvensjonelle SPGR vises signal platå og eventuell nedgang. Høyere flip vinkler er optimale for avbildning høyere Mn konsentrasjoner. Brystkreftcelle avbildning vist at UTE og SubUTE gitt høy følsomhet, med SubUTE som gir fjerning av bakgrunnen for forbedret spesifisitet og eliminerer behovet for et pre-kontrast referansebilde. Den SubUTE sekvens tillatt best æren av aggressive brystkreftceller.
Konklusjoner
UTE og SubUTE tillate mer sensitiv og spesifikk positiv kontrast deteksjon av Mn ekstrautstyr. Denne bildekapasitet kan potensielt åpne mange nye dører for Mn-forsterket MR i vaskulær, cellulær og molekylær avbildning
Citation. Nofiele JT, Cheng H-LM (2013) Ultra Echo Tid for Forbedret Positive-Contrast Mangan -Enhanced MR av kreft. PLoS ONE 8 (3): e58617. doi: 10,1371 /journal.pone.0058617
Redaktør: Tone Frost Bathen, Norsk teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), Norge
mottatt: 06.11.2012; Godkjent: 05.02.2013; Publisert: 04.03.2013
Copyright: © 2013 Nofiele, Cheng. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Denne studien ble støttet av midler fra SickKids Foundation og The Garron Family Cancer Centre Lie Grant Competition. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Mangan (Mn), en viktig metall for kroppen vår, er en av de tidligste rapporterte paramagnetisk kontrastmidler for magnetisk resonans imaging (MRI) på grunn av sin effektive positive kontrastforbedring [1], [2]. I motsetning til gadolinium, et paramagnetisk ion lantanid er godkjent for klinisk bruk, er mangan en endogen bestanddel og oppfører seg som et kalsium-ion-analog som ofte virker som et regulatorisk kofaktor i en rekke viktige enzymer og reseptorer [3]. Dens unike biologiske egenskaper har lånt seg til ulike applikasjoner i funksjonell og molekylær avbildning, spesielt i bildebehandling leveren [4], hjernefunksjon [5], myokardviabilitet [6], og nå nylig, kreftceller [7], [ ,,,0],8]. I praktisk talt alle programmer, er standardprotokollen en
T
1 vektet pulssekvens for å oppnå positivt signal kontrast i områder med Mn opphopning.
En utfordring å utvide anvendelsen av Mn -enhanced MR er behovet for å øke deteksjonsfølsomhet. En annen utfordring er å skille regioner i positiv kontrast på grunn av Mn opphopning fra andre vev med iboende lignende signalintensitet. Dette er et dilemma i noen form for kontrast forbedret bildebehandling, og konvensjonen for å bruke en pre-kontrastrikt bilde for sammenligning er, i mange tilfeller, upraktisk, spesielt når kontrast akkumulering oppstår langsomt og bilde feilregistrering blir et problem. En metode som ikke krever pre-kontrast bildebehandling og tillater bestemt ennå sensitive fastsettelse av opphopning kontrast er ønskelig.
Ultra ekko tid (UTE) pulssekvenser [9] har blitt brukt til negative kontrast jernoksid nanopartikler for dette presise formål: å forbedre deteksjon sensitivitet og spesifisitet [10], [11]. I motsetning til konvensjonelle «lange» ekko tidssekvenser, kjøper UTE signal ganske snart etter eksitasjon. Dette er spesielt relevant for jernoksider, som det minimerer
T
2 og
T
2 * -relaterte signal råte og høster
T
1-relatert signalforsterkning, og dermed snu den konvensjonelle «mørke» kontrast jernoksid inn i en «lys» kontrastmiddel. En annen unik funksjon i UTE er evnen til å kombinere
T
1 og
T
2 * effekter synergi ved å trekke senere ekko fra UTE bildet, og dermed danne en subtraksjon UTE (SubUTE) bilde. Ved å gjøre det,
T
2 * -relaterte signal forfallet ved senere ekko effektivt snudd og lagt til
T
1 relaterte signal økning på UTE bilde. Dette subtraksjon metoden ikke bare forbedrer følsomheten, men gir også bakgrunn undertrykkelse, siden bare deler av kontrastmiddel opphopning ville oppleve stor
T
1 og
T
2 * effekter. Den håndfull undersøkelser UTE har vist sin nytteverdi for mer spesifikke og sensitive bildebehandling [10], [12], men disse har fokusert primært på negativ kontrast jernoksider. Nytten av UTE for avbildning andre MR-kontrastmidler forblir stort sett uutforsket.
