Skip to main content

Hyperpolariseret magnetisk resonans kan in vivo kvantificere cellulær metabolisme

Christoffer Laustsen1, 2, Jan Henrik Ardenkjaer-Larsen2, 3, 4, Michael Pedersen1, Steffen Ringgaard1 & Hans Stødkilde-Jørgensen1

4. aug. 2014
9 min.

En stor udfordring ved mange sygdomme er at overvåge og forstå de patologiske stofskiftemønstre, der er knyttet til sygdommen. Det gælder en række endokrinologiske sygdomme, hvor diabetes er en af de mest fremtrædende. Det samme gælder hjerte-kar-sygdomme, hvor diætetisk mønster og livsstil er en del af ætiologien. Kræftcellers stofskifte har i de senere år tiltrukket sig særlig opmærksomhed, idet cellerne ved omsætningen af både sukker og aminosyrer viser forskelle fra normalt væv. Disse afvigelser kan udnyttes til individualiseret og generelt bedret diagnostik og terapi.

Hyperpolariseret MR-spektroskopi (MRS) er en teknik, ved hvilken man kan koncentrationsbestemme en række metaboliske produkter fra omsætningen af sukkerstoffer og aminosyrer. Af tekniske årsager baseres hyperpolarisering ofte på 13C-atomet (en stabil, MR-aktiv kerne), som kan indsættes i biologisk aktive molekyler. F.eks. har hyperpolariseret 13C-pyruvat tiltrukket sig særlig opmærksomhed, idet pyruvat (slutproduktet i glykolysen) reduceres gennem laktatdehydrogenase til laktat. Alternativt kan pyruvat undergå enzymatisk reaktion med glutamat til alanin, eller pyruvat kan indgå i Krebs’ cyklus via pyruvatdehydrogenase med frigivelse af CO2, der igen er i ligevægt med bikarbonat, hvorved man i nogle tilfælde kan få information om pH-værdi. Måling af pyruvatdehydrogenaseaktiviteten giver desuden information om iltmætningen i vævet. En umiddelbar fordel ved hyperpolariseret MRS er, at de beregnede koncentrationsværdier af eksempelvis pyruvat, laktat, alanin og CO2/bikarbonat kan kombineres med simultant optagne højtopløselige proton-MR-billeder, hvorved man opnår en præcis anatomisk lokalisering af den metaboliske aktivitet i vævet.

Hyperpolariseret MRS har nu været tilgængelig i nogle år til eksperimentel brug hos gnavere. Senest er polariseringsteknikken blevet opskaleret, således at den kan anvendes hos store dyr og mennesker. I litteraturen ser man derfor nu de første resultater af patientstudier.

EKSEMPLER PÅ PATOFYSIOLOGISK UDREDNING
MED HYPERPOLARISERET MR-SPEKTROSKOPI

Hyperpolariseret MRS baseret på f.eks. 13C-pyruvat har med held været anvendt til tumorgraduering i eksperimentelle modeller for prostatacancer. De kvantitative mål for pyruvats nedbrydningsprodukter kan sammenstilles således, at de korrelerer med malignitetsgraden [1]. Senest har man fra University of California publiceret de første kliniske studier, hvori der indgår patienter med prostata [2]. Her er påvist en tidlig og anatomisk mere detaljeret diagnostik af human prostatacancer, hvilket ikke var muligt med andre metoder. De involverede patienter havde med andre metoder fået påvist unilateral cancer, hvor man med hyperpolariseret MRS kunne påvise bilateral cancer hos flere. I andre studier har man for nylig påvist en signifikant øget hyperpolariseret laktatproduktion i en lymfommusemodel og i human glioblastom-xenograftmodeller, og det blev konkluderet, at hyperpolariseret MRS har potentiel klinisk betydning i prognose og monitorering af den terapeutiske respons i behandlingen af cancer [3, 4]. Med hyperpolariseret 13C-pyruvat er der hos rotter med implanterede humane glioblastomceller påvist en signifikant reduktion i laktat-pyruvat-forholdet efter behandling med temozolomid [5]. Lignende terapeutiske studier, der beror på associeringen mellem malign transformation og stigende glykolyse med forøget intracellulær laktat, er blevet foretaget med andre eksperimentelle dyremodeller. F.eks. har man i et nyligt publiceret præklinisk studium fundet, at injektion af hyperpolariseret 13C-pyruvat var anvendelig til belysning af den positive effekt af combretastatin-A4-fosfat (målrettet mod angiogenesen) på tumorvæksten hos en mus med subkutant inokulerede lymfomceller [6].

