Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research

doi:10.1593/neo.101102

.2011年2月；13(2):81-97.

doi:10.1593/neo.101102。

通过成像超极化细胞核分析癌症代谢：转化为临床研究的前景

约翰·库哈内维奇¹, 丹尼尔·比格纳龙, 凯文·布林德尔, 爱德华·切克梅内夫, 阿尔诺评论, 查尔斯·坎宁安, 拉尔夫·J·德贝拉迪尼斯, 加里·格林, 马丁·奥利奇, 桑德·拉詹, 拉希姆·R·里兹, 布莱恩·德·罗斯, 沃伦·S·沃伦, 克雷格·马洛伊

附属公司

PMID： 21403835
预防性维修识别码： PMC3033588型
内政部： 10.1593/新101102

通过成像超极化细胞核分析癌症代谢：转化为临床研究的前景

约翰·库哈内维奇等。肿瘤形成. 2011年2月.

.2011年2月；13(2):81-97.

doi:101.593/neo.101102。

作者

约翰·库哈内维奇¹, 丹尼尔·B·维涅龙, 凯文·布林德尔, 爱德华·切克梅涅夫, 阿尔诺评论, 查尔斯·坎宁安, 拉尔夫·J·德贝拉迪尼斯, 加里·格林, 马丁·奥利奇, 桑德·拉詹, 拉希姆·R·里兹, 布莱恩·德·罗斯, 沃伦·S·沃伦, 克雷格·马洛伊

附属

¹美国加州大学旧金山分校放射与生物医学成像系，加利福尼亚州旧金山，邮编94158-2330。John.Kurhanewicz@radioy.ucsf.edu

PMID： 21403835
预防性维修识别码： PMC3033588型
内政部： 10.1593/新101102

摘要

癌症生物学的一个主要挑战是监测和了解体内癌症代谢，以期改进诊断和治疗。由于生化途径的复杂性，需要使用示踪方法检测特定的酶催化反应。通过核磁共振检测的稳定同位素，如（13）C或（15）N，提供了有关组织生物化学的必要信息，但关键代谢物浓度较低，因此超出了传统磁共振方法的检测阈值。一种解决方案是通过暂时重新分配磁场中核自旋的数量，将灵敏度提高10000倍或更高，这一过程称为超极化。虽然这种效应是短暂的，但超极化分子可以在水溶液中生成，并在体内注入，在体内代谢生成可以成像的产物。这一发现解除了磁共振成像监测代谢不良敏感性的主要限制，同时保留了生物化学信息的优势。本报告的目的是简要总结已知的癌症代谢异常、当前代谢成像方法的价值和局限性以及超极化原理。描述了最近的临床前应用。超极化技术仍处于初级阶段，目前的极化器设备和方法都不太理想。然而，将这项激动人心的技术快速转化为临床研究或临床护理并没有根本障碍。

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数字

图1
（A）显示[1代谢的图表-¹³C] 丙酮酸，可以转化为[1-¹³C] 乳酸在LDH酶催化的反应中，[1-¹³C] ALT催化的反应中的丙氨酸，以及¹³PDH催化的反应中的C-二氧化碳）。释放的二氧化碳随后在碳酸酐酶（CA）催化的反应中与碳酸氢盐相互转化。（B）超极化的强大力量¹³C NMR不仅能够测量标记底物的摄取，而且能够测量其代谢产物。例如，在超极化¹³用超极化[1灌注的分离的大鼠心脏的C NMR光谱-¹³C] 丙酮酸，代谢物共振¹³一氧化碳₂，H¹³一氧化碳_三[1-¹³C] 丙酮酸，[1-¹³C] 乳酸和[1-¹³C] 丙氨酸在一次采集中很容易被观察到。（C）由于超极化磁共振的灵敏度急剧增加，丙酮酸代谢的超极化产物也可以用1秒的时间分辨率和根据动力学信息计算的代谢通量进行测量。图改编自Merritt等人[128]。

图2
（A）典型苏木精和伊红染色病理切片（放大，x40）和超极化¹³正常小鼠前列腺、早期和晚期转基因小鼠前列腺肿瘤（TRAMP）和淋巴结转移癌的C谱。组织切片下面是典型的超极化¹³注射超极化[1后获得的C光谱-¹³C] 丙酮酸和归一化以校正极化差异。归一化光谱显示，随着肿瘤和转移从正常进展到早期和晚期，超极化乳酸和超极化乳酸对丙酮酸比率明显增加。（B）轴向T₂-加权¹H图像描绘了晚期原发肿瘤TRAMP小鼠的原发肿瘤和淋巴结转移以及超极化覆盖[1-¹³C] 注射350后的乳酸图像µ超极化[1的l-¹³C] 丙酮酸。超极化[1-¹³C] 乳酸从正常状态变为前列腺癌并随着疾病进展而增加。（C）方框图定量总结了[1-¹³C] 四个组织学定义组的乳酸噪声比。乳酸峰面积SNR值有统计学差异(*P（P）*<.05），除早期肿瘤与淋巴结转移无显著差异外。此外，个体之间的重叠最小-¹³C] 正常前列腺与早期和晚期肿瘤的乳酸噪声比。图改编自Albers等人[123]。

图3
（A）阿莫司皮下植入EL4肿瘤的横质子MR图像（用红色勾勒）。（B）根据H的比率计算出的同一动物的pH图¹³一氧化碳_三静脉注射100mM超极化H后10秒获得¹³一氧化碳_三^-假设pK a为6.17（pH=pK（K） _一+对数（[HCO_三]/[一氧化碳₂]). 图改编自Gallagher等人[137]。

图4
原型偏振器（左上）已安装在一个洁净室中，与3-T临床MR扫描仪相邻，为[1的第一阶段临床试验做准备-¹³C] 丙酮酸在前列腺癌患者中的应用。这个¹³C类/¹所示H型线圈设计（左下）是将用于患者研究的设计。这些线圈已经在犬类研究中进行了测试，并提供了¹³右侧显示了C MRSI数据。右上角是一个典型的犬前列腺¹³注射超极化[1后获得的C MRSI阵列-¹³C] 丙酮酸剂量为1.4ml/kg体重，在健康人体志愿者研究中确定为安全剂量。对应的[1-¹³C] 丙酮酸和[1-¹³C] 乳酸盐图像覆盖在轴向T上₂-狗前列腺的加权图像显示在右下角。这个¹³在15秒内以0.125 cm的空间分辨率收集了C MRSI数据^三展示高水平的[1-¹³C] 丙酮酸（SNR，≥200）和更低[1-¹³C] 乳酸水平与正常犬前列腺组织代谢一致（右）。这些初步的MR代谢成像研究表明T型 ₁超极化[1-¹³C] 丙酮酸足以输送到大型动物的前列腺和代谢。此外，与以前使用其他MR代谢成像技术相比，具有足够的灵敏度以更高的空间和时间分辨率检测整个前列腺的代谢。图改编自Nelson等人[153]。

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