I denne studien, vårt mål var å undersøke anvendelsen av UTE og SubUTE å oppnå mer spesifikk og sensitiv positiv kontrast deteksjon av Mn ekstrautstyr. Selv Mn er et
T
1 fremmende middel, og ikke lider av de samme problemene som negativ kontrast jernoksider, står det å dra nytte av mer spesifikk og sensitiv deteksjon. Blant paramagnetiske kontrastmidler, kan Mn være entydig egnet til å dra nytte av synergi
T
1 og
T
2 * effektene av SubUTE bildebehandling, på grunn av en relativt stor effekt på tverrgående avslapping rate. Denne studien undersøker gjennomførbarhet og optimalisering av UTE og SubUTE påvisning av Mn gjennom teoretiske og fantom studier. En proof-of-concept studier vises for Mn forbedret kreft imaging, viser at UTE bildebehandling gir sensitiv påvisning av aggressiv brystkreft, med SubUTE gi best spesifisitet.
Materialer og metoder
teoretiske studier
UTE sekvens er en bortskjemt gradient ekko (SPGR) oppkjøp der signalintensitet er beskrevet av følgende steady-state ligning: (1) hvor repetisjon tid (TR), ekko tid (TE), og flip vinkel (θ) er justerbare bildeparametere; S
o er en global følsomhet faktor; og
T
1 og
T
2 * er langsgående og effektive transversale magnetisering avslapping ganger spesifikke for vevet. Den UTE signal kan modelleres ved å sette TE til null, og dermed skape et rent
T
1-vektet bilde uten
T
2 * -relaterte signal forfall. Hvis et bilde anskaffet på et senere ekko tid trekkes fra UTE bildet, dvs. SubUTE (TE) = S (UTE) – S (TE), gir det resulterende forskjellsbildet synergis
T
1 og
T
2 * kontrast.
i nærvær av en MRI-kontrastmiddel som Mn,
T
1 og
T
2 * må tilnærmes med: (2) hvor senket «o» betegner baseline (dvs. ingen kontrastmiddel),
r
1 og
r
2 * er kontrastmiddel relaksiviteter, og [CA] er middelkonsentrasjon kontrast. Kontrast, eller signalet forskjell indusert av disse
T
1 og
T
2 * endringer, kan bestemmes fra ligningene. [1] og [2] som følger:
(3) Kontrast ble evaluert for UTE avbildning ved hjelp av en meget kort TE, ved hjelp av en lengre TE typisk i konvensjonelle SPGR avbildning, og ved hjelp av SubUTE. Optimale innstillinger for TR, TE, og θ ble undersøkt for ulike vev med forskjellig baseline
T
1o og
T
2o * avspennings ganger. Dette ble oppnådd ved å variere TR (6-100 ms), UTE (8-150 ms), lang TE (0,01-100 ms),
T
1o (300-3000 ms),
T
2o * (25-100 ms) for å vurdere en rekke Mn konsentrasjoner (0,001-10 mm).
