Magnetic Resonance


| MR measurement of perfusion | | Diffusometry | | Spectroscopy | | - jMRUI | | - NMRScope-B | | Contrast agents | | Morphometry | | Multiparametric data analysis | | Hyperpolarization | | Applications |





The NMR group focuses on the development of measurement methods and technologies for biomedical and also technical applications of nuclear magnetic resonance and to the application of MR techniques in preclinical, particularly translational research utilizing mouse and rat animal models of neurologic, psychiatric and oncologic diseases. The current research emphasizes
  • measurement of organ perfusion and pharmacokinetic modeling,
  • measurement of water diffusion parameters,
  • spatially localized MR spectroscopy (MRS) and spectroscopic imaging (MRSI), including metabolite quantitation and computer simulation,
  • characterization and tracing of contrast agents in vitro and in vivo, aiming at targeted transport of nanoparticles,
  • MR-based morphometry and
  • multiparametric data analysis.
Ensuring verifiable reproducible quantitative results for specific applications is one of the crucial goals. Other areas of interest include testing MR compatibility of materials and utilization of MR for the study of plants and porous materials. The experimental research is based on a modern 9.4T MR system Bruker Biospec 94/30, equipped for multinuclear preclinical imaging, and an accredited mouse and rat animal facility. Also a 4.7T MR imaging system is available. The group closely collaborates with other subjects (Masaryk University, Veterinary Research Institute and others), which ensures the multidisciplinary needs of preclinical research employing MR. Translation of the techniques to clinical practice is another part of the research interests.


Research topics


MR measurement of perfusion
Purpose: Charakterizace parametrů perfúze, tedy procesu zásobování orgánů krví sítí krevních vlásečnic, má využití v lékařské diagnostice i preklinickém výzkumu. Zvýšená perfúze může být důsledkem angiogeneze doprovázející růst nádoru, snížená perfúze např. po poranění může být příčinou ischemie a následného omezení funkce a vážnějšího poškození orgánu (mozku, srdce). Oblasti s nízkou perfúzí budou i problematické pro transport léčiv. Perfúze detegovaná pomocí intravenózně podaného bolusu kontrastní látky navázané na transportní nosič léčiva může v preklinickém výzkumu prověřit schopnost dopravit léčivo do cílové oblasti. Vlastnosti perfúze mohou odrážet i změněnou účinnost biologických bariér, jako je hematoencefalická bariéra chránící neuronové tkáně v mozku, a její studium může poskytnout i podněty pro výzkum patofyziologie např. neurologických onemocnění.
Methods: Perfúze se pomocí MRI stanovuje analýzou časové sekvence MR obrazů získaných po označkování krve vtékající do sledované oblasti. Analýza je založena na detekci a modelování časového průběhu změn intenzity obrazů v důsledku přítomnosti značkované krve. Značkovat je možné kontrastní látkou (metody DCE jsou založeny na změně relaxačního času T1, metody DSC využívají zkrácení relaxačního času T2), nebo magneticky přímo MR přístrojem (metoda ASL). Jednotlivé metody mají své experimentální výhody i nevýhody a užívají se s různými farmakokinetickými modely.
Research: Cílem výzkumu je zajistit kvalitní měření a jeho objektivní interpretaci, propojení modelů a metod do konzistentního obrazu tkáně z hlediska perfúze. K tomuto účelu skupina vyvíjí algoritmy a software. Vedle humánních i animálních měření, probíhajících ve spolupráci s partnery, skupina vyvíjí fantomy pro verifikaci modelů a provádí tato měření v praktických studiích zadaných výzkumnými partnery.
