- Email: [email protected]
MR-Bildkontrast durch chemischen Austausch
FORUM
MR-Bildkontrast durch chemischen Austausch MR image contrast through chemical exchange
Seit dem ersten experimentellen Nachweis der magnetischen Kernspin-Resonanz wird nach Techniken gesucht, welche die notorisch geringe Sensitivität der NMR (nuclear magnetic resonance) erhöhen. Nahe liegend – und teuer – ist der Einsatz stärkerer B0 -Felder. Wesentlich effektiver sind jedoch Methoden, die magnetische Kopplungen zwischen verschiedenen Kernspins S und I nutzen, um Magnetisierung von einem Spinsystem in das zweite, weniger sensitive System zu übertragen. Die wegweisende Idee für diese dynamische Kernspinpolarisation (DNP) ist der Overhauser-Effekt [1]: die Verstärkung des NMR-Signals von Atomkernen (I) im Metall durch resonante Einstrahlung in das Elektronenspinsystem (S), das skalar mit den Kernspins koppelt. Der Pumpprozess S → I ist effektiv, da die Kerne wesentlich langsamer relaxieren als die Elektronen und somit Magnetisierung im Kernspinsystem akkumuliert wird. Dieses Konzept konnte auf andere Spinsysteme erweitert werden, z.B. Signalverstärkung von seltenen Kernen durch Polarisationstransfer zwischen skalar gekoppelten Kernspins in Molekülen, Magnetisierungstransfer zwischen dipolar gekoppelten Kernspins in Flüssigkeiten (NOE, nuclear Overhauser effect) oder Hyperpolarisation der Spin-½-Edelgase 3 He [2] und 129 Xe durch Laser-optisches Pumpen von Hyperfeinübergängen. Magnetische Information kann aber auch durch das spontane Umherspringen von schwach gebundenen Protonen (Wasserstoffatomkerne: 1 H) zwischen verschiedenen Molekülen übertragen werden. Dieser Prozess wird chemischer Austausch genannt. Wenn dabei Sättigung, also die Gleichbesetzung der zwei Zeeman-Zustände von Spin-½-Kernen im äußeren Magnetfeld, übertragen wird, spricht man von CEST (chemical exchange saturation transfer) [3]. Seit einigen Jahren gewinnt die CEST-Bildgebung von schwach gebundenen Protonen in kleinen Metaboliten oder an der Oberfläche von Proteinen (,,CEST-Pool“), die mit Protonen in Wassermolekülen (,,Wasser-Pool“) physisch austauschen, zunehmendes Interesse in der biomedizinischen Forschung; denn CEST liefert neue Kontrastmechanismen für die MR-Bildgebung. Beim CEST-Experiment wird die Probe einem möglichst hohen statischen Magnetfeld B0 ausgesetzt, um eine gute spektrale Trennung der Pools und hohes Signal zu erreichen. Der CEST-Pool wird durch Einstrahlung eines oszillierenden Magnetfelds B1 (t) selektiv (beim entsprechenden ,,chemical shift“) gesättigt. Die Sättigung wird durch chemischen Austausch auf den Wasser-Pool übertragen und verringert dadurch dessen 1 H-NMR-Signal. Nur die Reduktion des WasserSignals wird registriert und als ,,Z-Spektrum“ graphisch
Z. Med. Phys. 26 (2016) 1–2 http://dx.doi.org/10.1016/j.zemedi.2015.12.002 www.elsevier.com/locate/zemedi
dargestellt. Im Unterschied zu DNP wird hier gesättigte Magnetisierung in das sensitivere Kernspinsystem übertragen. Wichtig ist, dass Wasserprotonen, die die ,,Leerstellen“ im CEST-Pool wiederbesetzen, mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht gesättigt sind und somit erneut Sättigung übertragen können. Die Methode bietet interessante Möglichkeiten. Durch den Pumpprozess CEST-Pool → Wasser-Pool wird das Signal verstärkt und erlaubt dadurch indirekte Bildgebung von Biomolekülen geringer Konzentration. Dies konnte gezeigt werden für