Phantom studier
Manganese chloride (MnCl
2) oppløsninger ble fremstilt ved oppløsning av mangan (II) -klorid-tetrahydrat (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ON, Canada) i vann ved forskjellige konsentrasjoner. Oppløsningene ble plassert i borosilikat glassrør med en diameter på 6 mm og høyde på 50 mm. Fantomene ble fotografert på en 3 Tesla MR skanner (Achieva 3.0T TX, Philips Medical Systems, Best, Nederland) med en 32-kanals får bare hodet spiral.
r
1 og
r
2 relaksiviteter av MnCl ble bestemt
2 ved å måle
T
1 og
T
2 avspennings ganger på forskjellige MnCl
2 konsentrasjoner og beregne regresjon skråning.
T
1 ble målt ved bruk av et 2D inversjon-utvinning turbo spinn-ekko (TSE) sekvens: inversjon ganger (TI) = [50, 100, 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500 , 2000, 2500] ms, TR = 3000 ms, TE = 18,5 ms, TSE faktor = 4, 60 mm felt-of-view (FOV), 3 mm skive tykkelse og 0,5 × 0,5 mm i planet oppløsning.
T
2 ble målt ved hjelp av en multi-ekko spin-ekko sekvens: TR = 2000 ms, 32 ekko med TE = [7.63, 15.3, …, 244] ms, 60 mm FOV, 3 mm skivetykkelse, og 0,5 x 0,5 mm i planet oppløsning. Relaksiviteten
r
2 ble byttet ut med
r
2 * i Eq. [2] som en første tilnærming for fantom studien. Det er viktig å merke seg at selv om denne antakelsen er sant for fritt spredt partikler [13], [14], kan vi forvente
r
2 * til å være høyere enn
r
2 når Mn er gruppert inni cellene, basert på bevis fra jernoksid litteraturen at
r
2 *
r
2 på celleintern [ ,,,0],15] – [17]. Dette punktet er beskrevet nærmere i diskusjonen.
UTE sekvensen ble kjørt på fantomene ved hjelp av en 3D-steady-state gradient-ekko sekvens ved å variere TE (fra 90 ms til 10 ms) og θ (10, 30, 50, og 70 °) med TR fast på 30 ms. Som en forberedelse trinn, ble gradient kanaler nøye kalibrert for å minimere off-resonans gjenstander og melodi forsinkelse på spolen var preget for den korteste koblingstiden. Multi-ekkodata med radial avlesning ble deretter overtatt med følgende parametre: 60 mm kubisk FOV, 3 mm skivetykkelse, og 0,5 x 0,5 mm i-plan oppløsning, og en signal gjennomsnitt. Til sammenligning ble en konvensjonell 3D SPGR oppkjøpet også utført, med samme TR og θ som i UTE oppkjøpet og sette TE = 2,83 ms (korteste).
Breast Cancer Cell Studier
Å undersøke verdien av UTE for positiv kontrast avbildning av Mn i biologiske systemer, merket vi tre forskjellige brystkreftcellelinjer med MnCl
2. De tre brystkrefttilfeller var 231 /LM2-4, MDA-MB-231 og MCF-7. De to første er mer aggressiv enn MCF-7, med 231 //LM2-4 å være en meget metastatisk variant av MDA-MB-231 som genereres i Kerbel laboratoriet [18]. De andre to cellelinjer ble erholdt fra ATCC (American Tissue Culture Collection, Manassas, VA, USA). Disse cellelinjene blir heretter referert til som LM2, MDA, og MCF7, respektivt. Alle celler ble dyrket i RPMI 1640-medium (Sigma-Aldrich Canada Inc., Oakville, ON, Canada) supplert med 10% føtalt bovint serum og 0,5% penicillin streptomicin. Cellene ble høstet ved vasking av 80-90% konfluente kolber med PBS og tilsetning av 0,05% trypsin-EDTA (Gibco, Carlsbad, CA, USA). Cellene ble inkubert i 1 time med medium inneholdende forskjellige konsentrasjoner av MnCl
2 mens de var i den eksponensielle vekstfase, hvoretter de ble skylt med friskt medium og trypsinert som beskrevet ovenfor. Cellepelletene ble deretter fremstilt ved sentrifuger ved 440 g i 10 minutter i den samme borsilikatglass-rør som benyttes for fantom-avbildning. Umiddelbart etter, MRI ble utført på brystkreftcellepelletene på en 3 Tesla MR-skanner som beskrevet tidligere, ved anvendelse av en rekke tes (90 ms til 10 ms) og θ (10, 30, 50, og 70 °).
