包含超极化¹³C丙酮酸盐的磁共振成像介质用于检测炎症或感染的用途的制作方法

专利名称：包含超极化¹³C丙酮酸盐的磁共振成像介质用于检测炎症或感染的用途的制作方法
包含超极化13C丙酮酸盐的磁共振成像介质用于检测炎症
或感染的用途本发明涉及使用包含超极化13C-物质的成像介质的炎症或感染的碳-13(13C)磁共振(MR)成像或光谱的方法。本发明涉及已经超极化以便随后用MR成像来成像从而检测或监测炎症或感染的碳-13标记分子的应用。炎症是对损害身体组织的有害试剂的生物反应。炎症是宿主防御与组织损伤之间的平衡行为。发炎反应的关键是免疫系统和血管组织。免疫系统由白细胞和帮助身体对抗感染、除去有害刺激物和修复受损组织的分子组成。在发炎过程中，免疫系统和增加的血流帮助清除病原体和修复损伤的组织。炎症包括补充新血管以将营养素和免疫系统的其它组分带到感染或损伤的部位。 虽然炎症常常是外源病原体(例如，细菌、病毒、真菌、寄生虫、朊病毒和类病毒)的结果，但是发炎反应的其它引发剂包括自身抗原、外伤、过敏原和刺激物。在缺乏炎症的情况下，伤口和感染不会痊愈且组织的渐进性的破坏将导致生物体死亡。炎症常常标志着存在基础疾病，此时身体正设法摆脱该疾病。感染是由常导致临床上明显疾病的外来种引起的宿主生物体的集群现象。所述外来种通常为微观病原体，诸如细菌、真菌、病毒、寄生虫、朊病毒或类病毒的集落。炎症为由宿主生物体建立的用以清除感染的机制。炎症也可被想到清除自身抗原、受损组织(例如，外伤)、过敏原或刺激物。然而，在误调节或保持未被核实时，炎症也可以引起大量问题，包括自身免疫疾病、过敏、动脉粥样硬化、炎性和变性关节炎、哮喘、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺病(COPD) 和多发性硬化。由于该原因，炎症通常由身体紧密调节。炎症可分类为急性的或慢性的。急性炎症是身体对有害刺激物的初始响应且通过增加血浆和白细胞从血液到损伤组织的移动来实现。连串的生物化学事件传播且使包括局部血管系统、免疫系统和损伤组织内的各种细胞的发炎反应成熟。长期的炎症(称为慢性炎症)导致在炎症部位存在的细胞类型中的渐进性位移且以来自发炎过程的组织的同时破坏和痊愈为特征。炎性和感染性疾病在分子和细胞水平上共用类似机制。这些疾病导致免疫系统激活，且常常是难以临床检测和监测的疾病过程。目前，用于成像检测炎症和感染的选项受到限制，且不存在用于检测和监测这些疾病对治疗的响应的优良临床试验。临床医师必须依靠患者感觉的主观估量、诸如血液试验(白细胞计数、CRP等)的次要体征、非特异性核医学成像或基于解剖成像(常规MRI、超声、计算机断层摄影和放射照片)的疾病的晚期解剖变化。例如，类风湿性关节炎是影响 的老年群体的常见疾病，且目前不存在用于检测或监测类风湿性关节炎的优良非侵入性试验。通常临床医师对于诊断疾病和确定患者对治疗如何响应只有主观估量。因此，在体内非侵入性地检测人类或非人类动物身体中的炎症和感染令人关注。MR检测(诸如，MR成像(MRI)、MR光谱(MRS)和MR光谱成像(MRSI))可为用于检测炎症和感染的有价值的工具且这些工具已经对医师特具吸引力，因为它们允许以非侵入性方式且在不暴露患者和医务人员于潜在有害的辐射(诸如X射线)的情况下获得患者身体或其部分的图像。由于其高品质图像具有优异的软组织对比度和优良的空间和时间分辨率，MRI是对软组织和器官有利的成像技术。现在已经发现，超极化13C-物质可用作使用13C-MRI、13C-MRS或13C-MRSI检测人类或非人类动物身体中的炎症和感染的试剂。因此，在第一方面，本发明提供使用包含超极化13C-物质的成像介质用于检测炎症或感染的13C-MR成像和/或13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。这类物质将含有具有大于10秒、优选大于30秒、甚至更优选大于60秒的纵向弛豫时间常数(T1)的核。 这类所谓的“高T1剂”例如描述在W0-A-99/35508中。或者，可能物质的T1值可见于文献中或可通过获取该可能物质的NMR光谱(例如13C-NMR光谱)以确定13C-标记的可能物质的1\来确定。优选的超极化13C-物质为在人类和非人类动物身体的代谢过程中起作用的生物分子。特别优选的物质因此为内源性化合物，更优选在人类或非人类动物身体的代谢过程中起作用的内源性化合物。特别优选的物质选自氨基酸(以质子化或去质子化形式)，优选丙氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、谷氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺和天冬氨酸；乙酸盐、丙酮酸、丙酮酸盐、草酸盐、苹果酸盐、富马酸盐、乳酸盐、乳酸、柠檬酸盐、碳酸氢盐、丙二酸盐、丁二酸盐、草酰乙酸盐、α -酮戊二酸盐、3-羟基丁酸盐、异柠檬酸盐和尿素。丙酮酸盐为内源性化合物，甚至在相对高的浓度下也被人体非常良好地耐受。作为柠檬酸循环中的前体，丙酮酸盐在人体中起重要的代谢作用。丙酮酸盐被转化为不同的化合物其氨基转移生成丙氨酸，经由氧化脱羧作用，丙酮酸盐转化为乙酰辅酶A和二氧化碳(其进一步转化成碳酸氢盐)，丙酮酸盐的还原生成乳酸盐，和其羧基化生成草酰乙酸
