利用超短T₂^*弛豫进行细胞测量的系统和方法

专利名称：利用超短T₂^*弛豫进行细胞测量的系统和方法
技术领域：
本公开涉及使用磁共振成像来测量快速衰变的T,弛豫用于对标记细胞进行冇效定量的系统和方法。所公开的系统和方法在许多应用(包括细胞运输和细胞治疗)中有用。
2.
背景技术：
利用干细胞和免疫细胞，以修复和血管重建为目的的细胞治疗，正曰益应用于临床试验中。细胞到靶器官的准确递送能区分成与败。定量递送到粑组织的细胞数目对于优化细胞治疗的剂量和吋机有着重要的作用。超顺磁性氧化铁(SPIO)试剂已经用于离体标记细胞，使得研究者有能力用磁共振(MR)成像监测这些细胞的迁移、增殖和归巢。SPIO标记产生了强烈的弛豫率(112*)效应，其随铁浓度增加而线性地增加。112*定义为1/T2*。
通常利用多梯度回波成像得到丁2*弛豫。在包含高浓度铁标记细胞的组织中，T^可以是超短的。在示例性的情况中，丁2*低于1到2毫秒，但精确的丁2*时间随应用而不同。梯度回波的回波时间一般受限于硬件设置。在实际设置中获得超短回波吋间不是微不足道的。因此，对于常规梯度回波成像而言，组织中具有超短丁2*的信号衰变通常太快。
尽管到目前有这些努力，但仍需要有克服与传统细胞定量技术相关的困难和限制的系统和/或方法。另外，仍需要细胞定量技术，其不需要硬件更改和/或专用的射频脉冲设计。更进一步，需要在多种应用(包括细胞治疗等)中有效且可靠地监观lJ和/或定量标记细胞水平如标记干细胞的系统和方法。所公开的系统和方法满足这些及其他需要。
概述
本公开提供在许多应用(如细胞运输和细胞治疗)中用于测量和/或定量细胞水平的系统和方法。所公开的系统和方法的示例性的实施方案涉
4及使用已用造影剂或其他区别特征离体标记的细胞。使用MR成像监测标 记细胞，以评估所述标记细胞的迁移、增殖和/或归巢。典型地，所述造影
剂是SPIO,但可在不背离本公开的主旨或范围的情况下采用其他造影剂。
根据本公开，在多种细胞相关的应用中，有利地采用丁2*弛豫测量标记 细胞浓度。山于丁2*在高浓度铁标记细胞中是超短的，因此本文公开用于测 量丁2*弛豫的有利的系统和方法，这样的系统和方法使用自旋回波成像序列 而不是标准的梯皮回波成像以获得彻望的结果。在示例性的情况中，丁2*低
于1至2毫秒，但所公开的系统和方法在宽范围的丁2*值具有有利的应用， 这样的T户值一般随应用不同而不同。所公开的系统和方法诱导常规自旋回 波信号产生第一自旋回波图像，接着诱导多个自旋回波信号产生一系列从 适合的回波移位到所述丁2*衰变的额外的自旋回波图像，接着采用指数拟合 导出丁2*图。
脱离细胞的MR成像的自旋回波信号分别由第一射频(RF)脉冲继之以 第二射频脉冲形成。采用自旋回波信号产生丁2曲线，其中用SPIO粒子邻〗 米粒子标记的细胞的丁2比丁2*长得多并由M^—^定义。然后，由 M5,^'￡/7:7Z-7￡》T-"定义自旋回波的T2*衰变曲线。在不同吋间间隔取多个自旋 回波图像，所述时间间隔由可能小于lms的回波移位步长定义。通过指数 拟合用第一自旋回波图像和具有合适的回波移位的多个自旋回波图像产生 超短丁2*图。通过在常规丁2*图上叠加超短丁2*图而产生整个丁2*图。
通过以下的描述，特别是结合附图阅读吋会清楚所公开的系统和方法 的其他特征、功能和益处。
附图简述
为帮助本领域普通技术人员了解和使用本公开的系统和方法，对附图 进行说明，其中


图1是采用多梯度回波序列的标准T/弛豫示意图2是采用自旋回波序列的超短T^弛豫序列示意图3a是肿瘤大鼠的轴向梯度回波图像；