data Analysis
MRI data ble overført til en uavhengig arbeidsstasjon for kvantitative data analyse ved hjelp av intern programvare utviklet i Matlab (v.7.8) (MathWorks, Natick, MA). For å beregne de
r
1 og
r
2 relaksiviteter av MnCl
2, regioner av interesse (Rois) ble skissert i midten av hver hetteglass på hvert bilde og en signalintensitet kurve oppnådd ved hver piksel sted i ROI som en funksjon av TI (for
T
1 måling) eller TE (for
T
2 mål).
T
en tid for avslapping ble kvantifisert på en piksel-messig basis ved å montere signalintensitet til funksjonen
En
× | 1-2 × exp (-TI /
T
1) + exp (-TR /
T
1) |, der
A
og
T
1 er frie parametere.
T
2 avslapping tid ble kvantifisert på en piksel-messig grunnlag av passende signalintensiteten til en mono-eksponentiell lagt til en konstant offset til å gjøre rede for støy. Gjennomsnittlig
T
1 og
T
2 innenfor ROI ble beregnet sammen med standardavvik. Relaksiviteter
r
1 og
r
2 ble bestemt ved lineær regresjonsanalyse av endringen i gjennomsnittlig avslapping priser (1 /
T
1 og 1 /
T
2) versus Mn konsentrasjon. For alle fantom og brystkreft cellebildedata, ble sammenligninger mellom ulike sekvenser gjort på en ROI basis.
Resultater
Målte relaksiviteten konstanter av vandig MnCl
2 på 3 Tesla er
r
1 = 7,4 mM
-1s
1 og
r
2 = 117 mm
-1s
1 (figur 1 ). Merk en mye høyere
r
2 /
r
1 ratio i forhold til Gd-baserte paramagnetiske midler der
r
2 /
r
1 ratio er omtrent enhet. Konsekvensen av en stor
r
2 /
r
1 ratio er tilstedeværelsen av
T
2 relaterte signal forfall på høyere kontrast konsentrasjoner. Selv om dette er suboptimalt for positiv kontrast bildebehandling og forminsker konsentrasjonsområdet hvor ekstrautstyr kan høstes, det gir også en mulighet for ytterligere kontrastmekanismer som tilbys av SubUTE bildebehandling.
Avslapping priser 1 /
T
1 og 1 /
T
2 versus MnCl
2 konsentrasjon. Vist er middelverdier og standardavvik i hver region-of-interesse. Relaksiviteter
r
1 og
r
2 er beregnet ut fra lineær regresjon bakker (
R
2 = 0,9997 for
r
1;.