Diffusometry
Purpose: Měření difúze vody, tedy statistických parametrů Brownova pohybu molekul vody, poskytuje informaci o stavu tkání v mikroskopickém měřítku, zpravidla hluboko pod hranicí prostorového rozlišení standardního MR zobrazování. Ke změně parametrů difúze (rychlosti, směrovosti, jejich distribuce) může dojít např. narušením buněčných stěn, organel, biochemickými změnami v cytoplazmě atd. Anizotropie difúze (stanovená na základě výpočtu tenzoru difúze) je např. cenným podkladem pro stanovení strukturní konektivity v mozku či míše, neboť směr největší mobility sleduje směr nervových vláken.
Methods: Pro měření difúze je podstatné tzv. difúzní váhování intenzity MR obrazů v libovolném zadaném směru pomocí pulsních gradientů magnetického pole. Tento proces vede k zeslabení signálu úměrně lokální mobilitě molekul vody ve směru gradientu pole. Na základě série měření pro různé směry lze získat informace k výpočtu tenzoru difúze, který modeluje prostorově neomezenou difúzi s max. jedním směrem s dominantní mobilitou. Pro komplikované tkáně (např. křížení neuronů) může být tento model nedostatečný; komplikovanější modely ale vyžadují proměření většího počtu směrů difúzního váhování. V případě prostorově omezené difúze (např. buněčnými stěnami) může být negaussovské rozložení distribuce mobilních odhaleno měřením s větším počtem faktorů difúzního váhování. Pro praktické měření je nepříjemné to, že tento kontrastní mechanismus konkuruje ztrátě signálu T2 relaxací. Snahou proto je měření provádět velmi brzy po excitaci (s krátkým echo-časem TE), avšak bez omezení difúzně váhujících faktorů. I přes použití rychlých zobrazovacích metod a silných gradientů je měření difúze časově náročné.
Research: Konkrétní aplikace si žádá volbu vhodné zobrazovací techniky a optimální nastavení parametrů měření, s ohledem na vlastnosti difúze v zájmových tkáních, nezbytné prostorové a časové rozlišení, parametry přístroje, a rovněž druh změn následkem sledované patofyziologie. Délka měření je silnou motivací k vývoji rychlejších metod měření, příp. ke kompromisům mezi rychlostí a dalšími parametry (rozlišení, prostorová distorze, poměr S/N …), případně hodnocení difúze s využitím multiparametrických MR obrazů. Vývojové práce skupiny jdou tímto směrem. Současně jsou tyto metody aplikovány v praktickém výzkumu biomedicínských partnerů.
Spectroscopy
Purpose: Součástí patofyziologie mnohých onemocnění jsou biochemické změny, doprovázené změnami koncentrace některých metabolitů, které lze stanovit s využitím MR spektroskopických metod. Počet rozpoznatelných metabolitů závisí zejména na velikosti základního magnetického pole a na homogenitě statického pole. V mozkových tkáních při měření jader 1H mezi ně patří N-acetyl aspartát, kreatin, fosfokreatin, cholin, glycerylfosforylcholin, glutamin, glutamát, myo-inositol, laktát, kyselina gama-aminomáselná, taurin aj., vyskytující se v koncentracích obvykle 1-15 mmol/L, při měření 31P sloučeniny ATP, ADP, PME, PDE, fosfokreatin, inorganický fosfát. Tyto látky jsou podstatné v základním energetickém metabolismu, jako neurotransmitery, stavební materiál buněčných membrán, jako antioxidanty. Spolehlivé kvantitativní údaje mohou přispět k výzkumu patofyziologie a etiologie závažných, např. neurologických, psychiatrických, a onkologických chorob a ke zlepšení jejich diagnostiky.
Methods: NMR signály jednotlivých metabolitů, s charakteristickými rozdílnými spektry, se pro účely in vivo měření lokalizují: u jednovoxelové MR spektroskopie (MRS) se v jednom měření excituje signál jen z omezeného objemu vzorku, u spektroskopického zobrazování (MRSI) se kombinuje spektroskopické měření se zobrazováním. Spektrální rozdíly souvisí s tím, že v jednotlivých molekulách jsou rezonanční kmitočty jader ovlivněny chemickým stíněním a vnitromolekulárními interakcemi spinů atomových jader.