Hyperpolariseret 13C-pyruvat kan også anvendes ved andre sygdomme, der er karakteriseret ved generelle metaboliske forandringer. MacKenzie et al har anvendt hyperpolariseret MRS i en dyreeksperimentel artritismodel, hvor man påviste en øget laktatdehydrogenasekatalyseret omdannelse af pyruvat til laktat i inflammatoriske områder [7]. Endvidere er den enzymatiske konvertering af hyperpolariseret 13C-pyruvat til 13C-laktat, 13C-acetylkarnitin, 13C-citrat og 13C-glutamat belyst in vivo med subsekundtemporal opløsning i perfunderede rottehjerter [8]. Disse resultater er siden blevet udbygget med in situ-målinger af hjertets pyruvatomsætning [9]. Netop nu udføres der ved flere centre i USA studier af metaboliske forandringer i væv som følge af diabetes. Blandt andet har man i et studie af det diabetiske hjerte påvist en signifikant reduktion i pyruvatdehydrogenaseaktiviteten [10].

HYPERPOLARISERET MR-SPEKTROSKOPI:
TEKNISK BESKRIVELSE

Med klinisk anvendt MRS er der naturligvis en nedre grænse for, hvilke molekylekoncentrationer der kan bestemmes inden for en rimelig skanningstid. Ved hyperpolariseret MRS øges følsomheden med en faktor over 10.000 (Figur 1) [11]. Bestemte atomer i biologisk aktive molekyler mærkes (hyperpolariseres) og kan indgives intravenøst. Disse molekyler, hvor udvalgte atomer er hyperpolariserede, defineres som bioprober. Sensitiviteten i hyperpolariseret MRS afhænger af flere faktorer, såvel den specifikke metaboliske aktivitet som koncentrationen af den anvendte bioprobe. Afhængigt af hvilke kulstofatomer i et givet molekyle man polariserer, kan man kvantitativt bestemme produkter fra forskellige nedbrydningsveje. Polariseringen finder sted uden for MR-skanneren i en polarisator, hvor en given atomkerne, f.eks. 13C, i det aktive molekyle hyperpolariseres med mikrobølgebestråling ved en temperatur nær 1 grad Kelvin.
I løbet af få sekunder opvarmes stoffet til stuetemperatur og indsprøjtes i patienten. Mærkning med 13C ændrer ikke molekylernes biologiske eller farmakokinetiske egenskaber.

En begrænsende faktor ved hyperpolariserede bioprober er, at det kun er hurtigtforløbende biokemiske processer (maks. 1-2 min), der kan registreres. Tabel 1 viser en række bioprober, der hidtil er anvendt på forsøgsdyr. En del af disse har afgjort også en potentiel anvendelse i humanundersøgelser, f.eks. fumarat, som omdannes til malat. Netop forholdet imellem fumarat og malat anvendes som biomarkør for celledød ved bl.a. cancer [6, 12]. Foruden naturligt forekommende biologiske molekyler er det også muligt at anvende specialdesignede molekyler, som ikke omsættes metabolisk i kroppen. Disse kan bruges som kvantitative angiografi- og perfusionsmarkører [13].

13C-MRS nødvendiggør særlige udvidelser af standard-MR-systemerne, hvilket dog allerede er muligt på flere kliniske skannere. Desuden stilles der særlige krav til pulssekvenser og til de anvendte radiofrekvensspoler. Der findes i dag flere spoleproducenter, der fremstiller 13C-spoler til klinisk anvendelse. På grund af den korte halveringstid for hyperpolariseret 13C i væv er det nødvendigt med specielle MR-sekvenser, der anvender signalet optimalt. Man bruger i dag typisk 5D-sekvenser, der ud over de tre spatielle dimensioner optager den tidslige og den spektrale udvikling. De nyeste instrumenter muliggør simultane undersøgelser med flere bioprober.

SIKKERHED, STERILITET OG KLINISK ANVENDELIGHED

Fremstilling af hyperpolariserede bioprober til injektion kræver, at særlige instrumenter er placeret i umiddelbar nærhed af MR-skanneren. De sterile bioprober er i et lukket system, som reducerer komplikationer og letter håndteringen. En steril produktion af bioprober kræver dedikerede personer med farmakologisk ekspertise og sterile rum til pakning af prøverne. Da de fleste af disse bioprober er naturlige metabolitter, som allerede i dag anvendes i andre sammenhænge, forventes det ikke, at de vil være specielt svære at få klinisk accepteret som endogene substrater.

Eksempelvis virker metabolitten 13C-pyruvat som et endogent stof, der selv i relativt høje doser tåles særdeles godt i kroppen. Dog skal man være opmærksom på, at hyperpolariserede bioprober ofte injiceres i koncentrationer, der overgår de fysiologiske niveauer. Dette forhold nødvendiggør in vivo-biotoksicitetsundersøgelser med hensyn til evaluering af dosisrespons og dosissikkerhed.

I USA anvendes hyperpolariseret MRS nu i kliniske studier. I Europa mangler man endnu sundhedsmyndighedernes godkendelse til generel klinisk anvendelse.

HYPERPOLARISERET MR-SPEKTROSKOPI
I FORHOLD TIL ANDRE SKANNINGSTEKNIKKER

Hyperpolariseret MRS minder på flere måder om PET; specielt kan man sammenligne med de kortlivede biomarkører i PET.

