Dettagliate Misurazioni Spettroscopiche NMR di 83Kr T1 Relax in Funzione del Volume d’Inalazione
Senza dettagliare gli aspetti tecnici di HP 83Kr di produzione e di trattamento gas, è importante notare che il continuo sviluppo della metodologia hanno permesso raffinati esperimenti con la maggiore qualità dei dati generati come il tempo ha progredito. Tali miglioramenti avevano permesso uno studio dettagliato di 83Kr T1 nel polmone, cioè la fonte del contrasto QUADRATO, presentato in dettaglio in Ref. ciò ha costituito un salto di qualità rispetto alla configurazione sperimentale riportata in precedenza in Ref. , non solo a causa della migliore polarizzazione apparente da Papp = 0,5% a Papp=1%, migliore gestione del gas e bobine NMR più grandi (come senza gradienti dove necessario), ma anche a causa del protocollo migliorato per le misure di rilassamento.
Il segnale HP 83Kr è stato misurato in una serie di 32 spettri NMR con angolo di rotazione ridotto (12°) distanziati di 0,2 secondi che sono iniziati prima dell’inalazione con HP 83Kr e sono durati diversi secondi dopo l’inalazione completa e la sospensione del respiro. Durante l’intervallo di tempo iniziale, l’assenza di segnale NMR rilevabile ha dimostrato che HP 83Kr non è stato forzato nel polmone durante il trasferimento iniziale del gas nel contenitore di stoccaggio VB. Circa 0,6 s dopo che è stato applicato un volume di aspirazione predeterminato con la siringa di ventilazione, i polmoni hanno raggiunto il rispettivo volume Vi di inalazione costante (cioè, modellando una sospensione del respiro). Dopo qualche tempo di insediamento polmonare (tipicamente 0.2 s), il segnale HP 83Kr osservato mostrava un decadimento di rilassamento monoesponenziale (oltre al decadimento del segnale causato dagli impulsi dell’angolo di rotazione di 12°) e il montaggio dei dati forniva di conseguenza i tempi di rilassamento 83Kr T1 (vedi Eq. 19.3). Non è stato fatto alcun tentativo di risolvere spazialmente le misure di rilassamento in quanto sono stati necessari ulteriori miglioramenti della tecnologia per consentire un significativo contrasto quadrato HP 83Kr MRI (vedere la sezione “Contrasto QUADRATO HP 83Kr T1 di un modello animale di enfisema”). Tuttavia, il protocollo ha fornito dati altamente riproducibili che hanno eliminato gran parte della dispersione precedente nei tempi T1 misurati perché l’intero processo di inalazione è stato monitorato e un buon punto di riferimento per la fine del periodo di inalazione potrebbe essere determinato dalla curva di intensità. I dati utilizzati nei raccordi T1 si sono estesi per 2,6 secondi senza considerare gli spettri raccolti dopo questo tempo a causa della deviazione osservata dal comportamento di rilassamento monoesponenziale che è stato probabilmente causato da differenze sostanziali nel comportamento di rilassamento tra le zone respiratorie e le vie aeree più grandi.
I risultati delle misurazioni di rilassamento dalle curve di decadimento HP 83Kr sono riassunti in Fig. 19.4 dove i punti dati mostrano i valori di 83Kr T1 nei polmoni di ratto in funzione del volume di inalazione, compresi tra Vi = 3 e Vi = 20 ml. I cerchi riempiti rappresentano esperimenti in cui un volume Vi di miscela di gas HP era l’unico gas inalato (cioè, schema di inalazione 1). Si noti che ogni punto di dati è la media delle misurazioni di rilassamento da polmoni asportati di cinque singoli ratti (3 mesi di età; 350-425 g) e di almeno due raccordi T1 per volume di inalazione e campione. I dati di rilassamento mostrano una deviazione relativamente piccola tra i singoli ratti (visualizzati come barre di errore che mostrano la deviazione standard) sottolineando l’elevata riproducibilità degli esperimenti.
