The spoiler recovery CEST: A new approach for shortening the acquisition time SR-CEST for characterization of CEST agents in solution using Bloch-McConnell fitting

Abstract

Kjernemagnetisk resonans (NMR) er en utbredt metode for å undersøke materie, hvor de magnetiske prosessene som skjer selv på atomnivå er godt beskrevet. Kjemisk utveksling av metning (CEST) er en forholdsvis ny og fremvoksende teknikk innen NMR, utviklet for å produsere bedre kontrast ved magnetresonanstomografi (MRI). I CEST MRI og spektroskopi blir utvalgte protoner i såkalte CEST-agenter, for eksempel metabolitter, mettet. Disse mettede protonene kan bytte plass med protoner i bulkvannet, noe som gir en endring i bulkvannets netto magnetisering. Ved å se på denne endringen kan man med vesentlig økt sensitivitet måle tilstedeværelsen av ulike forbindelser indirekte, noe som kan utnyttes i en rekke nye biomedisinske applikasjoner. I dette arbeidet kombineres en vanlig CEST-pulssekvens med en spoiler recovery (SR)-sekvens. Dette har gitt den nye og raskere SR-CEST-sekvensen, som kan redusere tiden det tar å generere et CEST-spektrum med mer enn 70 %, uten at kvaliteten i spektret svekkes nevneverdig. Analyse av CEST-spektre har konvensjonelt gått via en MTRasym-analyse, som ser på asymmetrien i CEST-spektra som følge av utvekslingen av magnetisme. Denne tilnærmingen tar ikke hensyn til effekter som ofte skjer samtidig med CEST, som for eksempel kjerne-Overhauser-effekter (NOE) og semi-solid makromolekylær magnetiseringsoverføring (MT). I dette arbeidet er Bloch-McConnell(BM)-ligningene kurvetilpasset CEST-spektre for kreatin-, myo-inositol- og glutamatprøver med minste kvadraters metode. Denne BM-tilpasningen skiller CEST-effekten fra andre forstyrrende effekter, og estimerer flere av de fysiske egenskapene til CEST-agentene. De estimerte egenskapene med størst betydning er utvekslingsraten mellom vann- og CEST-agentproton, og konsentrasjonen av CEST-agentene. Begge er lovende biomarkører for å påvise sykdommer og overvåke effekter av sykdomsbehandling. CEST-spektra brukt i dette arbeidet ble laget for vandige prøver av kjente metabolittkonsentrasjoner med et 600 MHz NMR-spektrometer. For vandige prøver ved høye statiske felt blir den longitudinale relaksasjonsstiden T1 for vannprotonene svært lang, noe som gir tidkrevende eksperiment. SR-CEST-sekvensen kan derfor være spesielt nyttig for prøver av denne typen. BM-tilpasning av SR-CEST-spektra og vanlige CEST-spektra gir samlet sett de samme estimerte parameterne, og lykkes i å separere de ulike CEST-effektene. På grunn av den reduserte eksperimentelle tiden er SR-CEST dermed en lovende metode for CEST MRI. Forbedringer i eksperimentelt design og BM-tilpasning diskuteres basert på resultatene funnet her, samt den praktiske bruken av SR-CEST og BM-tilpasning for in vivo MRI.

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a tool for investigating matter, where the magnetic processes occurring even on the atomic level are well described. Chemical exchange saturation transfer (CEST) is, among many, a novel and emerging NMR technique, intended to produce image contrast. CEST imaging and spectroscopy uses selective saturation of exchangeable protons to indirectly detect dilute labile protons via bulk water signal changes. This offers a substantial enhancement of sensitivity, which has led to numerous biomedical applications. In this work a regular CEST pulse sequence is combined with a spoiler recovery (SR) approach, giving a new and faster SR-CEST sequence to create CEST spectra. This combination can reduce the spectral acquisition time by more than 70 %, without any significant impairment in the quality of the spectra. The conventional approach to analyze CEST spectra is a magnetic transfer ratio asymmetry analysis. This approach neglects effects often concomitant to CEST, such as nuclear Overhauser effects and semi-solid macromolecular magnetization transfer. In this work the Bloch-McConnell (BM) equations is least square curve fitted to CEST spectra from creatine, myo-inositol and glutamate samples. This BM fitting separates the CEST effect from the concomitant effects, and provides several physical characteristics of the CEST agents. The estimated parameters of most importance are the exchange rate between the CEST agent and surrounding bulk water, and the concentration of the CEST agent. Both are promising biomarkers for detection of diseases and monitoring effects of treatment. The CEST spectra to fit in this work was acquired for aqueous samples containing known metabolite concentrations on a 600 MHz NMR spectrometer. For aqueous samples at high static fields the longitudinal relaxation time T1 of the water protons become very long, leading to long acquisition times. The SR-CEST sequence can therefore be particularly useful for these types of samples. The BM fitting of the SR-CEST spectra and regular CEST spectra provides overall the same estimated parameters as output, and succeeds in separating the different CEST effects. Due to the reduced aquisition time, SR-CEST is thus a promising tool for CEST MRI. Improvements in spectral acquisition and BM fitting is discussed based on the results obtained, as well as the practical utility of SR-CEST and BM fitting for in vivo MRI.