图3b是回波移位为0.8 ms的轴向自旋回波图像；
图3c是普鲁士蓝(plussianblue)染色的肿瘤切片；图4a是通过信号阈掩蔽以除去噪音的常规T^图4b是叠加在常规丁2*图上的超短丁2*图5a是标记的胁腹肿瘤的代表性RZ图5b是未标记的胁腹肿瘤的代表性R^图6(a)-6(c)是具有不同数目的铁标记细胞的肿瘤矩形图；以及
图7是说明R^与标记细胞数目/mmS线性相关的图表。
示例性实施方案的描述
木发明公开了用于测量和/或定量细胞水平的系统和方法，其不需耍硬 件更改和/或专用的RF脉冲设计。所公开的系统和方法应用广泛，包括细 胞运输和细胞治疗应用。为了评估标记细胞的迁移、增殖和/或归巢，使用 MR成像对标记细胞进行监测。如本文所描述，用MR成像测量快速衰变的 丁2*弛豫吋间，以便有效地定量标记细胞。
SPIO试剂影响TM T2禾卩丁2*弛豫吋间。对细胞区室的(cellular compartmental)SPIO而言，对丁2*弛豫的影响比对T2弛豫的高10倍。因而， 在SPIO标记的细胞中，丁2比丁2*长得多。尽管存在与超短的丁2*衰变有关 的大量信号丢失，但所公开的系统和方法通过获得一系列自旋回波图像来 利用相对长的丁2衰变，以利于容易地确定丁2*值。
图1是利用多梯度回波序列的常规T^弛豫的基本示意图。信号由低倾 倒角RF脉沖诱导。在激发脉冲后，梯度读出被用于形成回波。RF脉冲和 梯度读出中心之间的时间被定义为"TE"。显然，时间间隔TE被RF脉冲 以及切片选择梯度和读出梯度之间的梯度波形所限制。因此，TE被硬件设 置(包括具体的梯度强度和梯度上升时间)所限制。
在梯度回波处获得的信号由M^—'^「"定义，其中My是稳态的磁化强 度。在用高浓度铁标记细胞的组织中，丁2*可能低于1或2毫秒。因此，该 信号可以在几毫秒的回波吋间内衰变至噪音水平。之前为降低TE的努力已 涉及硬件修正或在序列设计上的大量工作，但对于许多常规应用来说，这 两种途径都不是最佳和/或实际的。
图2示意说明与本公开的示例性执行相关的多个参数。自旋回波用于 根据所公开的系统和方法获得图像。使用自旋回波替代常规使用的梯度回波。在本公开的示例性实施方案中，由90度RF脉冲，接着由180度RF 脉冲形成自旋回波。在TE的信号强度由关系式Msse—TE^确定。由于丁2在 SPIO标记的细胞中长得多，通过自旋回波获得的信号就比从梯度回波获得 的信号大得多，因此避免了图像中与大量信号丢失有关的负面效应。接着 可将超短丁2*弛豫图叠加在常规丁2*图上，以产生视场的最终丁2*图。
如图2所示，通过获得一系列的自旋回波图像可以实现超短丁2*弛豫的 测量。作为常规自旋回波图像，得到第一回波。通过适合的可能低于1毫 秒的回波移位步长，将读出移位到丁2*衰变曲线，获得下一图像。这种方法 允许通过自旋回波信号产生的丁2*袞变曲线进行采样。接着可用指数拟合导 出丁2*图。
进一步参考图2，用自旋回波序列获得一系列图像。作为标准自旋回波 图像，获得第一扫描。利用回波移位到T^衰变曲线而获得随后的扫描(扫 描2-扫描5)，其由下述关系式定义Mk7￡/7V "。如图2中所示，通 过有利的自旋回波利用，所公开的系统和方法在克服与与T^相关的快速衰 变相关的局限性方而有效。
参考下述实施例进一步说明与所公开的系统和方法相关的用途和益 处。然而，要理解，这样的实施例不限制本公开的范围，而仅是对其示例 性的执行和/或效用的举例说明 实施例1