R
2 = 0,9995 for
r
2)
Simuleringer som sammenligner resultatene av konvensjonell
T
1-veid SPGR versus UTE (dvs. SPGR med en meget kort TE) og SubUTE er vist i figurene 2, 3, 4. Figur 2 illustrerer SubUTE kontrast som funksjon av TR, UTE,
T
1o og
T
2o *. Legg merke til at bare TR har en betydelig effekt på posisjonen av toppen positiv kontrast. Figur 3 sammenligner den relative kontrast til konvensjonelle
T
1-veid SPGR versus SubUTE generert av Mn i konsentrasjoner på 0.1, 1 og 3 mM som en funksjon av TE og θ. For illustrative formål, ble en TR på 30 ms valgt, da denne verdien var konsistent med de bildedannende kravene (dvs. avbildning volum og skivetykkelse) av de in-vitro-studier. I begge figurene 2 og 3, er kontrast isocontours uttrykt i forhold til den maksimalt oppnåelige kontrast for hver konsentrasjon. Legg også merke til at selv om en rekke tes er vist opp til 100 ms, er den maksimale aktuelle TE i en bestemt situasjon kan ikke være større enn TR. Det viktigste formålet med figur 3 er å vise hvordan du kan optimalisere kontrast avhengig av Mn rekkevidde. Generelt vil høyere flip-vinkler er nødvendig for å maksimere kontrasten ved høyere Mn-konsentrasjoner, og, som vist i figur 2, er den optimale vinkel flip tett koblet til TR. Den optimale TE for positiv SubUTE kontrast (dvs. lengre TE) og optimal θ er relativt uavhengig av vevet baseline
T
2o * og viser en avhengighet av
T
1o bare ved meget lave konsentrasjoner kontrast mindre enn 0,1 mM (data ikke vist). Figur 4 gir et annet perspektiv for å sammenligne de forskjellige sekvenser ved å vise signalintensiteten som en funksjon av Mn-konsentrasjonen. Som det sees også på figur 3, tilveiebringer en høyere flippvinkel mer lineær signalforsterkning ved høyere konsentrasjoner. Viktigst, Figur 4 viser tydelig at både UTE og SubUTE gi mye mer lineær og vedvarende signal forbedring, selv i regimet der signalet platået ikke kan unngås på konvensjonell
T
1 vektet SPGR.
Den relative kontrasten SubUTE for ulike A) TR, B) UTE (dvs. korteste ekko tid), C) baseline vev
T
1o, og D) baseline vev
T
2o * for en Mn konsentrasjon på 1,0 mM. Hvor parametre blir holdt konstant, ble følgende verdier benyttes i tillegg til målte relaksiviteter av MnCl
2: TR = 30 ms, UTE = 90 us,
T
1o = 1000 ms, og
T
2o * = 47 ms. Relativ kontrasten er uttrykt i forhold til den maksimale kontrast oppnås på UTE. TR er sett til å ha størst innflytelse på den optimale flip vinkel og TE (dvs. lenger andre ekko).
Beregningene var basert på TR = 30 ms, målt relaksiviteter av MnCl
2, og baseline vev
T
1o = 1000 ms og
T
2o * = 47 ms. Å sammenligne relative kontrasten SPGR versus SubUTE, kontrast isocontours er uttrykt i forhold til maksimal kontrast oppnåelig for hver konsentrasjon. En √2 støy straffe ble redegjort for forskjellen signal om en SubUTE bilde. For SubUTE plott, ble det første ekko settes til 90 mikrosekunder, og den andre lengre ekko betegnes som TE. Det er sett at SPGR gir positiv kontrast med korte tes (inkludert UTE) og negativ kontrast på lengre tes, mens SubUTE gir strengt positiv kontrast.
Signal intensitet versus MnCl
2 konsentrasjonen for UTE ( stiplet linje) med TE = 90 ms, SubUTE (heltrukket linje) med tes = 90 ms og 10 ms, og konvensjonell SPGR (stiplet linje) med TE = 2,83 ms. Beregningene var basert på TR = 30 ms og baseline vev
T
1o = 1000 ms og
T
2o * = 47 ms. En √2 støy straffe ble redegjort for forskjellen signal om en SubUTE bilde. Det er sett at høyere flip vinkler q gi større positiv kontrast av høy MnCl
2 konsentrasjoner.
Phantom Resultatene bekreftet teoretiske forutsigelser. Konvensjonell
T
1 vektet SPGR lider signal platå og eventuell signal nedgang, mens både UTE og SubUTE gi varig og økende positiv kontrast med høyere Mn konsentrasjon. Figur 5 sammenligner signalintensiteten på de forskjellige sekvenser for q = 50 °.