Τττ . ο此外，超极化13C-丙酮酸盐至其代谢物超极化13C-乳酸盐、超极化13C-碳酸氢盐 (仅在13C1-丙酮酸盐、13Cu-丙酮酸盐或13Cu3-丙酮酸盐的情况下)和超极化13C-丙氨酸的代谢转化，可用于使用MR研究人体中的代谢过程。1V1-丙酮酸盐在人全血中在37°C下具有约42秒的T1弛豫，然而，已发现超极化13C-丙酮酸盐到超极化13C-乳酸盐、超极化13C-碳酸氢盐和超极化13C-丙氨酸的转化足够迅速，允许检测来自13C-丙酮酸盐母体化合物和其代谢物的信号。丙氨酸、碳酸氢盐和乳酸盐的量取决于所研究的组织的代谢状态。超极化 13C-乳酸盐、超极化13C-碳酸氢盐和超极化13C-丙氨酸的MR信号强度与在检测时这些化合物的量和剩下的极化的程度相关，因此，通过监测超极化13C-丙酮酸盐向超极化13C-乳酸盐、超极化13C-碳酸氢盐和超极化1V-丙氨酸的转化，使通过使用非侵入性MRI、MRS或 MRSI研究人类或非人类动物身体体内代谢过程成为可能。已经发现由不同的丙酮酸盐代谢物发生的MR信号幅度视组织类型而变化。由丙氨酸、乳酸盐、碳酸氢盐和丙酮酸盐形成的独特的代谢峰图案可用作所检查组织的代谢状态的指纹，且因此允许在健康组织与不健康组织之间的辨别。超极化13C-丙酮酸盐用于肿瘤成像的用途(其中肿瘤组织显示出高代谢活性)已在W0-A-2006/011810中详细描述。此外，超极化13C-丙酮酸盐用于心脏成像的用途已经描述在W0-A-2006/054903中。因此，在一个优选的实施方案中，本发明提供使用包含超极化13C-丙酮酸盐的成像介质用于检测炎症或感染的13C-MR成像和/或13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。本发明解决了如何检测炎症或感染部位的问题。这对于难以诊断和检测的隐状感染特别重要。通过本发明的方法，识别患病区域的解剖位置。此外，通过本发明的方法，可以量化炎症或感染的部位且可以提供关于疾病活性的代谢过程的信息。因此，所述方法包括解剖成像的益处外加能够表征代谢过程。检测分子过程的改变可能比疾病的解剖描述更灵敏且更具特异性。在本发明的方法中使用的超极化碳-13MRSI显著增加对分子过程的灵敏性。本发明的主观且定量的成像方法可以较早地检测疾病且也可以较佳地设计疗法。这在治疗诸如哮喘、慢性支气管炎、COPD和多发性硬化的具有炎性组分的疾病中可特别重要， 在这些疾病中，药物的选择困难且难以监测疾病的进展。另外，本发明还可帮助加速药物开发，因为在可利用本发明的非侵入性方法来测量疾病活性时，需要较少数量的受试者和较短的时间量。作为本领域的一种应用，已经表明13C-丙酮酸盐可用于检测炎症。然而，用同位素产生的潜在的任何可被超极化的物质都可为用于检测和监测炎症或感染的候选物。为用于用超极化MRI技术检测炎症或感染的候选物的其它物质包括含有氧、氮、氙、氦和氟的同位素的物质。术语"13C-丙酮酸盐”表示13C-丙酮酸的盐。在下文中，术语丙酮酸盐、13C-丙酮酸盐和"C1-丙酮酸盐可互换地使用且都表示1V1-丙酮酸盐。同样，术语丙酮酸、13C-丙酮酸和"C1-丙酮酸可互换地使用且都表示"C1-丙酮酸。此外，除非此外指定，否则术语乳酸盐、13C-乳酸盐和"C1-乳酸盐可互换地使用且都表示1V1-乳酸盐。术语“超极化”和“极化”在下文中可互换地使用，且表示超过0. 1 %、更优选超过且最优选超过10%的核极化水平。固态超极化13C-丙酮酸盐、例如通过13C-丙酮酸盐的动态核极化(DNP)得到的固态超极化13C-丙酮酸盐中的极化水平例如可通过固态13C-NMR测量来确定。固态13C-NMR 测量优选包括使用低倾倒角的简单脉冲获取NMR序列(sequence)。将NMR光谱中的超极化 13C-丙酮酸盐的信号强度与在极化过程之前获取的NMR光谱中的13C-丙酮酸盐的信号强度相比较。随后由极化前和极化后的信号强度的比率计算极化水平。以类似方式，溶解的超极化13C-丙酮酸盐的极化水平可以通过液态NMR测量来确定。再次，将溶解的超极化13C-丙酮酸盐的信号强度与极化之前的溶解的13C-丙酮酸盐的信号强度相比较。