Mediciones espectroscópicas detalladas de RMN de Relajación de 83Kr T1 en Función del Volumen de Inhalación
Sin detallar los aspectos técnicos de la producción y el manejo de gas de HP 83Kr, es importante señalar que el desarrollo continuo de la metodología ha permitido experimentos refinados con mayor calidad de los datos generados a medida que avanzaba el tiempo. Tales mejoras habían permitido un estudio detallado de 83Kr T1 en el pulmón, es decir, la fuente del contraste CUADRADO, presentado en detalle en Ref. eso constituyó un salto cuántico sobre la configuración experimental reportada anteriormente en Ref. , no solo por la polarización aparente mejorada de Papp = 0,5% a Papp = 1%, mejor manejo de gas y bobinas de RMN más grandes (ya que no hay gradientes donde sea necesario), sino también por el protocolo mejorado para mediciones de relajación.
La señal HP 83Kr se midió en serie de 32 espectros de RMN con ángulo de giro pequeño (12°) espaciados 0,2 s que comenzaron antes de la inhalación con HP 83Kr y duraron varios segundos después de la inhalación completa y la retención de la respiración. Durante el lapso de tiempo inicial, la ausencia de señal de RMN detectable demostró que HP 83Kr no fue forzado al pulmón durante la transferencia inicial de gas al contenedor de almacenamiento VB. Aproximadamente 0,6 s después de aplicar un volumen de succión predeterminado con la jeringa de ventilación, los pulmones alcanzaron el volumen de inhalación constante correspondiente Vi (es decir, modelando una retención de la respiración). Después de algún tiempo de asentamiento pulmonar (típicamente 0.2 s), la señal HP 83Kr observada mostró un decaimiento de relajación monoexponencial (además del decaimiento de señal causado por los pulsos de ángulo de giro de 12°) y el ajuste de datos proporcionó los tiempos de relajación T1 de 83Kr (ver Ec. 19.3). No se hizo ningún intento de resolver espacialmente las mediciones de relajación, ya que se necesitaron mejoras adicionales de la tecnología para permitir un contraste cuadrado de RM de HP 83Kr significativo (consulte la sección «Contraste T1 cuadrado de HP 83Kr de un Modelo Animal de Enfisema»). Sin embargo, el protocolo proporcionó datos altamente reproducibles que eliminaron gran parte de la dispersión anterior en los tiempos T1 medidos porque se monitorizó todo el proceso de inhalación y se pudo determinar un buen punto de referencia para el final del período de inhalación a partir de la curva de intensidad. Los datos utilizados en los accesorios T1 se extendieron por 2,6 s sin considerar los espectros recolectados después de este tiempo debido a la desviación observada del comportamiento de relajación monoexponencial que probablemente fue causada por diferencias sustanciales en el comportamiento de relajación entre las zonas respiratorias y las vías respiratorias más grandes.
Los resultados de las mediciones de relajación de las curvas de decaimiento HP 83Kr se resumen en la Fig. 19.4 donde los puntos de datos muestran los valores de T1 de 83 Kr en los pulmones de rata en función del volumen de inhalación, variando de Vi=3 a Vi=20 ml. Los círculos llenos representan experimentos donde un volumen Vi de mezcla de gas HP fue el único gas inhalado (es decir, esquema de inhalación 1). Tenga en cuenta que cada punto de datos es el promedio de mediciones de relajación de pulmones extirpados de cinco ratas individuales (de 3 meses de edad; 350-425 g) y de al menos dos accesorios T1 por volumen de inhalación y muestra. Los datos de relajación muestran una desviación relativamente pequeña entre ratas individuales (mostrada como barras de error que muestran la desviación estándar) subrayando la alta reproducibilidad de los experimentos.
la Figura 19.4. (A) Bosquejo de los diversos esquemas de inhalación que dirigen el HP 83Kr más hacia las vías respiratorias (esquema 2) o hacia la zona respiratoria S/V alta (esquema 3) en comparación con la inhalación «simple» de HP 83Kr (esquema 1). En el esquema 2, los pulmones inhalan primero el volumen de «gas oscuro» (i. e., gas que no es detectable por RMN, normalmente aire o N2—indicado en color rojo) seguido de HP 83Kr (mostrado en color azul) que resulta en el volumen total de inhalación Vi. El esquema 3 representa un tipo de experimento de «búsqueda de nitrógeno» donde la inhalación de HP 83Kr es seguida por un volumen de N2, que nuevamente resulta en el volumen total de inhalación Vi. (B) Tiempos de relajación T1 medidos de 83Kr en función del volumen de inhalación Vi utilizando pulmones ex vivo y el sistema de ventilación esbozado en la Fig. 19.3. Tenga en cuenta la independencia del volumen de inhalación de la relajación de 83 Kr por encima de Vi=10 mL con los esquemas 1 y 3.
Adaptado con permiso de Stupic KF, Elkins ND, Pavlovskaya GE, Repine JE, Meersmann T. Efectos de la inhalación pulmonar en la relajación de la resonancia magnética T-1 del criptón-83 hiperpolarizado. Phys Med Biol 2011; 56(13): 3731-48. doi:10.1088/0031-9155/56/13/001. PubMed PMID: 0: 000291866800003.
