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Applicazioni della NMR
Struttura e funzioni di macromolecole Metabolismo
Identificazione di molecolepresenza/assenza di molecole
Imaging MRI Magnetic Resonance Imaging
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MAGNETIC RESONANCEimaging and spectroscopy
MRI MRS
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Spettroscopia Metodi che misurano le interazioni delle
radiazioni elettromagnetiche con lamateria.
La radiazione assorbita o emessa da uncorpo viene rivelata/misurata e la suarappresentazione grafica é definitaspettro.
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Spettroscopia Tipo di Radiazione
Raggi X UV/Visibile Microonde Infrarossi Spettroscopia a
Risonanza Magnetica
Energia di Transizione Elettroni interni degli atomi Elettroni esterni Rotazionale Vibrazionale Stati Magnetici
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Un esempio di spettro non NMR
Spettro beta
Energia
Num
ero
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31P MRS [spettroscopia del fosforo]
TESSUTO CEREBRALE NORMALE
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31P MRS [spettroscopia del fosforo]
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31P MRS [spettroscopia del fosforo]
TESSUTO CEREBRALE NORMALE TESSUTO CEREBRALE ISCHEMICO
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ω = γ Ηο
Frequenza di precessione (= f. di risonanza)
ν = γ Ηο/2π
Equazione di Larmor
Ηο
La frequenza di precessione o di Larmor (ω0)e dipende da due fattori:
1. la costante giromagnetica (γ ) , valorenumerico caratteristico di ogni specienucleare e
2. la forza del campo magnetico principale B0.
ω0 = γ B0
Relazione di Larmor
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Il segnale NMR : FID
FIDTrasformata di Fourier
del FID
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Permette di trasformare i datitemporali (FID, echi etc) acquisitidalle bobine in linee di frequenza cheindicano la concentrazione di spinalle varie frequenze (es.protoni/voxel).
La trasformata di Fourier
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Il segnale NMR : FID
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MRS = Magnetic Resonance Spectroscopy
Chemical shift
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Chemical shift
Potrebbe essere espresso in Hz, ma in questo casoi valori aumenterebbero al crescere del campomagnetico principale (B0)
Viene quindi espresso in ppm, parti per milioni(cioè in unità relativa, analoga a un valorefrazionario) in modo da restare invariato anche semisurato a campi di diversa intensità
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INFORMAZIONI OTTENIBILICON SPETTROSCOPIA RM
- identificazione di specie chimiche
- misurazione della concentrazione di metaboliti
- valutazione di processi metabolici
-determinazione del pH-…..
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MRS "IN VIVO"
- selezione del nucleo oggetto di studio
- posizionamento nel campo magnetico
- imaging preliminare della regione di interesse
- acquisizione dei dati spettroscopici
- elaborazione dei dati
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IDROGENO (H-1)
FOSFORO - 31
CARBONIO - 13
FLUORO - 19
SODIO - 23
Nuclei di possibile interesse perMRS “in vivo”
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Nuclei di possibile interesse perMRS “in vivo”
NUCLIDE
Idrogeno (H-1)
Fosforo-31
Fluoro-19
Carbonio-13
Sodio-23
Azoto-15
n (2T, MHz)
85.2
34.4
80.0
21.4
22.6
8.6
ABB. NATUR.(%)
99.9
100
100
1
100
0.3
SENSIBILITA'
1
0.066
0.830
0.016
0.093
0.001
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Il segnale 1H-MRS in vivo•Con concentrazioni di acqua > 50M quasi tutto il segnaletessutale viene dagli atomi di idrogeno delle molecole di acqua.
•Tuttavia una piccola quota di segnale viene dai protoni degliatomi di idrogeno delle altre molecole presenti nei tessuti.
•In campi magnetici di intensità elevata il segnale ottenibileaumenta proporzionalmente.