随后由极化前和极化后的13C-丙酮酸盐的信号强度的比率计算极化水平。术语“成像介质”表示作为MR活性剂的液体组合物，包含但不限于诸如超极化 13C-丙酮酸盐的超极化13C-物质。根据本发明的成像介质可用作MR成像中的成像介质或用作在MR光谱和MR光谱成像中的MR光谱剂。根据本发明方法的成像介质可用作用于体内MR成像、光谱和/或光谱成像(即， 在活的人类或非人类动物上进行的MR成像、光谱和/或光谱成像)的成像介质。此外，根据本发明方法的成像介质可用作用于体外MR成像、光谱和/或光谱成像的成像介质，例如用于检测和监测在细胞培养物或离体组织中的炎症或感染。细胞培养物可源自从人类或非人类动物身体来源的样品(例如，血液、尿或唾液)获得的细胞，而离体组织可得自活组织检查或外科操作。用于本发明方法的超极化13C-丙酮酸盐的同位素富集优选为至少75%，更优选为至少80%且特别优选为至少90%，超过90%的同位素富集是最优选的。理想地，富集为
5100%。本发明方法中使用的13C-丙酮酸盐可同位素富集在Cl-位(下文表示为"C1-丙酮酸盐)、在C2-位(下文表示为13C2-丙酮酸盐)、在C3-位(下文表示为"C3-丙酮酸盐)、在 Cl-位和C2-位(下文表示为13Cu-丙酮酸盐)、在Cl-位和C3-位(下文表示为13Cu-丙酮酸盐)、在C2-位和C3-位(下文表示为13C2,3_丙酮酸盐)或在Cl-位、C2-位和C3-位 (下文表示为13Cu3-丙酮酸盐)。在Cl-位上的同位素富集是优选的，因为与在其它C-位上同位素富集的13C-丙酮酸盐相比，1V1-丙酮酸盐在人全血中在37°C下具有更高的T1驰豫 (约42秒)。NMR活性13C-核的超极化可以通过不同的方法来实现，所述方法例如描述在 W0-A-98/30918、W0-A-99/24080和W0-A-99/35508中，所述专利通过引用结合到本文中， 并且超极化方法是从稀有气体“强力(brute force)”、自旋冷冻、仲氢方法和动态核极化 (DNP)的极化转移。为了得到超极化13C-丙酮酸盐，优选使13C-丙酮酸盐直接极化，或使13C-丙酮酸极化并例如通过用碱中和将极化的13C-丙酮酸转化为极化的13C-丙酮酸盐。用于得到超极化13C-丙酮酸盐的一种合适方法是从超极化稀有气体的极化转移， 其描述在W0-A-98/30918中。具有非零核自旋的稀有气体可通过使用循环偏振光来超极化。可以用超极化的稀有气体(优选He或Xe)或这类气体的混合物来达到13C-核的超极化。超极化的气体可以是气相，可以溶解在液体/溶剂中，或者超极化的气体本身可以充当溶剂。或者，可以将气体冷凝到冷的固体表面上并以该形式使用，或者允许其升华。优选将超极化气体与13C-丙酮酸盐或13C-丙酮酸均勻混合。因此，如果13C-丙酮酸为极化的，其在室温为液体，则优选将超极化的气体溶解在液体/溶剂中或者充当溶剂。如果13C-丙酮酸盐为极化的，则优选将超极化的气体溶解在也溶解丙酮酸盐的液体/溶剂中。得到超极化13C-丙酮酸盐的另一合适方法是通过在非常低的温度和高场下的热力学平衡使13C-核极化。与NMR波谱仪的操作场和温度相比，超极化通过使用非常高的场和非常低的温度(强力)来达到。使用的磁场强度应当尽可能地高，合适地高于1T、优选高于5T、更优选为15T或更高且特别优选为20T或更高。温度应当尽可能地低，例如4. 2K或更低，优选为1. 5K或更低，更优选为1. OK或更低，特别优选为IOOmK或更低。用于得到超极化13C-丙酮酸盐的另一合适方法为自旋冷冻法。该方法涵盖通过自旋冷冻极化将固体化合物或系统自旋极化。将系统用诸如附2+、镧系元素或锕系元素离子的合适结晶顺磁性材料掺杂或与其均勻混合，所述结晶顺磁性材料具有三级或更高级对称轴。该仪器操作比DNP所需的仪器操作简单，不需要均勻磁场，因为没有施加共振激发场。 该方法通过绕着垂直于磁场方向的轴物理旋转样品来进行。该方法的必要条件是顺磁物质具有高的各向异性g_因子。作为样品旋转的结果，电子顺磁共振将与核自旋接触，导致核自旋温度降低。进行样品旋转直至核自旋极化达到新的平衡。在一个优选的实施方案中，使用动态核极化(DNP)来得到超极化13C-丙酮酸盐。 在DNP中，待极化的化合物中的MR活性核的极化通过极化剂或所谓的DNP剂(包含未成对电子的化合物)进行。在DNP过程期间，提供通常为微波辐射形式的能量，其将最初激发DNP 齐U。在衰减到基态时，存在从DNP剂的未成对电子到待极化化合物的NMR活性核、例如到在 13C-丙酮酸盐中的13C核的极化转移。一般来说，在DNP方法中，使用中等或高的磁场以及非常低的温度，例如在液氦和约IT或更高的磁场中进行DNP方法。或者，可以采用中等磁场以及实现足够的极化提高的任何温度。