Signal-til-støy i MnCl
2 fantomer versus MnCl
2 konsentrasjonen for UTE (stiplet linje) med TE = 90 ms, SubUTE (heltrukket linje forbedring mønstrene er lik simulering resultater. ) med tes = 90 ms og 10 ms, og konvensjonell SPGR (stiplet linje) med TE = 2,83 ms. Vist er middelverdier og standardavvik for hver region interesse.
brystkreftcelleavbildnings Resultatene er vist i figur 6. Resultatene er vist for θ = 50 °, da dette flip vinkel ga største kontrast endringer på tvers av de ulike ruge konsentrasjoner. Det er sett at de to aggressive cellelinjer, LM2 (øverste rad) og MDA (midterste rad), tar opp mye mer Mn enn MCF7- (nederste rad), og derfor vises mørkt på
T
2-vektet FSE og lyse på konvensjonell
T
1 vektet SPGR. Merk at fordi vi begrenset kontrast dosen til maksimalt 1,0 mM Mn for merking celler, vi har ikke angitt signalet platået regime. Likevel er det klart at selv om konvensjonell
T
1 vektet SPGR viser forskjeller blant kreftcellelinjer, gir UTE sekvensen litt høyere signal. Ved å legge til synergiskontrastmekanismer fra
T
2 * effekter, den SubUTE sekvens ytterligere understreker forskjellene i Mn opptak mellom aggressive og mindre aggressive kreftformer. SubUTE gir best æren av aggressive brystkrefttilfeller i alle sekvenser, og bare det gir samtidig bakgrunn vev undertrykkelse.
Svært aggressiv brystkreft LM2 (øverste rad) og MDA (midterste rad) og mindre aggressive MCF7- (nederste rad ) inkubert med MnCl
2 i forskjellige konsentrasjoner vises som bilder (venstre kolonne) og signal-til-støy (SNR) plott (høyre kolonne). SNR tomter presentere gjennomsnittsverdier og standardavvik i hver region-of-interesse. Cell opptak av Mn er sett på som negativ kontrast på
T
2-vektet FSE og positiv kontrast på andre sekvenser. UTE (TE = 90 ms) gir relativt høyere signal enn konvensjonell
T
1 vektet SPGR. SubUTE (TE = 90 ms og 10 ms) undertrykker umerket eller bakgrunn vev og også undertrykker lav [Mn] akkumulering, og gir den beste kontrasten mellom aggressive og mindre aggressive brystkreft.
Diskusjoner
UTE sekvens har vært verdifullt for å bedre visualisering av normalt mørk vises jernoksid nanopartikler og vev med kort
T
2 og
T
2 * ( for eksempel ben) ved å dreie negativ kontrast til positiv kontrast. Selv MnCl
2 har
T
1 fremmende egenskaper, og deler ikke de samme problemene med negative kontrast jernoksider som UTE er overveiende påført, sensitivitet og spesifisitet av Mn-forsterket MR kan nytte UTE bildebehandling på grunn av sin karakteristiske høye
r
2 /
r
1 ratio. I denne studien har vi undersøkt gjennom teoretisk, fantom, og brystkreft celle studerer påvisning av Mn på UTE og SubUTE bildebehandling. Det er vist at UTE og SubUTE betydelig grad utvide området fra Mn-konsentrasjoner over hvilket positiv kontrast blir tatt vare på og holder seg lineært økende, i forhold til konvensjonelle SPGR som lider
T
2 * effekter ved høyere konsentrasjoner. Denne funksjonen forbedrer ikke bare følsomhet, men kan potensielt være et middel for å kvantifisere kontrast konsentrasjoner. Det er også vist at fordi SubUTE er en subtraksjon teknikk blir bakgrunn vev effektivt undertrykkes, noe som kan gjøre det mulig mer spesifikk bestemmelse av Mn akkumulering i et kontrastforsterket studie uten anvendelse av en pre-kontrast referansebilde. Videre, siden Mn har en relativt høy
r
2 /
r
1 ratio, kan SubUTE bilde gir enda større kontrast enn UTE når
T
1 og
T
2 * effekter gjør sammenlignbare bidrag, vanligvis funnet ved høyere Mn konsentrasjoner; Dette oppnås ved å kombinere vanligvis antagonistisk
T
1 og
T
2 * effekter i en synergistisk måte. Resultater i Mn-merkede brystkreft celler viser at SubUTE oppnår best æren av lys-vises aggressive kreftformer fra mindre aggressive kreftformer, som har tilsvarende kontrast som bakgrunn vev.