Research: Jsou zdokonalovány existující a vyvíjeny nové metody pro získávání NMR spekter prostorově lokalizovaných v živých organismech nebo tkáních, zejména v mozku. Cílem výzkumu je zkvalitnit kvantifikaci NMR spekter, a tím vytvořit lepší podmínky pro úspěšné uplatnění této techniky v lékařském výzkumu i v klinické praxi. Součástí tohoto programu je vývoj algoritmů a softwaru (jMRUI) pro kvantitativní analýzu spekter a simulaci vázaných spinových systémů (NMRScopeB).
- jMRUI
Program jMRUI (http://www.mrui.uab.es/mrui/) je vyvíjen konsorciem evropských institucí ke kvantifikaci in vivo spekter měřených metodami MR jednovoxelové spektroskopie i spektroskopického zobrazování. ÚPT v současné době koordinuje softwarový vývoj, který souvisí s EU grantem TRANSACT “Transforming Magnetic Resonance Spectroscopy into a Clinical Tool” (http://www.transact-itn.eu/).
- NMRScope-B
NMRScope-B je rozšiřující modul k programu jMRUI verze 5.0 (http://www.mrui.uab.es/mrui/) nebo pozdější, umožňující simulaci vázaných spinových systémů v průběhu NMR experimentu. Primárním cílem pluginu je simulace NMR signálů a spekter biomedicínsky zajímavých metabolitů pro potřeby jejich spektroskopické kvantifikace, poskytuje ale i řadu dalších funkcí pro vývoj metod in vivo MR spektroskopie a spektoskopického zobrazování. Simulace zahrnuje efekty chemických posunů, spin-spinových vazeb, relaxace, prostorové a spektrální selektivity excitace a podporuje volnou tvorbu pulsních sekvencí a protokolů. Software je poskytován na základě licenční smlouvy na využívání programu jMRUI. Pro nekomerční využití je licence bezplatná. Přesné znění licenční smlouvy, manuál a software mohou být získány na e-mailové adrese jana@isibrno.cz.
NMRScope-B byl vyvinut v Ústavu přístrojové techniky AV ČR v rámci EU grantu FAST “Advanced Signal-Processing for Ultra-Fast Magnetic Resonance, and Training” (MRTN-CT-2006-035801) a s podporou grantů GA102/09/1861 a AV0 Z20650511. Je dále vyvíjen za přispění EU grantu TRANSACT “Transforming Magnetic Resonance Spectroscopy into a Clinical Tool” (http://www.transact-itn.eu/).
Contrast agents
Purpose: Kontrastní látky jsou tvořeny molekulami nebo nanočásticemi, které jsou zpravidla nitrožilně vpraveny do krevního oběhu, jímž jsou unášeny, a jejž tak mohou charakterizovat. Mohou být použity např. pro angiografická měření k zvýraznění krve, ale vzhledem k tomu, že angiografie je proveditelná i bez nich, je jejich hlavní význam při charakterizaci perfúze a funkce biologických bariér; průnik částic závisí na jejich velikosti a charakteru. Rostoucí význam kontrastních látek spočívá i v zájmu o vývoj cílených léčiv. Napojení léčiva na nosič spolu se zobrazovacím markerem je cestou ke sledování cílení léčiva. Výhodou je i multimodální značkování (např. fluorescence + MR), které spojí vysokou citlivost jedné modality s prostorovým rozlišením a přenesitelností na člověka u MR.
Methods: Kontrastní marker je zřídka detegován přímo – možné to je jen u markerů, které jsou samy zdrojem MR signálu a nemají přirozené pozadí, např. 19F. Kontrastní látky zpravidla vyvolávají změnu relaxačních vlastností molekul vody, s nimiž částice přichází do kontaktu. Podle druhu částic a zobrazovací metody lze pozorovat pozitivní nebo negativní změny jasu, existují i materiály s kontrastními vlastnostmi podmíněnými např. chemicky nebo excitačně. Protože změny jasu závisejí na koncentraci, a je žádoucí detegovat co nejmenší koncentrace, jsou i změny jasu velmi malé a je výhodou, lze-li experiment provést jako diferenční, tzn. s detekcí rozdílu daného přítomností kontrastní látky.