所述DNP技术例如进一步描述在W0-A-98/58272 和W0-A-01/96895中，二者均通过引用包含在本文中。为了通过DNP方法将化合物极化，制备待极化的化合物与DNP剂的混合物(“样品，，)，随后将其冷冻，并且插入用于极化的DNP极化器内。极化后，将冷冻的固态超极化样品通过熔融或通过溶解在合适的溶解介质中而迅速转化成液态。溶解是优选的，并且冷冻的超极化样品的溶解方法及因此合适的装置详细描述在W0-A-02/37132中。熔融方法和用于熔融的合适装置例如描述在W0-A-02/36005中。为了在待极化的化合物中获得高的极化水平，在DNP过程期间，需要将所述化合物与DNP剂紧密接触。如果样品在冷冻或冷却之后结晶，则不是这样。为了避免结晶，样品中需要存在玻璃形成体或者需要针对极化来选择冷冻后不会结晶而是形成玻璃状物的化合物。如前所述，13C-丙酮酸或13C-丙酮酸盐为适于得到超极化13C-丙酮酸盐的原料。同位素富集的13C-丙酮酸盐为市售的，例如作为13C-丙酮酸钠购得。或者，其可以如 S. Anker, J. Biol. Chem 176，1948，133-1335 所述来合成。用于合成1V1-丙酮酸的数种方法在本领域中已知。简言之，Seekich等，Journal of Organic Chemistry 40 (2)，1975，231-237描述了依赖含羰基原料作为S，S-缩醛，例如 1，3-二噻烷或2-甲基-1，3-二噻烷的保护和激活的合成路径。使该二噻烷金属化，并且与含有甲基的化合物和/或13CD2反应。通过使用该参考文献中概述的适当同位素富集的 13C-组分，可以得到13C1-丙酮酸盐、13C2-丙酮酸盐或13Cu-丙酮酸盐。随后羰基官能团通过使用该文献中描述的常规方法释放出来。不同的合成路径从乙酸开始，首先将乙酸转化成乙酰溴，随后使其与Cu13CN反应。使得到的腈经由酰胺转化为丙酮酸(参见，例如S. H. Anker 等，J. Biol. Chem. 176 (1948)，1333 或 J. E. Thirkettle, Chem Commun. (1997)，1025)。此外，13C-丙酮酸可通过将市售的13C-丙酮酸钠质子化，例如通过美国专利6，232，497中描述的方法或通过W0-A-2006/038811中描述的方法来质子化。通过DNP的13C-丙酮酸超极化详细描述于W0-A1-2006/011809中，该文献通过引用结合到本文中。简言之，13C-丙酮酸可以直接用于DNP，因为其在冷冻时形成玻璃状物。 在DNP之后，冷冻的超极化13C-丙酮酸需要溶解和中和，即转化成13C-丙酮酸盐。对于该转化，需要强碱。此外，因为13C-丙酮酸是强酸，需要选择在该强酸中稳定的DNP剂。优选的碱为氢氧化钠，且用氢氧化钠转化超极化13C-丙酮酸生成超极化13C-丙酮酸钠，对于用于体内MR成像、光谱和/或光谱成像(即，在活人类或非人类动物上进行的MR成像、光谱和/ 或光谱成像)的成像介质，其为优选的13C-丙酮酸盐。或者，13C-丙酮酸盐(即，13C-丙酮酸的盐)可用于DNP。优选的盐是包含选自以下的无机阳离子的那些13C-丙酮酸盐AH/、K+、Rb+、Cs+、Ca2+、Sr2+和Ba2+，优选为NH4+、K+、 Rb+或Cs+，更优选为K+、Rb+、Cs+且最优选为Cs+，如在W0-A-2007/111515中详细描述，并通过引用结合到本文中。这些优选的13C-丙酮酸盐的合成还公开在W-A-2007/111515中。如果超极化13C-丙酮酸盐用在用于体内MR成像和/或光谱的成像介质中，优选通过生理非常耐受的阳离子如Na+或葡甲胺交换该选自NH4+、K+、Rb+、Cs+、Ca2+、Sr2+和Ba2+的无机阳离子。 这可通过本领域已知的方法，例如使用阳离子交换柱来进行。另外优选的盐为有机胺或氨基化合物的13C-丙酮酸盐，优选TRIS-uC1-丙酮酸盐或葡甲胺-"C1-丙酮酸盐，如在W0-A2-2007/069909中详细描述，并通过引用结合到本文中。这些优选的13C-丙酮酸盐的合成还公开在W0-A2-2007/069909中。如果在本发明方法中使用的超极化13C-丙酮酸盐是通过DNP得到的，则包含 13C-丙酮酸或13C-丙酮酸盐和DNP剂的待极化的样品还可以包含顺磁性金属离子。已经发现，在将通过DNP极化的组合物中存在顺磁性金属离子导致13C-丙酮酸/13C-丙酮酸盐中的极化水平增加，如在W0-A2-2007/064226中详细描述，该文献通过引用结合到本文中。如前所述，根据本发明方法的成像介质可用作用于体内MR成像、光谱和/或光谱成像(即在活的人类或非人类动物上进行的MR成像、光谱和/或光谱成像)的成像介质。 