•Oltre 1T (circa 20000 volte l’intensità del campo terrestre) èpossibile ottenere spettri MRS in vivo in tempi ragionevoli
•La concentrazioni di protoni necessari per produrre un segnaleindividuabile devono essere nell’ordine del millimolare, ma pervedere questi segnali si deve sopprimere il segnale dell’acqua
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Il segnale in spettroscopia protonica
E’ dominato dal picco dell’acquache “nasconde” i picchi di vari metaboliti
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H-1 MRS
NAA 2.02 ppmColina 3.25 ppm
Creatina 3.05 ppm
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Si vedono più picchi e c’è più segnalecon sequenze a echi corti
PRESS TE=270B0=1.5T
STEAM TE=25B0=1.5T
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Più picchi e segnale con campi diintensità elevata
Encefalo di cane B0= 9,4 Tesla (da Ross 2001)
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NAA = N-acetilaspartato [5-15mM]
Marker neuronale La riduzione dei NAA indicata perdita o
danno neuronale ↓ NAA si osserva nell’ictus, nei gliomi, e in
varie malattie neurodegenerative, nellaepilessia
Aumenta solo in una malattia rara la m.diCanavan
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Colina [1.5 mM]
Colina etc = marker dimetabolismo/membrane cellulari L’aumento del picco della colina indica un
aumento del turnover delle membrane si osserva nei tumori e in varie malattie
neurodegenerative
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Creatina +Fosfocreatina [8mM]
Creatina = marker di riserva energetica La riduzione del picco di creatina può
indicare un consumo delle riserveenergetiche (ipossia, ictus, tumori)
Aumenta con l’età; nel trauma e incondizioni di iperosmolarità;
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Glutammato-Glutammina [10 e 5 mM?]
Glx = marker di metabolismo Aumenta nella sindrome di Reye e nelle
encefalopatie epatica e ipossica Diminuirebbe nella AD
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Mioinositolo [5mM]
Mioinositolo = marker astrocitario Alto nel neonato e nell’ipernatremia, ma
anche nelle lesioni di SM, HIV e LDM, AD Ridotto nell’encefalopatia epatica e
ipossica, nell’ictus, nei tumori
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Lattato
Lattato (ac.lattico) = marker di attivitàmetabolica L’aumento del picco del lattato indica un
incremento della glicolisi anaerobia si osserva in corso di ischemia e
aspecificamente in alcuni tumori
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H1-MRS
NAA Colina
Creatina
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H1-MRS
NAA
Colina
Creatina
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H1-MRS
Lactate
Choline
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Spettri protonici
Da Ross 2001
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Meningioma
Medicina Nucleare -RadiologiaUniversità "Federico II"CNR CMN - Napoli
QMCIH1-MRSPET-FDG
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PET-FDG e spettroscopia protonica a volume singolo nella caratterizzazione funzionale
di neoplasie cerebrali.
tumore normale
Medicina Nucleare -RadiologiaUniversità "Federico II"CNR CMN - Napoli
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Spettroscopia single voxel automatizzata 2003
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A volte si vedono solo schifezze
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H1-MRS
NAX Choline 3.25 ppm
Creatine 3.05 ppm
Lipids
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1H Spettroscopia del protone
Metabolismo encefalico Misura di metaboliti come:
N-acetylaspartato (NAA) creatina + fosfocreatina (Cr + PCr) Composti contenenti colina (Cho) Lattato (inositolo, glutammato)
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SPECTROSCOPIC IMAGING PROTONICO
- bobina unica per l' acquisizione convenzionale e per la spettroscopia sequenze tipo CSI
- immagini di: N-acetil-aspartato
creatina
colina
lattato
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Imaging spettroscopico
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MRI
QM930426: Slice 3 NIH-NINDS-NB
NAA Cho Cre Lac
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Imaging spettroscopico
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Imaging spettroscopico Immagini diverse per ciascun metabolita
studiato
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Imaging spettroscopico
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Imaging spettroscopico
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FOSFORO - 31- abbondanza isotopica naturale prossima al 100%
- sensibilità relativamente elevata
- presenza di numerosi composti del fosforo in concentrazioni elevate nelle strutture biologiche
- spettri di interpretazione agevole
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31P- metabolismo energetico e misura del pH
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31P Spettroscopia del fosforo
Misurazione del pHintracellulare
Metabolismo energetico ATP, fosfocreatina, e
fosfato inorganico Modificazioni associate a
sforzi o tests diversi,ipossia, ischemia.