Research: Tyto práce se teprve rozvíjejí, největší podíl mají studie směřující k charakterizaci nově vyvinutých kontrastních látek in vitro i in vivo, se zaměřením na cílený transport nanočástic.
Morphometry
Purpose: Součástí patofyziologie mnohých onemocnění jsou biochemické změny, doprovázené změnami koncentrace některých metabolitů, které lze stanovit s využitím MR spektroskopických metod. Počet rozpoznatelných metabolitů závisí zejména na velikosti základního magnetického pole a na homogenitě statického pole. V mozkových tkáních při měření jader 1H mezi ně patří N-acetyl aspartát, kreatin, fosfokreatin, cholin, glycerylfosforylcholin, glutamin, glutamát, myo-inositol, laktát, kyselina gama-aminomáselná, taurin aj., vyskytující se v koncentracích obvykle 1-15 mmol/L, při měření 31P sloučeniny ATP, ADP, PME, PDE, fosfokreatin, inorganický fosfát. Tyto látky jsou podstatné v základním energetickém metabolismu, jako neurotransmitery, stavební materiál buněčných membrán, jako antioxidanty. Spolehlivé kvantitativní údaje mohou přispět k výzkumu patofyziologie a etiologie závažných, např. neurologických, psychiatrických, a onkologických chorob a ke zlepšení jejich diagnostiky.
Methods: NMR signály jednotlivých metabolitů, s charakteristickými rozdílnými spektry, se pro účely in vivo měření lokalizují: u jednovoxelové MR spektroskopie (MRS) se v jednom měření excituje signál jen z omezeného objemu vzorku, u spektroskopického zobrazování (MRSI) se kombinuje spektroskopické měření se zobrazováním. Spektrální rozdíly souvisí s tím, že v jednotlivých molekulách jsou rezonanční kmitočty jader ovlivněny chemickým stíněním a vnitromolekulárními interakcemi spinů atomových jader.
Research: Jsou zdokonalovány existující a vyvíjeny nové metody pro získávání NMR spekter prostorově lokalizovaných v živých organismech nebo tkáních, zejména v mozku. Cílem výzkumu je zkvalitnit kvantifikaci NMR spekter, a tím vytvořit lepší podmínky pro úspěšné uplatnění této techniky v lékařském výzkumu i v klinické praxi. Součástí tohoto programu je vývoj algoritmů a softwaru (jMRUI) pro kvantitativní analýzu spekter a simulaci vázaných spinových systémů (NMRScopeB).
Multiparametric data analysis
Purpose: Součástí patofyziologie mnohých onemocnění jsou biochemické změny, doprovázené změnami koncentrace některých metabolitů, které lze stanovit s využitím MR spektroskopických metod. Počet rozpoznatelných metabolitů závisí zejména na velikosti základního magnetického pole a na homogenitě statického pole. V mozkových tkáních při měření jader 1H mezi ně patří N-acetyl aspartát, kreatin, fosfokreatin, cholin, glycerylfosforylcholin, glutamin, glutamát, myo-inositol, laktát, kyselina gama-aminomáselná, taurin aj., vyskytující se v koncentracích obvykle 1-15 mmol/L, při měření 31P sloučeniny ATP, ADP, PME, PDE, fosfokreatin, inorganický fosfát. Tyto látky jsou podstatné v základním energetickém metabolismu, jako neurotransmitery, stavební materiál buněčných membrán, jako antioxidanty. Spolehlivé kvantitativní údaje mohou přispět k výzkumu patofyziologie a etiologie závažných, např. neurologických, psychiatrických, a onkologických chorob a ke zlepšení jejich diagnostiky.