除了诸如13C-丙酮酸盐的MR活性剂13C-物质以外，这类成像介质优选还包含含水载体，优选生理可耐受和生理可接受的含水载体，例如水/盐水、缓冲液或缓冲液混合物。所述成像介质还可包含常规药用可接受的载体、赋形剂和制剂助剂。因此，所述成像介质例如可包括稳定剂、同渗重摩调节剂、增溶剂等，例如制剂助剂，诸如常规用于人类或兽医学中诊断组合物的制剂助剂。此外，根据本发明方法的成像介质可用作用于体外MR成像、光谱和/或光谱成像的成像介质，例如用于检测在细胞培养物或离体组织中的炎症或感染的成像介质。除了诸如13C-丙酮酸盐的MR活性剂13C-物质丙酮酸盐以外，这类成像介质优选还包含与离体细胞或组织分析相容并且用于体外细胞或组织分析的溶剂，例如DMSO或甲醇或包含含水载体与非水溶剂的溶剂混合物，例如DMSO与水或缓冲溶液的混合物或甲醇与水或缓冲溶液的混合物。对于本领域技术人员来说显而易见的是，在这类成像介质中可以存在药用可接受的载体、赋形剂和制剂助剂，但是对于这样的目的，这不是必需的。如果超极化13C-丙酮酸盐用作在MR成像或光谱的体外方法中(例如使用细胞培养物或离体组织)用于检测感染的成像剂，加到细胞培养物或离体组织中的包含超极化13C-丙酮酸盐的成像介质为以13C-丙酮酸盐计10mM-100mM、更优选以13C-丙酮酸盐计 20mM-90mM 且最优选 40_80mM。此外，通过本发明方法检测的炎性和感染性疾病的类型可以改变。所述方法可用来检测其中免疫系统被激活或改变的各种疾病。这些疾病可影响任何身体组织，诸如皮肤和骨骼、消化道、肌肉、淋巴、内分泌、神经、心血管、雄性或雌性生殖和泌尿系统。所述方法可检测身体任何部分的自身免疫疾病。具有自身免疫组分的临床疾病的非全面列表包括类风湿性关节炎、幼年特发性类风湿性关节炎、全身性红斑狼疮、硬皮病、皮肌炎、心肌炎、克罗恩氏病和多发性硬化。该方法可用以检测对外伤后的愈合的发炎反应。该方法可用于检测具有诸如动脉粥样硬化、骨关节炎、腱炎、滑囊炎、痛风性关节炎、C0PD、哮喘和慢性支气管炎的炎症的组分的慢性疾病。该方法可检测响应于包括头、颈、胸部和腹部的皮肤、四肢、 肌肉、结缔组织、骨骼、关节、神经系统和内脏的任何身体部分的感染(例如，细菌、病毒、真菌、寄生虫或其它感染性来源)的炎症。炎症在移植中起重大作用。该方法可检测在移植设置中免疫系统的改变，诸如实质器官的急性和慢性移植排斥、移植后淋巴组织增生病和移植物抗宿主疾病。本发明的方法包括检测所有上述这些类型的病状。一个优选的实施方案为用于检测关节炎、更优选类风湿性关节炎的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法，其中使用包含超极化13C-物质、优选超极化13C-丙酮酸盐的成像介质。
在另一实施方案中，所述成像介质还包含乳酸盐。因此，除了超极化13C-丙酮酸盐以外，根据本发明方法的成像介质还包含未超极化乳酸盐，下文表示为乳酸盐。合适地，乳酸盐以乳酸或乳酸的盐、优选乳酸锂或乳酸钠、最优选乳酸钠的形式加入。包含乳酸盐和超极化13C-丙酮酸盐的成像介质和使用这类成像介质的方法进一步描述在W02008/020765 中，该文献通过引用结合到本文中。炎症和感染可通过本发明的方法通过随时间跟踪13C-丙酮酸盐信号和其代谢物 13C-乳酸盐的信号来检测。在例如非炎症细胞的活细胞中，13C-丙酮酸盐信号随着时间而衰减。13C-乳酸盐信号首先由于13C-丙酮酸盐代谢转化为13C-乳酸盐而增加，随后主要由于驰豫而缓慢降低。在炎症区域中，丙酮酸盐的代谢上调且13C-丙酮酸盐到13C-乳酸盐的转化增加。借助于包含超极化13C-丙酮酸盐的成像介质，该较高代谢活性可通过可由13C-MR 检测检出的13C-乳酸盐的产量增加而了解。已进一步发现，加入乳酸盐(存在于根据本发明的成像介质中或单独加入/给予) 导致可观察的13C-乳酸盐的量增加且因此来自13C-乳酸盐的MR信号增加。术语“ 13C-MR检测，，表示13C-MR成像或13C-MR光谱或合并的13C-MR成像和13C-MR 光谱，即13C-MR光谱成像。该术语还表示在各时间点的13C-MR光谱成像。应用以合并的频率和空间选择方式来编码所关注体积的MR成像序列，且在从加入成像剂(t = 0)到约1分钟或直到13C-MR信号由于经T1弛豫的信号衰减而不可检测的时间期限内，通过MR成像或光谱成像跟踪13C-丙酮酸盐的13C-MR信号。在相同的时间期限内，监测13C-乳酸盐信号的出现、增加以及下降。为了得到定量评估，可以进行健康细胞或组织的MR成像、光谱或光谱成像，并且可以比较结果，即在给定时间期限内形成的13C-乳酸盐的量或速率。如果超极化13C-丙酮酸盐用作用于MR成像、光谱或光谱成像的体内方法中(例如在活的人类或非人类动物身体中)检测炎症或感染的成像剂，则含有超极化13C-丙酮酸盐的成像介质优选非经肠、优选静脉内给予到所述身体。