DE68922485T2

DE68922485T2 - Verfahren zur einführung von sauerstoff-17 in gewebe zur bildformung in einem magnetischen resonanzbildformungssystem.

Info

Publication number: DE68922485T2
Application number: DE68922485T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Arai; Pradeep Gupte; Sigmund E Lasker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-19
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: AU4066589A; EP0386199A4; ATE121950T1; JP2655004B2; WO1990001953A1; CA1336165C; US4996041A; DE68922485D1; EP0386199A1; IL91368A0; JPH03500896A; EP0386199B1; IL91368A

Description

Diagnostisches Darstellungsmittel und Verfahren zu seiner Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein diagnostisches Bilddarstellungsmittel zur Einführung von Sauerstoff-17 (¹&sup7;0) in Gewebe für die Bilddarstellung in einem Magnetresonanz- Bilddarstellungssystem. Sie bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen des Mittels und zur Verwendung des Mittels zum Detektieren von lokalisierter Metabolismusaktivität.

Hintergrund der Erfindung

Magnetresonanz-Bilddarstellungssysteme beruhen darauf, daß Atomkerne, die ein magnetisches Moment besitzen, ihre Spins in einem äußeren Magnetfeld ausrichten. Nur Kerne mit ungerader Anzahl von Nukleonen haben ein magnetisches Moment und somit können nur solche Kerne detektiert und bildgebend dargestellt werden. Wasserstoff hat ein Nukleon, nämlich ein Proton, in seinem Kern, und hauptsächlich dieser Kern wird derzeit in der medizinischen Praxis bildgebend dargestellt.
Das häufigste Isotop von Sauerstoff, Sauerstoff-16, hat eine gerade Anzahl von Nukleonen und kann deshalb nicht in einem magnetischen Darstellungssystem bildgebend dargestellt werden. Sauerstoff-15 ist unstabil (radioaktiv) und wird bei anderen bildgebenden Verfahren verwendet, bei dem der Patient einer Strahlungsdosis ausgesetzt wird. Sauerstoff-17 ist stabil und genügt dem Erfordernis der ungeraden Nukleonenzahl, wie sie für Magnetresonanz-Bilddarstellung benötigt wird, ist aber außerordentlich selten und wurde deshalb noch nicht verwendet, da relativ große Mengen notwendig wären.
Vor der vorliegenden Erfindung wurde Sauerstoff-17 für Diagnosezwecke nur in der Form verwendet, daß das Isotop einem wärmblütigen Tier in Form von Wasser appliziert wurde. Indem die Verteilung des Wassers im Körper durch Magnetresonanz-Bilddarstellung verfolgt wurde, konnte der örtliche Verbleib des Sauerstoff-17-Isotops aufgefunden werden.
Einige frühere Arbeiten über NMR-Untersuchungen des Proteintransfers in Wasser, wie von S. Meiboom in J. Chem. Phys., 39, 375, 1961, berichtet, zeigten, daß die transversale Relaxationszeit (T&sub2;) für Protein bei neutralem pH deutlich kürzer ist als die longitudinale Relaxationszeit (T&sub1;) . Der Autor vermutete, daß diese Differenz auf dem natürlichen Vorkommen des H&sub2;¹&sup7;0-Isotops (0,037 Atom-%) in H&sub2;¹&sup6;O beruht und daß bei neutralem pH dieser Effekt größer ist aufgrund der scalaren Kopplungswechselwirkung zwischen dem Quadrupol ¹&sup7;0 und den Protonen. Meiboom zeigte ferner, daß bei einem ph über oder unter dem neutralen pH die Verweilzeit der Potronen an ¹&sup7;0 (Spin = 5/2) zu kurz ist, um eine Begünstigung der Relaxation zu erzeugen. Im Gegensatz zu T&sub2; wurde T&sub1; durch die Anreicherung von pH nicht beeinflußt.
In einer Arbeit von Hopkins et al. in Mag. Reson. Med., 4, 399, 1987, wird der Anreicherungseffekt von H&sub2;¹&sup7;O auf Proteinlösungen und lebende Gewebe berichtet, der mit den Untersuchungen von Meiboom über die Proteinaustauschrate übereinstimmt.
In Research Resources Reporter, August 1988, wird auf Seite 12 angegeben, daß Fluor in Zusammenhang mit Magnetresonanzdarstellung (MRI) verwendet wurde, um Informationen über die Blutströmung zu erhalten. Es wurde darin angedeutet, daß eine exakte Information erhalten werden könnte durch gleichzeitige Untersuchung verschiedener Kerne und daß die Blutströmung auf einer Realzeitbasis gemessen werden könnte. Dr. J.S. Leigh, einer der Autoren, berichtete, daß durch Kombinieren von MRI und Magnetresonanzspektroskopie (MRS) eine Bilddarstellung im Inneren einer Person und eine sehr komplette biochemische Analyse des dort vorhandenen erhalten werden könnte.