NH-Protonen [4] an der Oberfläche von Proteinen, NH- und OH-Protonen von Glykosaminoglykanen (GAG) im Knorpelgewebe [5], (NH2 )2 + -Protonen von Kreatin [6] und OH-Protonen von Glukose [7]. Die Verstärkung wird bestimmt durch das Produkt k × T1w der Protonen-Austauschrate k zwischen den beiden Pools und der longitudinalen Relaxationszeit T1w des Wasser-Pools. Die Austauschraten wiederum sind Funktionen von pH, Temperatur, der Protonen-Konzentration im CEST-Pool und anderen Größen. Infolgedessen enthält das Z-Spektrum interessante physiologische Informationen. Die Herausforderung liegt dabei in der Entwicklung von Methoden zur selektiven Darstellung einzelner molekularer Mechanismen. Inzwischen können dank der starken Abhängigkeit des Z-Spektrums von experimentellen Parametern, insbesondere von der Sättigungstechnik, und verbesserter Analysetechniken [8] Transfer-Prozesse identifiziert werden, die sowohl durch physischen Protonenaustausch (CEST) als auch mittels Dipol-Dipol-Wechselwirkung durch den leeren Raum (exchange-relayed NOE) [9] vermittelt werden. Dabei zeigte sich, dass Protein-Entfaltung und -Aggregation charakteristische Veränderungen in den Z-Spektren bewirken [10]. Der aktuelle Stand von CEST ist so einzuschätzen: weiterhin spannend. Die Perspektiven und technischen Möglichkeiten reichen von quantitativer Bildgebung kleiner Metaboliten und des pH im lebenden Gewebe bis zur Identifizierung von Protein-Signaturen in CEST-Bildern.
Literatur [1] Overhauser AW. Polarization of nuclei in metals. Phys Rev 1953;92:411–5. [2] Bachert P, Schad LR, Bock M, Knopp MV, Ebert M, Großmann T, Heil W, Hofmann D, Surkau R, Otten EW. Nuclear magnetic resonance imaging of airways in humans with use of hyperpolarized 3 He. Magn Reson Med 1996;36:192–6. [3] Ward KM, Aletras AH, Balaban RS. A new class of contrast agents for MRI based on proton chemical exchange dependent saturation transfer (CEST). J Magn Reson 2000;143:79–87.
2
Forum / Z. Med. Phys. 26 (2016) 1–2
[4] Zhou J, Payen J–F, Wilson DA, Traystman RJ, van Zijl PCM. Using the amide proton signals of intracellular proteins and peptides to detect pH effects in MRI. Nature Med 2003;9:1085–90. [5] Ling W, Regatte RR, Navon G, Jerschow A. Assessment of glycosaminoglycan concentration in vivo by chemical exchange–dependent saturation transfer (gagCEST). PNAS 2008;105:2266–70. [6] Cai K, Singh A, Poptani H, Li W, Yang S, Lu Y, Hariharan H, Zhou XJ, Reddy R. CEST signal at 2 ppm (CEST@2 ppm) from Z–spectral fitting correlates with creatine distribution in brain tumor. NMR Biomed 2015;1:1–8. [7] Walker–Samuel S, Ramasawmy R, Torrealdea F, Rega M, Rajkumar V, Johnson SP, Richardson S, Gonc¸alves M, Parkes HG, Årstad E, Thomas DL, Pedley RB, Lythgoe MF, Golay X. In vivo imaging of glucose uptake and metabolism in tumors. Nature Med 2013;19:1067–72.
[8] Zaiss M, Xu J, Görke S, Khan IS, Singer RJ, Gore JC, Gochberg DF, Bachert P. Inverse Z–spectrum analysis for spillover–, MT–, and T1 –corrected steady–state pulsed CEST–MRI – application to pH–weighted MRI of acute stroke. NMR Biomed 2014;27:240–52. [9] van Zijl PCM, Yadav NN. Chemical exchange saturation transfer (CEST): What is in a name and what isn’t ? Magn Reson Med 2011;65:927–48. [10] Görke S, Zaiss M, Kunz P, Klika KD, Windschuh JD, Mogk A, Bukau B, Ladd ME, Bachert P. Signature of protein unfolding in chemical exchange saturation transfer imaging. NMR Biomed 2015;28:906–13.