一般来说，将所检查的身体置于MR 磁体中。放置专用13C-MR RF-线圈以覆盖所关注的区域。成像介质配量和浓度将取决于各种因素，诸如毒性和给予途径。一般来说，成像介质是以至多Immol13C-丙酮酸盐/kg体重、 优选0. 01-0. 5mmol/kg、更优选0. 1-0. 3mmol/kg的浓度给予。给予速率优选小于10ml/S、 更优选小于6ml/s、最优选为5ml/s-0. lml/s。在给予后小于400s、优选小于120s、更优选给予后小于60s、特别优选20-50S，应用以合并的频率和空间选择方式来编码所关注体积的MR成像序列。这将产生13C-丙酮酸盐、13C-乳酸盐和/或其它13C-标记的代谢产物的代谢图像。应用MR序列的准确时间高度取决于用于检测感染或炎症的所关注体积。所关注体积的编码可通过使用所谓的光谱成像序列实现，诸如但不限于在例如以下文献中描述的那些光谱成像序列T.R. Brown等，ftOc Natl Acad Sci USA 79， 3523-3526(1982) ；A. A. Maudsley 等，J Magn Res 51,147-152(1983) ；D. Mayer 等，Magn Reson Med 56,932-937(2006) ；S. J. Kohler 等，Magn Reson Med 58 (1), 65-9 (2007) ；Y-F. Yen等，Magn Reson Med (电子出版先于印刷)2009年3月M日。光谱图像数据含有多个体积元素，其中每个元素含有完整的13C-MR光谱。13C-丙酮酸盐及其代谢物13C-乳酸盐在 13C-MR光谱中具有其独特的位置，并且其共振频率可以用于识别它们。光谱峰在其共振频率下的积分分别与13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐的量直接相关。当使用如例如在L. Vanhamme等，J Magn Reson 129,35-43(1997)中描述的光谱峰积分分析或时域拟合例行程序或例如在 S. B. Reeder 等，J Magn Reson Imaging 26，1145-1152(2007)和 Y. S. Levin 等，Magn Reson Med. 58 (2)，245-52 (2007)中描述的最小二乘化学位移分离法评估13C-丙酮酸盐和 13C-乳酸盐的量时，可以对13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐产生图像，其中彩色编码或灰色编码代表所测量的13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐的量。 虽然已经证明了光谱成像方法在使用所有种类MR核例如力、31P^Na产生代谢图像中的价值，但是完全编码光谱图像所需要的重复使得该方法较不适于超极化的13c。必须小心以保证在整个MR数据获取期间能够得到超极化13C-信号。这可以通过减小RF-脉冲激发倾倒角或通过如例如在LJhao等，J Magn Reson，B (113)，179-183 (1996)中所述的应用可变的倾倒角或通过如例如在P. E.Z.Larson等，J Magn Reson 194:121-127(2008)中所述的多频带RF激发设计实现，这在每一相位编码步骤中应用。较高的矩阵尺寸需要更多的相位编码步骤和较久的扫描时间。 基于在数据获取期间施加读出梯度的P. C. Lauterbur (Nature，242，190-191， (1973)和P. MansfielcKJ. Phys. C. 6，L422-L426 (1973))的开创工作的成像方法将容许较高信噪比的图像或等价的较高空间分辨率的图像。然而，这些成像方法以其基本形式将不能对13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐产生单独图像，即不能识别出特异性代谢物。在另一实施方案中，使用要利用多回波来编码频率信息的成像序列。可以产生单独的水和脂肪1H-图像的序列描述在例如G. Glover，J Magn Reson Imaging 1， 521-530(1991)和 S. B. Reeder 等，Magn Reson Med 51,35-45(2004)中。因为待检测的代谢物以及其本身的MR频率是已知的，所以在上文参考文献中描述的方法可以用于获取13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐的直接图像。