为促进测量含有高浓度铁标记细胞的组织中的快速衰变的丁2*弛豫(其 中丁2*衰变对于常规多梯度回波丁2*作图而言太快)，采用下述方法。在有 铁标记肿瘤的大鼠体内进行MR试验，以证实所公开的方法可用于定量低 至1到2毫秒或更低的超短丁2*。结合常规丁2*作图，所公开的技术可用于 改善包含大量铁标记细胞的组织的体内定量和监测。
SPIO纳米粒子广泛用于影响标记细胞和组织的T,、丁2和丁2*弛豫吋间。 T^弛豫吋间是检测SPIO标记细胞的最灵敏的参数，在本文公开的有利的 系统和方法基础上，可以有效地应用丁2*弛豫对细胞治疗中的标记干细胞进 行定量和监测。如上文所指出，丁2*弛豫一般通过多梯度回波成像进行。然 而，在含有高浓度铁标记细胞的组织中，丁2*可能会低于2毫秒，并因此对 于常规梯度回波时间而言信号衰变太快。利用结合SPIO的细胞的相对长的
7T，—衰变，所公开的系统/方法使甩一系列自旋回波图像，对快速衰变的T2* 弛豫进行测量。在此示例性的实施例中，研究在有铁标记肿瘤的大鼠中短 丁2*的体内定量。
序列显影(Sequence Development):如图2所示，通过获得一系列自旋 回波图像对超短丁2*进行测量。作为常规自旋回波图像，得到第一回波。通 过低于1毫秒的歩长将读出移位到T,衰变，从而获得随后的图像。这允许 从自旋回波信号对丁2*袞变曲线采样。
#7々试邀:使用本领域已知的标记方法，用菲立磁-硫酸鱼精蛋白(FEPro) 复合物标记C8161黑色素瘤细胞。将2xl06个FEPro标记或未标记(对照) 的黑色素瘤细胞移植入5只裸大鼠胁腹的皮下两侧。在接种肿瘤细胞约2 周后，在3TIntera全身扫描仪(Philips Medical System)上，用专用的7cm大 鼠RF螺线圈进行MRI。用多梯度回波序列(MGES)获得常规U图[TR/TE = 1540/16 ms, 13个回波，256x256矩阵，17个切片，切片厚度=1.0誦，FOV =80mm, NEX = 4]。为测量短丁2*，分别采用移位0 ms， 0.4 ms， 0.8 ms， 1.2ms和2.3ms的读出回波，得到五组自旋回波图像，参数如下TR/TE = 1000/6.4, 144xl44矢巨阵，17个切片，切片厚度=1.5 mm, FOV = 80 mm， NEX =4。
if薪分/万使用IDL软件工具进行数据分析。采用指数拟合导出T2*
图。将两套数据集(即常规丁2*图和短丁2*图)合并，显示为丁2*图。
从4只大鼠得到超短丁2*弛豫图和MGES常规丁2*图。图3a显示大鼠 中胁腹肿瘤的轴向梯度回波图像。如图3c所示，高浓度铁标记细胞诱导标 记肿瘤中的信号空白。然而，同一肿瘤的自旋回波图像(图3b)由于细胞结 合的SPIO的相对较长的T2弛豫吋间而经历较少的信号衰变。用MGES测 量的T,图(图4a)显示在肿瘤边界的高丁2*值区域，其指示了随肿瘤生长 FEPro标记的连续稀释。因为由肿瘤中心的大量浓的标记细胞诱导的快速 丁2*衰变，MGEST^图没有检测到任何信号。作为对比，超短T^图(图4b) 显示肿瘤中心的丁2*值大约2 ms，其与图3a中高浓度铁标记细胞区域对应。
/#论本试验证实在细胞和组织中，对超短丁2*弛豫时间的测量有效。 体内MR试验证实这种方法能测量高浓度铁标记细胞中低至1 ms或更低的 超短丁2*值。与常规TZ图结合，所公开的技术可用于改善含大量铁标记细胞的组织的体内定量和监测。 实施例2
在试验模型中对靶组织中的标记干细胞数目进行定量，对于优化临床 试验中细胞治疗的剂量和时机非常重要。SPIO试剂用于标记细胞，以通过