Ipossia lieve ischemia
Normale normale
Alger et al 1989
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SPETTROSCOPIA DEL CARBONIO -13
- ampia utilizzazione per applicazioni in vitro
- scarsa possibilità di applicazione in vivo, per la bassa concentrazione naturale del Carbonio-13
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SPETTROSCOPIA DEL FLUORO -19
- elevata abbondanza naturale del F-19
- possibilità di sintesi di "traccianti" marcati con F-19
Brunetti et al , Stroke 1990
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METODOLOGIA OPERATIVADELLA MRS "IN VIVO"
- omogeneizzazione del campo magnetico nel volume di interesse (shimming)
- acquisizione dei dati spettroscopici
- data processing e analisi degli spettri
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LOCALIZER
SHIM GLOBALE (FWHM < 20 Hz)
POSIZIONAMENTO VOXEL SHIM LOCALE (FWHM ≤ 7 Hz) SOPPRESSIONE ACQUA (2-3%)
ACQUISIZIONE DATI
(DURATA COMPLESSIVA DELL'ESAME ? min)
SCHEMA ESECUZIONE MRS 1H
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SINGLE VOXEL 1H-MRS
ACQUISIZIONE DA 2 VOXEL: Lesione + Tessuto Normale Controlaterale
SEQUENZA PRESS TR = 2 sec, TE = 135 msec, 256 campionamenti
ELABORAZIONE Correzione Eddy Currents, Baseline
VALUTAZIONE DEI METABOLITI: calcolo dei rapporti COL/CREA, NAA/CREA, NAA/COL
2 cm
CMN, 1993
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- SPECIFICITA' CHIMICA
- SENSIBILITA' LIMITATA
- NON INVASIVITA'
- NECESSITA' DI CAMPI MAGNETICI DI INTENSITA' ELEVATA
- POSSIBILITA' DI IMAGING SPETTROSCOPICO
CARATTERISTICHE DELLA SPETTROSCOPIAA RISONANZA MAGNETICA
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SETTORI DI INTERESSE DELLA MRS
- ONCOLOGIA
- NEUROLOGIA
- CARDIOLOGIA
- NEFROLOGIA
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MRS IN ONCOLOGIApossibili applicazioni
- valutazione della aggressività biologica
markers metabolici
- definizione della ipossia tumorale
- monitoraggio della terapia
-differenziazione recidiva / fibrosi
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SPETTROSCOPIA DEL P-31NELLE NEOPLASIE
- caratterizzazione bioenergetica (ATP, fosfocreatina, colina)
- misura del pH tessutale
- monitoraggio della terapia
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MRS 1H in oncologia
- neurooncologia
- e ca. della prostata
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MRS NELLO STUDIO DELSISTEMA NERVOSO CENTRALE
- ischemia
- malattie degenerative
- neoplasie
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MRS IN NEFROLOGIA
cardiopatia ischemica
MRS IN CARDIOLOGIA
trapianto renale
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PROSPETTIVE
- CHEMICAL SHIFT IMAGING (acquisizione di dati da volumi piccoli per limitare
gli effetti di volume parziale)
- misurazione di concentrazioni assolute di metaboliti
- valutazione integrata con altre tecniche di imagingmorfologico e funzionale
- monitoraggio e prognosi
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IL RUOLO CLINICO DELLA MRSE' ANCORA IN VIA DI DEFINIZIONE
L' IMPIEGO CLINICO DELLA MRSE' LEGATO ALLAAUTOMATIZZAZIONE DELLEPROCEDUREALLO SVILUPPO DELLE TECNICHEDI IMAGING SPETTROSCOPICO
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MRS E PET POSSONO OFFRIREINFORMAZIONI COMPLEMENTARINELLA CARATTERIZZAZIONEBIOLOGICA DELLE NEOPLASIE