Vår teoretisk studie viser at optimal UTE og SubUTE kontrast krever tuning flip vinkel og TE til utvalg av Mn konsentrasjoner under vurdering. For eksempel, høyere konsentrasjoner av Mn oversette til et lavere
T
1, hvilket betyr at en høyere flip vinkel er nødvendig for å oppnå maksimal positiv kontrast. Den andre ekko som brukes for å danne det SubUTE bildet bør ideelt ligge på 10 ms variere. Både den optimale flippvinkel og TE blir hovedsakelig bestemt av Mn konsentrasjon og TR. Merk i figur 3 at lavere kontrast i SubUTE signal i forhold til SPGR (eller UTE) signal er delvis på grunn av en √2 støy straff i en SubUTE forskjell bilde og delvis på grunn av en sterk
T
en effekt i forhold til
T
2 *. Til tross for dette lavere følsomhet, gir SubUTE størst spesifisitet av alle sekvenser.
Phantom bildebehandling bekreftet teoretiske forutsigelser for signal platå og eventuell signal nedgang på konvensjonell SPGR, mens UTE og SubUTE forutsatt vedvarende positiv kontrastforsterkning opp til [Mn] = 3,2 mm, den maksimale konsentrasjonen testet. Optimale innstillinger for flip vinkel og TE lignet på simuleringsresultatene, med θ = 50 ° som gir optimalt UTE og SubUTE kontrast over et bredt område av konsentrasjoner.
brystkreftcelle avbildning også bekreftet at UTE tilbudt bedre følsomhet og SubUTE bedre spesifisitet av Mn-forbedrede aggressive celler enn vanlig SPGR. Det er imidlertid noen klare forskjeller fra fantom studier. Først, Mn konsentrasjonsområdet inkubasjonsmediet var mye lavere (opptil 1 mM) for de celle-merking studier, som vårt mål var å bruke en så lav dose som mulig på celler. Over denne konsentrasjonsområde, spår teori at konvensjonell SPGR ennå ikke har kommet på signal platået regimet sett i phantom studien, som våre celle bildebehandling resultatene bekreftet å være tilfelle. Imidlertid teori forutsier også en optimal flip vinkel mindre enn 50 ° for å få lavere konsentrasjoner anvendes for å merke celler. Dette avviket antyder en høyere
r
2 * relaksivitet enn forutsett, som er potensielt forårsaket av akkumulering av Mn til en større konsentrasjon i celler og /eller dannelse av Mn-klynger. For å fullt ut forklare og forutsi nøyaktig kontrastmekanismer i et mobil miljø, må vi forstå hvordan Mn distribuerer i disse cellene. En bedre forståelse av disse effektene er viktig for fremtidig in-vivo applikasjoner, men er utenfor omfanget av denne artikkelen. Til tross for dette avviket, er det klart at selv i celler, er SubUTE tilnærming i stand til å høste synergi
T
1 og
T
2 * effekter på høyere Mn konsentrasjoner og gi best deteksjon spesifisitet.