Basado en los resultados con las superficies del modelo, uno predeciría ingenuamente que con el aumento del volumen de inhalación, Vi, uno encontraría que los tiempos de T1 también aumentarían porque los alvéolos en expansión probablemente causarán que el S/V disminuya. Sin embargo, los tiempos de T1 observados se acortaron o se mantuvieron constantes al aumentar el volumen de inhalación. La caída inicial de los tiempos de relajación puede explicarse por la contribución cambiante de las vías respiratorias (S/V bajas) y de las zonas con S/V altas, como la región respiratoria (es decir, los conductos alveolares y los sacos alveolares), incluidas quizás las vías respiratorias más distales, como los bronquiolos y los bronquios más pequeños. Con un volumen de inhalación bajo, las vías respiratorias contribuyen a una fracción más alta de la señal detectada en comparación con los grandes volúmenes de inhalación, donde la señal surge abrumadoramente de la zona alveolar. El tiempo de relajación medido puede ser un promedio «verdadero» de la relajación en las diferentes zonas debido a la difusión de gas que causa un intercambio rápido entre estas regiones. Alternativamente, los tiempos de relajación en las diferentes zonas pueden simplemente ser lo suficientemente similares para crear la impresión de un decaimiento de señal monoexponencial. En cualquier caso, una sola constante de tiempo parece proporcionar una buena descripción de la relajación longitudinal de 83Kr. Al aumentar el volumen de inhalación y, por lo tanto, aumentar la contribución de la zona alveolar, los aumentos de S/V y las constantes de tiempo T1 disminuyen.
Esta interpretación está respaldada además por las observaciones realizadas con esquemas de inhalación alternativos en los que se inhala primero gas no HP («oscuro») que no se puede observar por resonancia magnética seguido de gas HP (esquema de inhalación 2) o, viceversa, en los que el gas HP es seguido por gas oscuro no detectable (p. ej., un experimento de búsqueda de nitrógeno o un esquema de inhalación 3). Se espera que el esquema de inhalación 2 reduzca la cantidad de HP 83Kr en la región alveolar, pero no en las vías respiratorias. Como consecuencia, uno esperaría observar tiempos de T1 más largos con el esquema de inhalación 2 que con el esquema 1. De hecho, esto se observa como se muestra en los puntos de datos (triángulos) de la Fig. 19.4. La reducción del tiempo de relajación es más pronunciada para Vidark=12 ml que para Vidark=6 ml. Además, los tiempos T1 del esquema 2 se vuelven comparables a los del esquema de inhalación 1 en los volúmenes de inhalación más altos. El esquema de inhalación 3, realizado con volúmenes totales de inhalación Vi de 9 a 20 mL, se diseñó para suprimir las señales HP 83Kr de las vías respiratorias más grandes y aumentar la contribución del gas HP de la región alveolar. Al igual que con el esquema 1, los tiempos de T1 disminuyen inicialmente y finalmente se estabilizan a un volumen total de inhalación Vi de aproximadamente 12 ml. Sin embargo, este esquema conduce a tiempos de relajación más rápidos (círculos abiertos) con T1≈1,0 s para Vi≥12 ml en comparación con el valor correspondiente de T1≈1,3 s obtenido con el esquema 1 para el mismo volumen de inhalación. Tenga en cuenta que los experimentos de imágenes posteriores encontraron una distribución bimodal de los tiempos de relajación con una contribución relajante lenta y rápida alrededor de 1 s y una distribución de relajación más lenta alrededor de aproximadamente 1,3 s (consulte la sección «Contraste T1 CUADRADO HP 83Kr de un Modelo Animal de Enfisema»).
Aunque la caída inicial de los tiempos de relajación con el aumento del volumen de inhalación puede explicarse por un cambio en la contribución relativa entre las vías respiratorias y la zona respiratoria, es notable la ausencia completa de un aumento de 83 Kr T1 veces con el aumento de la inhalación pulmonar. Se espera que la S/V en el pulmón disminuya al aumentar el volumen de inhalación. Sin embargo, el volumen de inhalación independiente de 83 Kr T1 veces a volúmenes de inhalación altos con esquemas 1 y 3 indica S/V constante en la parte distal de las vías respiratorias y las zonas respiratorias. Sorprendentemente, siguiendo observaciones anteriores en pulmones caninos, un hallazgo algo similar ha sido reportado por Woods, Conradi, Yablonski y compañeros de trabajo en la investigación 3He utilizando el coeficiente de difusión aparente (ADC) en pulmones humanos . Los investigadores concluyeron que los radios del conducto alveolar aumentan solo ligeramente con la inhalación y que el aumento del volumen pulmonar es causado en gran medida por el reclutamiento alveolar. Sin embargo, tenga en cuenta que el ADC se determina en escalas de tiempo de típicamente 1-3 ms que son mucho más cortas que las mediciones de relajación durante un período de 2,6 s de duración reportadas aquí y, por lo tanto, las mediciones de ADC proban una región mucho más pequeña . A 293K, la constante de difusión varía de D = 0, 63cm2 / s (criptón en helio) a D=0.15 cm2/s (criptón en nitrógeno) y, en consecuencia, mezclas de gas de criptón de difusión libre mostrarían desplazamientos medios del tamaño de centímetros durante un período de tiempo de 2-3 segundos. La indicación de que las dimensiones alveolares son en gran medida independientes del volumen de inflación, proporcionada por dos métodos diferentes que sondean escalas de longitud muy diferentes, es notable y puede llevar a comprender el mecanismo del reclutamiento alveolar. En combinación con mediciones de ADC y otras técnicas, como los experimentos de fase disuelta HP 129Xe, el contraste de RM CUADRADA HP 83Kr puede proporcionar más pistas en el futuro. Por ahora, el importante resultado de la Fig. 19.4 es que el contraste cuadrado HP 83Kr, explorado en la siguiente sección, es altamente reproducible con poca preocupación por pequeñas fluctuaciones en el volumen de inhalación, al menos dentro de los pulmones de roedores sanos (extirpados) y siempre que el volumen de inhalación sea lo suficientemente grande. El experimento de búsqueda de nitrógeno (esquema de inhalación 3) puede mejorar potencialmente el contraste CUADRADO, ya que el HP 83Kr se dirigirá más hacia las zonas respiratorias.