Figura 19.4. (A) Schizzo dei vari schemi di inalazione che dirigono l’HP 83Kr più verso le vie aeree (schema 2) o verso la zona respiratoria S/V alta (schema 3) rispetto all’inalazione “normale” HP 83Kr (schema 1). Nello schema 2, i polmoni inalano prima il volume Vidark di “gas scuro” (cioè a gas , che non è MRI rilevabile, in genere aria o N2 indicato in colore rosso), seguita da HP 83Kr (mostrato in colore blu), di conseguenza, il totale inalazione volume Vi. Schema 3, che rappresenta un “azoto chaser” tipo di esperimento, dove l’inalazione di HP 83Kr è seguita da un volume di N2, di nuovo, di conseguenza, il totale inalazione volume Vi. (B) Misurata 83Kr T1 tempi di rilassamento come una funzione di inalazione volume Vi, ex vivo polmoni e il sistema di ventilazione disegnato in Fig. 19.3. Notare l’indipendenza del volume di inalazione del rilassamento 83Kr sopra Vi = 10 mL con gli schemi 1 e 3.
Adattato con il permesso di Stupic KF, Elkins ND, Pavlovskaya GE, Repine JE, Meersmann T. Effetti dell’inalazione polmonare sul rilassamento iperpolarizzato della risonanza magnetica krypton-83 T-1. Phys Med Biol 2011;56 (13): 3731-48. doi:10.1088/0031-9155/56/13/001. PubMed PMID: ISI: 000291866800003.
In base ai risultati con le superfici del modello, si prevederebbe ingenuamente che con l’aumento del volume di inalazione, Vi, si troverebbero anche i tempi T1 per aumentare perché l’espansione degli alveoli presumibilmente causerà il declino di S/V. Tuttavia, i tempi di T1 osservati sono diventati più brevi o sono rimasti costanti con l’aumento del volume di inalazione. Il calo iniziale dei tempi di rilassamento può essere spiegato dal contributo mutevole delle vie aeree (basso S/V) e dalle zone con alto S/Vs come la regione respiratoria (cioè i dotti alveolari e le sacche alveolari), comprese forse le vie aeree più distali come i bronchioli e i bronchi più piccoli. A basso volume di inalazione, le vie aeree contribuiscono a una frazione più elevata del segnale rilevato rispetto ai grandi volumi di inalazione in cui il segnale proviene in modo schiacciante dalla zona alveolare. Il tempo di rilassamento misurato può essere una media “vera” del rilassamento nelle diverse zone a causa della diffusione del gas che causa un rapido scambio tra queste regioni. In alternativa, i tempi di rilassamento nelle diverse zone possono semplicemente essere sufficientemente simili da creare l’impressione di un decadimento del segnale monoesponenziale. In ogni caso, una singola costante di tempo sembra fornire una buona descrizione del rilassamento longitudinale 83Kr. Con l’aumento del volume di inalazione, e quindi aumentando il contributo dalla zona alveolare, l’S/V aumenta e le costanti di tempo T1 diminuiscono.