Ved begge teknikker bruger man mærkede biologiske molekyler, som i opløsning indgives intravenøst. Der er endvidere tale om dynamiske undersøgelser, hvor man kan følge processer over tid. Hyperpolarisering er mindre følsom end PET, men er uden ioniserende stråling og er instrumentmæssigt simplere og billigere. Den betydeligste forskel ligger dog i, at hyperpolariseret MRS, foruden højopløste anatomiske informationer om udspringet af metaboliske processer, også muliggør kvantitativ bestemmelse af indgående biokemiske komponenter, typisk for flere metaboliske processer på samme tid. Dette kan ikke opnås med PET. For eksempel viser fluordeoxyglukose (FDG)-PET-optagelse/akkumulation af FDG med stor følsomhed, mens indgift af hyperpolariseret pyruvat ikke kun giver kvantitative mål for optagelse/akkumulation af pyruvat, men samtidig også for omdannelsen til alanin, laktat og bikarbonat. Alle disse mål giver et billede af oxidativ fosforylering og om anaerob metabolisme. Forskellene mellem
hyperpolariseret MRS og PET betyder, at de to teknologier i mange tilfælde vil være komplementære
teknikker.

KONKLUSION

Kvantificering og billedrepræsentation af hyperpolariserede eksogene molekyler har en potentiel vigtig rolle i fremtidens diagnostik og i forståelsen af cellulær biologi ved en lang række sygdomme. I USA er man nået relativt langt med hensyn til klinisk anvendelse. I Europa er specielt universitetshospitalerne i Oxford og Cambridge langt fremme. I Danmark vil man på både Rigshospitalet og Aarhus Universitetshospital have denne teknologi til rådighed i slutningen af 2013.

Korrespondance: Hans Stødkilde-Jørgensen, MR Centret, Institut for Klinisk
Medicin, Aarhus Universitet, Brendstrupgaardsvej 100, 8200 Aarhus.
E-mail: hsj@mr.au.dk

Antaget: 14. juni 2013

Publiceret på Ugeskriftet.dk: 19. august 2013

Interessekonflikter:

Summary

Quantitative cellular metabolism can be estimated by hyperpolarized magnetic resonance

A new MR methodology, hyperpolarized MR spectroscopy (MRS), enhances the MRS signals by more than a factor 10,000, enabling fast and unique insight into in situ metabolic processes. So far the method has provided new and exciting metabolic details in prostate, heart, brain, kidney and liver examinations. In diseases characterized by abnormal metabolic profiles, such as in diabetes and tumour tissue, hyperpolarized MRS provides highly detailed spatial information as well as quantitative estimates of individual steps in glycolysis and real-time amino acid metabolism.

Referencer

Litteratur

  1. Albers MJ, Bok R, Chen AP et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Res 2008;68:8607-15.

  2. Nelsson SJ. Preclinical & clinical applications of hyperpolarized contrast agents. Proc Intl Soc Mag Reson Med 2011;19:8349.

  3. Day SE, Kettunen MI, Gallagher FA et al. Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nat Med 2007;13:1382-7.

  4. Park I, Larson PE, Zierhut ML et al. Hyperpolarized 13C magnetic resonance metabolic imaging: application to brain tumors. Neuro Oncol 2010;12:133-44.

  5. Park I, Bok R, Ozawa T et al. Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging. J Magn Reson Imaging 2011;33:1284-90.

  6. Bohndiek SE, Kettunen MI, Hu DE et al. Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Mol Cancer Ther 2010;9:3278-88.

  7. MacKenzie JD, Yen Y-F, Mayer D et al. Detection of inflammatory arthritis by using hyperpolarized 13C-pyruvate with MR imaging and spectroscopy. Radiology 2011;259:414-20.

  8. Schroeder MA, Atherton HJ, Ball DR et al. Real-time assessment of Krebs cycle metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. FASEB J 2009;23:2529-38.

  9. Lau AZ, Chen AP, Barry J et al. Reproducibility study for free-breathing measurements of pyruvate metabolism using hyperpolarized 13C in the heart. Magn Reson Med 2013;69:1063-71.

  10. Schroeder MA, Cochlin LE, Heather LC et al. In vivo assessment of pyruvate dehydrogenase flux in the heart using hyperpolarized carbon-13 magnetic resonance. PNAS 2008;105:12051-6.

  11. Ardenkjaer-Larsen JH, Fridlund B, Gram A et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. PNAS 2003;100:10158-63.

  12. Clatworthy MR, Kettunen MI, Hu D-E et al. Magnetic resonance imaging with hyperpolarized [1,4-13C2] fumarate allows detection of early renal acute tubular necrosis. PNAS 2012;109:13374-9.

  13. Svensson J, Månsson S, Johansson E et al. Hyperpolarized 13C MR angiography using trueFISP. Magn Reson Med 2003;50:256-62.