Available online at www.sciencedirect.com
ScienceDirect
Peter Bachert Heidelberg
MR-Bildkontrast durch chemischen Austausch MR image contrast through chemical exchange
Seit dem ersten experimentellen Nachweis der magnetischen Kernspin-Resonanz wird nach Techniken gesucht, welche die notorisch geringe Sensitivität der NMR (nuclear magnetic resonance) erhöhen. Nahe liegend – und teuer – ist der Einsatz stärkerer B0 -Felder. Wesentlich effektiver sind jedoch Methoden, die magnetische Kopplungen zwischen verschiedenen Kernspins S und I nutzen, um Magnetisierung von einem Spinsystem in das zweite, weniger sensitive System zu übertragen. Die wegweisende Idee für diese dynamische Kernspinpolarisation (DNP) ist der Overhauser-Effekt [1]: die Verstärkung des NMR-Signals von Atomkernen (I) im Metall durch resonante Einstrahlung in das Elektronenspinsystem (S), das skalar mit den Kernspins koppelt. Der Pumpprozess S → I ist effektiv, da die Kerne wesentlich langsamer relaxieren als die Elektronen und somit Magnetisierung im Kernspinsystem akkumuliert wird. Dieses Konzept konnte auf andere Spinsysteme erweitert werden, z.B. Signalverstärkung von seltenen Kernen durch Polarisationstransfer zwischen skalar gekoppelten Kernspins in Molekülen, Magnetisierungstransfer zwischen dipolar gekoppelten Kernspins in Flüssigkeiten (NOE, nuclear Overhauser effect) oder Hyperpolarisation der Spin-½-Edelgase 3 He [2] und 129 Xe durch Laser-optisches Pumpen von Hyperfeinübergängen. Magnetische Information kann aber auch durch das spontane Umherspringen von schwach gebundenen Protonen (Wasserstoffatomkerne: 1 H) zwischen verschiedenen Molekülen übertragen werden. Dieser Prozess wird chemischer Austausch genannt. Wenn dabei Sättigung, also die Gleichbesetzung der zwei Zeeman-Zustände von Spin-½-Kernen im äußeren Magnetfeld, übertragen wird, spricht man von CEST (chemical exchange saturation transfer) [3]. Seit einigen Jahren gewinnt die CEST-Bildgebung von schwach gebundenen Protonen in kleinen Metaboliten oder an der Oberfläche von Proteinen (,,CEST-Pool“), die mit Protonen in Wassermolekülen (,,Wasser-Pool“) physisch austauschen, zunehmendes Interesse in der biomedizinischen Forschung; denn CEST liefert neue Kontrastmechanismen für die MR-Bildgebung. Beim CEST-Experiment wird die Probe einem möglichst hohen statischen Magnetfeld B0 ausgesetzt, um eine gute spektrale Trennung der Pools und hohes Signal zu erreichen. Der CEST-Pool wird durch Einstrahlung eines oszillierenden Magnetfelds B1 (t) selektiv (beim entsprechenden ,,chemical shift“) gesättigt. Die Sättigung wird durch chemischen Austausch auf den Wasser-Pool übertragen und verringert dadurch dessen 1 H-NMR-Signal. Nur die Reduktion des WasserSignals wird registriert und als ,,Z-Spektrum“ graphisch
Z. Med. Phys. 26 (2016) 1–2 http://dx.doi.org/10.1016/j.zemedi.2015.12.002 www.elsevier.com/locate/zemedi
dargestellt. Im Unterschied zu DNP wird hier gesättigte Magnetisierung in das sensitivere Kernspinsystem übertragen. Wichtig ist, dass Wasserprotonen, die die ,,Leerstellen“ im CEST-Pool wiederbesetzen, mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht gesättigt sind und somit erneut Sättigung übertragen können. Die Methode bietet interessante Möglichkeiten. Durch den Pumpprozess CEST-Pool → Wasser-Pool wird das Signal verstärkt und erlaubt dadurch indirekte Bildgebung von Biomolekülen geringer Konzentration. Dies konnte gezeigt werden für NH-Protonen [4] an der Oberfläche von