Methods: NMR signály jednotlivých metabolitů, s charakteristickými rozdílnými spektry, se pro účely in vivo měření lokalizují: u jednovoxelové MR spektroskopie (MRS) se v jednom měření excituje signál jen z omezeného objemu vzorku, u spektroskopického zobrazování (MRSI) se kombinuje spektroskopické měření se zobrazováním. Spektrální rozdíly souvisí s tím, že v jednotlivých molekulách jsou rezonanční kmitočty jader ovlivněny chemickým stíněním a vnitromolekulárními interakcemi spinů atomových jader.
Research: Jsou zdokonalovány existující a vyvíjeny nové metody pro získávání NMR spekter prostorově lokalizovaných v živých organismech nebo tkáních, zejména v mozku. Cílem výzkumu je zkvalitnit kvantifikaci NMR spekter, a tím vytvořit lepší podmínky pro úspěšné uplatnění této techniky v lékařském výzkumu i v klinické praxi. Součástí tohoto programu je vývoj algoritmů a softwaru (jMRUI) pro kvantitativní analýzu spekter a simulaci vázaných spinových systémů (NMRScopeB).
Hyperpolarization
Purpose: Součástí patofyziologie mnohých onemocnění jsou biochemické změny, doprovázené změnami koncentrace některých metabolitů, které lze stanovit s využitím MR spektroskopických metod. Počet rozpoznatelných metabolitů závisí zejména na velikosti základního magnetického pole a na homogenitě statického pole. V mozkových tkáních při měření jader 1H mezi ně patří N-acetyl aspartát, kreatin, fosfokreatin, cholin, glycerylfosforylcholin, glutamin, glutamát, myo-inositol, laktát, kyselina gama-aminomáselná, taurin aj., vyskytující se v koncentracích obvykle 1-15 mmol/L, při měření 31P sloučeniny ATP, ADP, PME, PDE, fosfokreatin, inorganický fosfát. Tyto látky jsou podstatné v základním energetickém metabolismu, jako neurotransmitery, stavební materiál buněčných membrán, jako antioxidanty. Spolehlivé kvantitativní údaje mohou přispět k výzkumu patofyziologie a etiologie závažných, např. neurologických, psychiatrických, a onkologických chorob a ke zlepšení jejich diagnostiky.
Methods: NMR signály jednotlivých metabolitů, s charakteristickými rozdílnými spektry, se pro účely in vivo měření lokalizují: u jednovoxelové MR spektroskopie (MRS) se v jednom měření excituje signál jen z omezeného objemu vzorku, u spektroskopického zobrazování (MRSI) se kombinuje spektroskopické měření se zobrazováním. Spektrální rozdíly souvisí s tím, že v jednotlivých molekulách jsou rezonanční kmitočty jader ovlivněny chemickým stíněním a vnitromolekulárními interakcemi spinů atomových jader.
Research: Jsou zdokonalovány existující a vyvíjeny nové metody pro získávání NMR spekter prostorově lokalizovaných v živých organismech nebo tkáních, zejména v mozku. Cílem výzkumu je zkvalitnit kvantifikaci NMR spekter, a tím vytvořit lepší podmínky pro úspěšné uplatnění této techniky v lékařském výzkumu i v klinické praxi. Součástí tohoto programu je vývoj algoritmů a softwaru (jMRUI) pro kvantitativní analýzu spekter a simulaci vázaných spinových systémů (NMRScopeB).
Applications
Current work is focused to collaborative research of Parkinson's disease, schizophrenia and tumours in mouse and rat animal models and to testing experimental contrast agents synthesized by collaborating teams for the development of nanoparticle or molecular carrier for targeted delivery of drugs or diagnostic markers.

 
© 2001-2016, ISI AS CR Last modification: 22. 5. 2015 11:36:49 Send comments and suggestions to webmaster here