avviket i den cellulære miljøet nevnt ovenfor fremhever en grunnleggende utfordring når simulere in-vitro eller in vivo miljø, nemlig avviket av kontrastmiddel distribusjon fra idealet om fri spredning . Vi brukte en måling av
r
2 som en første tilnærming til
r
2 *, hovedsakelig på grunn nøyaktig måling av
r
2 * er krevende og utsatt for variasjoner fra en rekke kilder. Imidlertid vil denne antakelsen trolig ikke holde når Mn blir internalisert. Som rapportert i jernoksid litteratur,
r
2 *
r
2 når nanopartikler er oppdelt i celler i forhold til fri suspensjon [15] – [ ,,,0],17]. Selv om Mn er ikke det samme som jernoksyder, kan vi postulere et lignende fenomen. Det vil si, når Mn internaliseres av celler, er det ikke fordele jevnt, men i stedet akkumuleres i visse subcellulære strukturer som mitokondrier og danner klynger. Som et resultat av compartmentalization,
r
1 vil avta på grunn av begrenset vannutskiftning og
r
2 * vil øke på grunn av mesoskopisk heterogeniteter fra bulk magnetiske mottakelighet effekter. For å optimalisere UTE og SubUTE bildebehandling for cellestudier, vil det videre arbeidet må undersøke fordelingen av Mn inni cellene, hvordan fordelingen varierer med ulike celletyper, og effekten på
r
2 og
r
2 * fra varierende Mn konsentrasjon og distribusjon.
Bortsett fra fordelene ved å gi positiv kontrast og økt følsomhet under visse omstendigheter, kanskje den mest praktiske fordelen av SubUTE in vivo er bakgrunnen undertrykkelse , som effektivt eliminerer behovet for en pre-kontrastrikt bilde. Konvensjonen for å trekke en pre-kontrast baseline bildet fra kontrastforsterket bildet er tungvint, men er gjort for å spesifikt finne områder av kontrastmiddel opphopning. Imidlertid grunnlinjen ofte ikke kan være perfekt tilpasset registrert, enten på grunn av pasientens bevegelser eller fordi kontrastinjeksjon ble utført dager tidligere. Med SubUTE fremgangsmåte blir kun en sekvens kjøre og kontrasten materiale kan lokaliseres hvor som helst det har beveget seg i kroppen, og til enhver tid, til og med dager etter kontrast injeksjon.
Bruken av Mn har fått fornyet interesse så et MRI-kontrastmiddel på grunn av muligheten for å avledet detaljert fysiologiske, biokjemiske og molekylære biologisk informasjon [3]. I denne studien har vi presentert en ny søknad om Mn-forsterket MR: vurdere aggressivitet av kreftceller. Våre resultater viser at vår nye konseptet med å bruke Mn å bestemme brystkreft aggressivitet er gjennomførbart og at den beste æren av aggressive versus mindre aggressive celler oppnås ved hjelp av SubUTE. Fremtidige studier vil innebære å utvikle den foreslåtte metodikken in vivo, hvor trygge kontrast doser og forskjeller i den cellulære miljøet (f.eks celle tetthet) og avvik fra relaksiviteter fra in-vitro scenario må tas hensyn til i å optimalisere UTE og SubUTE bildebehandling. Utover demonstrerte verdien av UTE for bildebehandling kreft, er det vårt håp at med UTE som en ny bildekapasitet for mer sensitiv og spesifikk påvisning av Mn, vil mange flere programmer forbundet med Mn-forsterket MR bli utforsket og utviklet for å karakterisere biologiske systemer.
Konklusjoner
i denne studien har vi innført en ny anvendelse av UTE og SubUTE bildebehandling for Mn-forsterket MR. Selv Mn er iboende en positiv kontrast
T
en agent, UTE og SubUTE forbedre deteksjonsfølsomhet enn konvensjonell SPGR, og holder de vedvarende og lineær positiv kontrastforbedring over et bredt spekter av Mn konsentrasjoner, selv ved høye konsentrasjoner hvor signalet normalt ville platå eller redusere. Den SubUTE sekvens gir ekstra spesifisitet Mn akkumulering ved å eliminere bakgrunns vev og selv økt følsomhet under visse omstendigheter ved å kombinere vanligvis antagonistisk
T
1 og
T
2 * effekter. Kontrast lokalisering på SubUTE krever ikke en pre-kontrast baseline bilde, som er en betydelig fordel i noen kontrastforsterket undersøkelse.
Takk
Vi takker Melanie S. Kotys-Traughber fra Philips Healthcare , Cleveland, Ohio, USA, for å implementere UTE sekvens.