Questa interpretazione è ulteriormente supportata dalle osservazioni fatte con schemi di inalazione alternativi in cui viene prima inalato gas non HP (“scuro”) che non può essere osservato dalla risonanza magnetica seguita da gas HP (schema di inalazione 2) o, viceversa, dove il gas HP è seguito da gas scuro, non rilevabile (cioè, un esperimento di azoto-chaser-o schema di inalazione 3). Si prevede che lo schema di inalazione 2 riduca la quantità di HP 83Kr nella regione alveolare ma non nelle vie aeree. Di conseguenza, ci si aspetterebbe di osservare tempi T1 più lunghi con lo schema di inalazione 2 rispetto allo schema 1. Questo è effettivamente osservato come mostrato dai punti di dati (triangoli) in Fig. 19.4. La riduzione del tempo di rilassamento è più pronunciata per Vidark = 12 mL rispetto a Vidark = 6 mL. Inoltre, i tempi T1 dello schema 2 diventano paragonabili a quelli dello schema 1 per inalazione ai massimi volumi di inalazione. Lo schema di inalazione 3, eseguito con volumi di inalazione totali Vi che vanno da 9 a 20 mL, è stato progettato per sopprimere i segnali HP 83Kr dalle vie aeree più grandi e per aumentare il contributo di gas HP dalla regione alveolare. Come con lo schema 1, i tempi T1 diminuiscono inizialmente e alla fine si stabilizzano con un volume totale di inalazione Vi di circa 12 mL. Tuttavia, questo schema porta a tempi di rilassamento più rapidi (cerchi aperti) con T1≈1,0 s per Vi≥12 mL rispetto al corrispondente valore di T1≈1,3 s ottenuto con lo schema 1 per lo stesso volume di inalazione. Si noti che gli esperimenti di imaging successivi hanno trovato una distribuzione bimodale dei tempi di rilassamento con un lento contributo di rilassamento veloce intorno a 1 s e una distribuzione di rilassamento più lenta intorno a circa 1,3 s (vedere la sezione “Contrasto HP 83Kr QUADRATO T1 di un modello animale di enfisema”).
Sebbene il calo iniziale dei tempi di rilassamento con l’aumento del volume di inalazione possa essere spiegato da uno spostamento del contributo relativo tra le vie aeree e la zona respiratoria, la completa assenza di un aumento di 83Kr T1 volte con l’aumento dell’inalazione polmonare è degna di nota. Si prevede che l’S/V nel polmone diminuisca con l’aumento del volume di inalazione. Tuttavia, il volume di inalazione indipendente 83Kr T1 volte ad alti volumi di inalazione con schema 1 e 3 indicano costante S / V nella parte distale delle vie aeree e le zone respiratorie. Sorprendentemente, a seguito di precedenti osservazioni nei polmoni canini, una scoperta in qualche modo simile è stata riportata da Woods, Conradi, Yablonski e colleghi nella ricerca 3He utilizzando il lavoro del coefficiente di diffusione apparente (ADC) nei polmoni umani . I ricercatori hanno concluso che i raggi del dotto alveolare aumentano solo leggermente con l’inalazione e che l’aumento del volume polmonare è causato in gran parte dal reclutamento alveolare. Si noti tuttavia che l’ADC è determinato su scale temporali di tipicamente 1-3 ms che sono molto più brevi delle misurazioni di rilassamento per un periodo di durata di 2.6 s riportate qui e le misurazioni ADC sondano quindi una regione molto più piccola . A 293K, la costante di diffusione varia da D = 0. 63cm2 / s (krypton in elio) a D=0.15cm2 / s (krypton in azoto) e, di conseguenza, le miscele di gas krypton a diffusione libera mostrerebbero spostamenti medi di dimensioni centimetriche durante un periodo di tempo di 2-3 S. L’indicazione che le dimensioni alveolari siano in gran parte indipendenti dal volume di inflazione, fornita da due diversi metodi che sondano scale di lunghezza molto diverse, è notevole e può portare a intuizioni sul meccanismo di reclutamento alveolare. In combinazione con misurazioni ADC e altre tecniche, come gli esperimenti in fase disciolta HP 129Xe, HP 83KR SQUARE MRI contrast può fornire ulteriori indizi in futuro. Per ora, l’importante risultato di Fig. 19.4 è che il contrasto QUADRATO HP 83Kr, esplorato nella sezione seguente, è altamente riproducibile con poca preoccupazione per piccole fluttuazioni nel volume di inalazione, almeno all’interno di polmoni di roditori sani (asportati) e finché il volume di inalazione è sufficientemente grande. Esperimento azoto-chaser (schema di inalazione 3) può potenzialmente migliorare il contrasto quadrato come l’HP 83Kr sarà diretto più verso le zone respiratorie.