MR成像监测它们的迁移、增殖和/或归巢。1^*(1/丁2*)弛豫率是用于定量监 测细胞内SPIO的灵敏参数。
在本示例性实施例中，对肿瘤大鼠模型中的铁标记细胞的数目和R2* 弛豫率之问的定量关系进行了研究。更具体地，对肿瘤大鼠模型中的铁标 记细胞和组织R户弛豫率之间的定量关系进行了研究。体内试验说明在铁标 记细胞的数目和组织R^之间有极好的线性相关。数据还说明，对于铁标记 细胞的休内定量，&*测量是可靠和灵敏的方法。
采用公知的方法，用菲立磁-硫酸鱼精蛋白(FEPro)复合物对C8161黑色 素瘤细胞和C6祌经胶质瘤细胞进行标记。将2xl(^个FEPro标记或未标记 (对照)的黑色素瘤细胞(11=4)或1><106个FEPro标记或未标记的C6神经胶质 瘤细胞(F4)植入裸大鼠皮下两侧。在接种肿瘤细胞约2周后，在3T Intera 全身扫描仪(Philips Medical System)上，用专用的7 cm大鼠RF螺线圈进行 MRI。用多梯度回波序列得到常规R^图[TR/TE = 1540/16 ms， 13个回波， 256x256矩阵，17个切片，切片厚度=1.0 mm, FOV = 80 mm， NEX = 4]。为 测量具有高浓度标记细胞的组织中的112*弛豫，分别采用移位0ms， 0.4 ms， 0.8 ms， 1.2 ms禾卩2.3 ms的读出回波，得到五组自旋回波图像[TR/TE = 1000/6.4, 144xl44矩阵，17个切片,切片厚度=1.5 mm, FOV = 80 mm, NEX =4]。使用IDL软件工具，通过指数拟合计算R^弛豫率。将两套数据集(即 常规R户图和含高浓度标记细胞的组织的112*图)合并。肿瘤的112*弛豫计算 为整个肿瘤体积的像素(pixel-wised) R^弛豫平均值。由植入的肿瘤细胞的 数目除以肿瘤体积确定每立方毫米标记细胞的数目。
资:栗铁标记没有改变肿瘤的生长。在标记和未标记的肿瘤之间，肿 瘤尺寸没有显著的统计学差异。在成像时，标记肿瘤的体积在1890mW到 4950mi^之间，这转换为在8个肿瘤中，每立方毫米325到1056个标记细 胞。
FEPro标记显著延长肿瘤的R户弛豫率。图5a和5b分别显示标记和未标记的肿瘤的112*图。铁标记对R^弛豫的影响可通过有1056个标记细胞 /mm、图6a)和325个标记细胞/mm、图6b)的肿瘤11*的直方图进一步证实。 被标记的肿瘤相比于对照肿瘤(图6c)产生宽得多的R,分布。肿瘤的平均 R/显示与每立方毫米的标记细胞数目的很好的线性相关(图7)，相关系数 为0.91 (pO.Ol)。
兹论在本示例性实施例中，研究了铁标记细胞和组织R^弛豫率之问 的定量关系。虽然采用了两种不同的肿瘤细胞系，但体内数据说明在铁标
记细胞和组织RZ之间有极好的线性相关。试验数据进一歩说明，RZ测量 对于铁标记细胞的定量而言是可靠和灵敏的工具。因此，所公开的系统和 方法可对铁标记细胞进行有效的体内定量非侵入性评估。
总之，本公开的系统和方法提供了在多种应用中显著提高的对标记细 胞进行MR测量的技术。事实上，目前对细胞运输和治疗的研究始于将大 量SPIO标记细胞注入到特定位点，导致在标记的和周围组织中的非常短的 T2*。尽管这样的组织系统中遇到超短的丁2*衰变，但所公开的系统和方法 有利于在定量标记细胞方面的显著改善。所公开的系统和方法也能用于测 量引起丁2和丁2*弛豫显著差异的其他造影剂的超短T2*。