该程序更有效地利用了超极化13C-MR信号，给出了与光谱成像相比更好的信号品质、更高的空间分辨率以及更快的获取时间。在一个优选的实施方案中，根据本发明的方法包括从预先给予包含超极化13C-丙酮酸盐的成像介质的人类或非人类动物身体或者从其中已加入所述成像介质的细胞培养物或离体组织获取13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐的直接的13C-MR图像或光谱。在所述方法中，感染或炎症通过来自13C-乳酸盐的高13C-信号强度或13C-乳酸盐的形成速率增加来识别并检测。根据本发明的超极化13C-丙酮酸盐成像显示在炎症和感染中超极化13C-丙酮酸盐到乳酸盐的代谢增加。为了校正丙酮酸盐信号，可以在每个单独的图像中将乳酸盐和丙酮酸盐图像二者标准化至最大值。其次，将标准化的乳酸盐图像乘以倒置的丙酮酸盐图像，例如图像中最大丙酮酸盐信号减去每一像素的丙酮酸盐水平。作为最后一个步骤，将在上述操作中获得的中间结果乘以最初的乳酸盐图像。或者，可以将在其各自图像的每个像素中的丙酮酸盐和乳酸盐峰强度拟合到在丙酮酸盐与乳酸盐之间的13C-标记通量的动力学模型中，以得到关于标记通量和自旋点阵驰豫时间的速率常数。至于多个RF脉冲对于极化损失的影响，可能需要作出校正。如果使用该方法来体内检测炎症或感染，则在根据本发明方法的炎症或感染的检测中可包括解剖学和/或灌注信息。解剖学信息例如可以通过采用或不采用合适造影剂获取质子MR图像来得到。相关灌注可以通过使用例如Omniscan 的MR造影剂来确定。同样，不给予造影剂的用于灌注测量的MR成像技术在本领域已知。在一个优选的实施方案
10中，使用未代谢的超极化13C-造影剂来确定定量灌注。合适的技术和造影剂例如描述在 W0-A-02/23209中。在一个更优选的实施方案中，使用超极化13C-丙酮酸盐来确定定量灌注。在另一优选的实施方案中，反复给予包含超极化13C-丙酮酸盐的成像介质，由此允许纵向研究。由于丙酮酸盐的低毒性及其有利的安全分布，反复剂量的该化合物被患者良好地耐受。在本发明方法中得到的结果例如允许医师对于所检查的患者选择适当治疗。在另一优选的实施方案中，本发明的方法用于确定治疗是否奏效。从另一方面来看，本发明提供超极化13C-物质用于制备成像介质的用途，该成像介质适用于用于检测炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。更优选本发明提供超极化13C-丙酮酸盐用于制备成像介质的用途，该成像介质适用于用于检测炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。优选用于制备成像介质的超极化13C-丙酮酸盐通过13C-丙酮酸或13C-丙酮酸盐的动态核极化得到。 任选可将乳酸盐加到用于制备成像介质的13C-物质中。由13C-丙酮酸或13C-丙酮酸盐制备超极化13C-丙酮酸盐以及包含超极化"C和任选的乳酸盐的成像介质的制备的制备和优选实施方案详细描述在本申请的第5-8页中。在一个优选的实施方案中，本发明提供超极化13C-丙酮酸盐和任选的乳酸盐用于制备成像介质的用途，该成像介质适用于通过从预先给予成像介质的人类或非人类动物身体或者从其中已加入所述成像介质的细胞培养物或离体组织获取13C-丙酮酸盐和13C-乳酸盐的直接13C-图像和/或13C-光谱用于检测炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/ 或13C-MR光谱成像的方法。在另一优选的实施方案中，本发明提供包含超极化13C-物质的成像介质在用于检测人类或非人类动物身体中的炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或"C-MR光谱成像的方法中的用途。所述成像介质优选已预先给予人类或非人类动物身体。附图简述

图1显示关节炎关节的代谢图。在注射超极化[I-13C]丙酮酸盐20秒后，所述图表明在关节炎爪中乳酸盐产量增加。A :T2-加权的解剖图像显示，与正常左爪相比，关节炎右后爪(箭头)处组织肿胀；且覆盖在具有尾部(T)和非极化13C-乳酸盐(L)参考管的随后代谢图上。图显示B: [I-13C]丙酮酸盐、C: [I-13C]乳酸盐和D [I-13C]乳酸盐/[I-13C] 丙酮酸盐的比率。图2显示时间分辨成像，其中将一只大鼠的关节炎爪(蓝色)中的[I-13C]乳酸盐产量增加与正常爪(右)和尾部(绿色)相比。