Wie bereits angegeben, wurde jedoch die Verabreichung des Sauerstoff-17-Isotops bisher nur durch Verwendung von das Isotop enthaltendem Wasser durchgeführt. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch Einführung von Sauerstoff-17 in Gewebe lokalisierte Metabolismusaktivität unter physiologischen Bedingungen detektiert werden kann durch Überwachung der in vivo-Produktion von H&sub2;¹&sup7;O-Metaboliten in Gewebe unter Verwendung einer durch Sauerstoff-17 ausgelösten Protonen-T&sub2;-Relaxationsbeschleunigung.
Das diagnostische Bilddarstellungsniittel gemäß der Erfindung, ein Verfahren zu seiner Herstellung und die Verwendung des Mittels sind in den Ansprüchen definiert.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Vor der vorliegenden Erfindung bestand großes Interesse an der Verwendung von Perfluorkohlenwasserstoffen als sauerstofftragendem Blutersatz und an ihrer Eignung zur Zuführung von Sauerstoff zu einem Zielorgan. Sauerstoff ist in flüssigen perfluorierten Chemikalien sehr stark lösbar. Zum Vergleich können in normaler Salzlösung oder in Blutplasma ca. 3 Vol.-% Sauerstoff und im Gesamtblut etwa 20% gelöst werden, während Perfluor-Chemikalien bis zu 40% und mehr lösen können.
Wie bereits angegeben, bezieht sich die Erfindung auf ein neuartiges diagnostisches Bilddarstellungsmittel, das Sauerstoff-17 enthält, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung für die Bilddarstellung der Sauerstoff-17- Umsetzung. Das Verfahren ist insbesondere anwendbar für die indirekte Detektierung von Sauerstoff-17 in dem Stoffwechselprodukt H&sub2;¹&sup7;O mittels ¹H-NMR. Die Verteilung des Stoffwechselproduktes kann in klinischen Magnetresonanzsystemen bildlich sichtbar gemacht werden.
Sauerstoff-17 ist ein im Handel erhältliches Isotop, das zwar nicht in großen Mengen hergestellt wird, aber von verschiedenen Quellen bezogen werden kann.
Es wurde in der Praxis gefunden, daß eine Perfluorverbindung als biologisch verträglicher Träger bevorzugt wird, obwohl es auch möglich ist, andere Flüssigkeiten, einschließlich Blut oder Blutplasma, zu verwenden. Die Perfluorverbindungen haben jedoch, wie bereits erwähnt, die Fähigkeit, große Mengen Sauerstoff zu absorbieren.
Als nicht einschränkende Beispiele für Verbindungen können genannt werden perfluorierte Verbindungen, wie z.B. Perfluortributylamin, Perfluorbutyltetrahydrofuran, Perfluorn-octan, Perfluorpolyether, Perfluordecalin, Perfluormethyldecalin, Perfluorcyclohexyldiethylamin, Perfluor-isopentylpyran, Perfluordibutylmethylamin und dergleichen.
Das Emulgiermittel oder oberflächenaktive Mittel kann aus einer großen Vielzahl von im Handel erhältlichen Produkten ausgewählt werden. Das jeweils gewählte Mittel sollte natürlich nicht-toxisch, biologisch verträglich, mit dem Sauerstoff-17 und der Perfluorverbindung verträglich und ohne nachteilige Auswirkungen auf den Körper sein. Es wurde gefunden, daß die bekannte Familie der Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Copolymere nicht nur die organische Phase emulgieren, sondern auch als ein Plasmaexpander dienen, um den onkotischen Druck zu reproduzieren, der normalerweise durch Blutproteine bewirkt wird. Die Polyole sind bei niedrigen Konzentrationen nicht-toxisch und verursachen im Gegensatz zu vielen ionischen und nicht-ionischen Tensiden keine Hämolyse von Erythrozyten. Ein besonders bevorzugtes Tensid, das als Emulgiermittel bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist Pluronic F-68, das von Asaki Denka Inc., Tokyo, Japan, erhältlich ist. Dieses Copolymer hat ein mittleres Molekulargewicht von etwa 8350 und ist ein nicht-ionisches oberflächenaktives Mittel und Detergens.
In der Praxis enthält das erfindungsgemäße diagnostische Mittel 5 bis 50, vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-%, der Perfluorverbindung und 1 bis 20, vorzugsweise 2,5 bis 10 Gew.- %, des oberflächenaktiven Mittels in einer wäßrigen Lösung mit einer Ionenzusammensetzung, die der von Blut ähnlich ist.