虽然本公开已参考示例性的实施方案及其实施进行了描述，但所公开 的系统和方法不限于这样的示例性的实施方案/实施。而且，由本文提供的 说明书，对本领域技术人员会是显而易见的是易于在不偏离本公开的主 旨和范围的情况下，对所公开的系统和方法进行修饰、改变和改善。因此， 本公开清楚地包括在其范围内的这样的修饰、改变和改善。
权利要求
1、测量标记细胞的方法，其包括用造影剂离体标记细胞；采用磁共振(MR)成像监测所述标记细胞的迁移、增殖和/或归巢；通过获得一系列自旋回波图像测量具有T2*衰变曲线的T2*弛豫，其包括下述步骤(a)诱导第一自旋回波信号产生第一自旋回波图像；(b)诱导多个自旋回波信号产生一系列从适合的回波移位到所述T2*衰变的额外的自旋回波图像；并(c)采用指数拟合导出T2*图。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述造影剂是超顺磁性氧化铁 (SPIO)。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中TZ是超短的。
4、 根据权利耍求3所述的方法，其中T,随应用不同而不同，并在某 些应用中小于或等于2毫秒。
5、 根据权利要求]所述的方法，其中所述第一自旋回波信号和所述第 二自旋回波信号分别由第一射斷RF)脉冲继之以第二 RF脉冲形成。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中所述第一RF脉冲是90度RF脉 冲继之以180度RF脉冲。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中丁2衰变曲线由关系式"2定义。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中所述T^衰变曲线由关系式
9、 根据权利要求1所述的方法，其中所述适合的回波移位步长低于1 或2毫秒。
10、 根据权利要求1所述的方法，其中将所述丁2*图组合并作为完整的 丁2*图显示。
11、 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述标记细胞的测 量与细胞运输或细胞治疗相关。
12、 用于根据前述权利耍求中任一项测量标记细胞的系统。
全文摘要
本公开涉及利用自旋回波获得物对超短T₂^*弛豫进行MR测量的新技术。该超短T₂^*弛豫可用于在细胞运输和治疗中定量高浓度铁标记细胞。在示例性的实施方案中，信号由低倾倒角RF脉冲诱导。在激发脉冲后，梯度读出被用于形成回波。RF脉冲和梯度读出中心之间的时间被定义为TE。在有高浓度铁标记细胞的组织中，T₂^*可能低于1毫秒。因此，通过几毫秒的回波时间，所述信号可衰变至噪音水平。因为在SPIO标记细胞中，T₂^*长得多，因此通过自旋回波获得的信号比从梯度回波形成的信号大得多，从而避免了与成像中大量信号丢失有关的负面效应。接着，超短T₂^*弛豫图可在常规T₂^*图上叠加以产生视场的最终T₂^*图。
文档编号A61K49/18GK101460199SQ200780011768
公开日2009年6月17日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月31日
发明者H·达恩克, T·舍夫特, 巍 刘 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司