实施例实施例1 检测关节炎利用注射0.4 μ L/g 完全弗氏佐剂(complete Freund，s adjuvant)诱发 6 只幼年Sprague Dawley大鼠周龄，平均重量114克)的关节炎(3只大鼠在右膝，3 只大鼠在右踝)。在诱发7天之后，使关节炎关节在装备有自屏蔽梯度(self-shielded gradient) (40mT/m, 150mT/m/ms)和用于激发和信号接收二者的定制双调谐(1H/13C)正交线圈(0 = 80rnm)的GE 3 T扫描器上用13C MRS成像。0. 5mL的IOOmM 13C-I-丙酮酸盐溶液通过DNP (15-20%液态极化)来超极化且经由尾部静脉注射。在注射后20秒用FID CSI 序列(voxel = 2. 5x 2. 5x 10mm, FOV = 4x 4cm)得到13C-I丙酮酸盐和其代谢物的单时点 MRS分析。时间分辨成像在第二次超极化13C-丙酮酸盐注射期间用ID EPSI序列得到。丙酮酸盐和乳酸盐的平均信号强度用在关节处的ROI分析得到且用T-试验比较正常关节与关节炎关节。发现关节炎关节具有红斑和肿胀(平均数士 SD = 0. 5 士0. 2mm厚度变大)，对于炎症具有3/4的组织学分数(与正常关节处的0/4相比较)且显示在解剖MR图像上炎症的T2-加权改变。FID CSI图像(图1A、B)上，[I-13C]丙酮酸盐和代谢的[I-13C]乳酸盐显示在关节炎关节处增加，且通过ROI分析关节处代谢物与总13C的比率倾向于显著差别 [丙酮酸盐关节炎=0. 34与正常=0. 28,ρ < 0. 17 ；乳酸盐关节炎=0. 21与正常=0. 16， P < 0. 12]。虽然发炎组织中的血流增加可解释该成像剂的输送增加，但是如时间解析成像 (图2)和乳酸盐与总13C的比率(关节炎=0. 62与正常=0. 56，ρ < 0. 03)所示，转化为乳酸盐的速率在关节炎关节中也增加。因此，根据这些结果，超极化[I-13C]丙酮酸盐成像显示在受关节炎影响的关节中增加代谢为乳酸盐。增加的乳酸盐产量可充当关节炎活性的标记。
权利要求
1.用于检测炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法，其中使用包含超极化13C-物质的成像介质。
2.权利要求1的方法，其中所述超极化13C-物质为超极化13C-丙酮酸盐。
3.权利要求1或2的方法，其中所述成像介质给予人类或非人类动物身体且在所述人类或非人类动物身体中进行所述13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像以便检测炎症或感染。
4.权利要求1或2的方法，其中所述成像介质加到细胞培养物或离体组织中且在所述细胞培养物或离体组织中进行所述"C-MR成像和/或13C-MR光谱以便检测炎症或感染。
5.权利要求1-4的方法，其中随时间跟踪来自所述13C-物质和其代谢物13C-乳酸盐的 13C-信号强度。
6.权利要求5的方法，其中从给予/加入所述成像介质的时间点跟踪来自所述13C-物质和13C-乳酸盐的13C-信号强度约1分钟，或直到所述"C-MR信号由于经T1弛豫信号衰减而不可检测。
7.权利要求1-6的方法，其中炎症或感染通过来自13C-乳酸盐的高13C-信号强度或 13C-乳酸盐的形成速率增加来检测。
8.权利要求3的方法，其中在给予/加入所述成像介质之前向所述人类或非人类身体给予乳酸盐。
9.权利要求4的方法，其中在加入所述成像介质之前向所述细胞培养物或离体组织加入乳酸盐。
10.权利要求2-9的方法，其中所述超极化13C-丙酮酸盐通过13C-丙酮酸或13C-丙酮酸盐的动态核极化得到。
11.超极化13C-物质用于制备成像介质的用途，所述成像介质适用于用于检测炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。
12.用于检测在人类或非人类动物身体中的炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/ 或13C-MR光谱成像的方法，其中已将包含超极化13C-物质的成像介质预先给予到所述人类或非人类动物身体。
13.包含超极化13C-物质的成像介质在用于检测在人类或非人类动物身体中的炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法中的用途。
全文摘要
本发明涉及使用包含超极化13C-物质的成像介质的炎症或感染的13C-MR成像、13C-MR光谱和/或13C-MR光谱成像的方法。
文档编号G01R33/28GK102388317SQ201080015822
公开日2012年3月21日 申请日期2010年3月25日 优先权日2009年4月2日
发明者D·M·斯皮尔曼, D·迈尔, J·D·麦克肯齐, Y-F·严 申请人:利兰·斯坦福青年大学托管委员会, 通用电气健康护理有限公司