Proteinen, NH- und OH-Protonen von Glykosaminoglykanen (GAG) im Knorpelgewebe [5], (NH2 )2 + -Protonen von Kreatin [6] und OH-Protonen von Glukose [7]. Die Verstärkung wird bestimmt durch das Produkt k × T1w der Protonen-Austauschrate k zwischen den beiden Pools und der longitudinalen Relaxationszeit T1w des Wasser-Pools. Die Austauschraten wiederum sind Funktionen von pH, Temperatur, der Protonen-Konzentration im CEST-Pool und anderen Größen. Infolgedessen enthält das Z-Spektrum interessante physiologische Informationen. Die Herausforderung liegt dabei in der Entwicklung von Methoden zur selektiven Darstellung einzelner molekularer Mechanismen. Inzwischen können dank der starken Abhängigkeit des Z-Spektrums von experimentellen Parametern, insbesondere von der Sättigungstechnik, und verbesserter Analysetechniken [8] Transfer-Prozesse identifiziert werden, die sowohl durch physischen Protonenaustausch (CEST) als auch mittels Dipol-Dipol-Wechselwirkung durch den leeren Raum (exchange-relayed NOE) [9] vermittelt werden. Dabei zeigte sich, dass Protein-Entfaltung und -Aggregation charakteristische Veränderungen in den Z-Spektren bewirken [10]. Der aktuelle Stand von CEST ist so einzuschätzen: weiterhin spannend. Die Perspektiven und technischen Möglichkeiten reichen von quantitativer Bildgebung kleiner Metaboliten und des pH im lebenden Gewebe bis zur Identifizierung von Protein-Signaturen in CEST-Bildern.
Literatur [1] Overhauser AW. Polarization of nuclei in metals. Phys Rev 1953;92:411–5. [2] Bachert P, Schad LR, Bock M, Knopp MV, Ebert M, Großmann T, Heil W, Hofmann D, Surkau R, Otten EW. Nuclear magnetic resonance imaging of airways in humans with use of hyperpolarized 3 He. Magn Reson Med 1996;36:192–6. [3] Ward KM, Aletras AH, Balaban RS. A new class of contrast agents for MRI based on proton chemical exchange dependent saturation transfer (CEST). J Magn Reson 2000;143:79–87.
2
Forum / Z. Med. Phys. 26 (2016) 1–2
[4] Zhou J, Payen J–F, Wilson DA, Traystman RJ, van Zijl PCM. Using the amide proton signals of intracellular proteins and peptides to detect pH effects in MRI. Nature Med 2003;9:1085–90. [5] Ling W, Regatte RR, Navon G, Jerschow A. Assessment of glycosaminoglycan concentration in vivo by chemical exchange–dependent saturation transfer (gagCEST). PNAS 2008;105:2266–70. [6] Cai K, Singh A, Poptani H, Li W, Yang S, Lu Y, Hariharan H, Zhou XJ, Reddy R. CEST signal at 2 ppm (CEST@2 ppm) from Z–spectral fitting correlates with creatine distribution in brain tumor. NMR Biomed 2015;1:1–8. [7] Walker–Samuel S, Ramasawmy R, Torrealdea F, Rega M, Rajkumar V, Johnson SP, Richardson S, Gonc¸alves M, Parkes HG, Årstad E, Thomas DL, Pedley RB, Lythgoe MF, Golay X. In vivo imaging of glucose uptake and metabolism in tumors. Nature Med 2013;19:1067–72.
[8] Zaiss M, Xu J, Görke S, Khan IS, Singer RJ, Gore JC, Gochberg DF, Bachert P. Inverse Z–spectrum analysis for spillover–, MT–, and T1 –corrected steady–state pulsed CEST–MRI – application to pH–weighted MRI of acute stroke. NMR Biomed 2014;27:240–52. [9] van Zijl PCM, Yadav NN. Chemical exchange saturation transfer (CEST): What is in a name and what isn’t ? Magn Reson Med 2011;65:927–48. [10] Görke S, Zaiss M, Kunz P, Klika KD, Windschuh JD, Mogk A, Bukau B, Ladd ME, Bachert P. Signature of protein unfolding in chemical exchange saturation transfer imaging. NMR Biomed 2015;28:906–13.
Available online at www.sciencedirect.com
ScienceDirect
Peter Bachert Heidelberg