Die Zubereitung des Komplexes aus Sauerstoff-17, der Perfluorverbindung und dem Emulgiermittel umfaßt die folgenden Schritte:
(1) Deoxidation einer Emulsion von:
(a) einer biologisch verträglichen, flüssigen Perfluorverbindung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,6 Mikrometer, und
(b) einem biologisch verträglichen Emulgiermittel durch mindestens einen Gefrier-Tau-Zyklus und anschließendes Durchperlen der Emulsion mit einem sauerstofffreien Inertgas;
(2) Einfüllen von Sauerstoff-17 in die Emulsion, und
(3) anschließendes Rückgewinnen des diagnostischen Bilddarstellungsmittels.
In manchen Fällen kann es erforderlich sein, die Flüssigkeit mehreren Gefrier-Tau-Zyklen zu unterwerfen, um zu gewährleisten, daß sämtlicher Sauerstoff-16 vollständig entfernt ist, bevor das Sauerstoff-17-Isotop eingeführt wird. Unter bestimmten Umständen kann es auch wünschenswert sein, den Deoxygenierungsschritt unter vermindertem Druck durchzuführen.
Die Verabreichung des Diagnosemittels erfolgt vorzugsweise durch intravenöse Perfusion. Eine große Vielzahl von Verfahren und Instrumenten kann zum Einführen des Mittels in den Körper einer zu untersuchenden Person verwendet werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht in der Verwendung eines Katheters, so daß das Mittel gezielt einer bestimmten Stelle im Körper zugeführt und die zugeführte Menge besser gesteuert werden kann, um die gewünschte Bilddarstellung zu erhalten. Mit einem Katheter können auch therapeutische Mittel während des Bilddarstellungsvorgangs oder danch verabreicht werden.
Da der Sauerstoff-17 in einer perfluorierten Verbindung absorbiert ist, ist es theoretisch möglich, bis zu 30% des gesamten Blutvolumens in einer Person durch Infusion zuzuführen.
Die tatsächlich verwendete Menge zur Erzielung der gewünschten Bilddarstellung hängt natürlich teilweise von dem Grad der Anreicherung von Sauerstoff-17 in dem Gas ab. Eine 99%ige Anreicherung ist zwar erwünscht, jedoch wird Sauerstoff-17, der bei der Herstellung von Sauerstoff-18 gebildet wird, normalerweise in 70%iger Anreicherung erhalten.
Im allgemeinen wird das Verhältnis von Sauerstoff-17 zu der perfluorierten Verbindung und dem Emulgiermittel üblicherweise mindestens 1:5 betragen. Somit werden gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt 100 ml des angereicherten Gases mit 100 ml der perfluorierten Verbindung und des Emulgiermittels gemischt. Das Diagnosemittel wird in einer wirksamen Menge verwendet, die für die gewünschte Bilddarstellung nötig ist, und diese kann von wenigen Millilitern bis zu über 10 Millilitern variieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Bilddarstellungsmittel mit kommerziell erhältlichen Magnetresonanzapparaten mit nur geringer oder gar keiner Modifikation detektiert werden kann. Handelsübliche MRI-Einheiten können durch die verwendete Magnetfeldstärke gekennzeichnet werden, wobei zur Zeit eine Feldstärke von 2,0 Tesla das Maximum und 0,2 Tesla das Minimum darstellen. Für eine gegebene Feldstärke hat jeder Kern eine charakteristische Frequenz. Zum Beispiel beträgt bei einer Feldstärke von 1,0 Tesla die Resonanzfrequenz für Wasserstoff 42,57 MHz, für Phosophor-31 beträgt sie 17,24 und für Natrium-23 beträgt sie 11,26 MHz. Höhere Feldstärken können für die Bilddarstellung anderer Kerne als Sauerstoff vorteilhaft sein. Somit kann für die Bilddarstellung der Sauerstoff-17-Stoffwechselprodukte und von Fluor-19 die vorhandene Apparatur benutzt werden. Ferner kann die Bilddarstellung dieser Elemente gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Diagnosmittels ist die nicht-invasive und visuelle Abschätzung der räumlichen Sauerstoffverteilung im Gehirn und in anderen wichtigen Organen, wie z.B. dem Herz, der Leber, der Nieren und dergleichen, unter klinischen Magnetresonanzsystemen möglich.
Die visuelle Bilddarstellung der räumlichen Sauerstoffverteilung in Organen gibt eine Information über die Sauerstoffzufuhr zu Geweben und zur Nutzung des Sauerstoffs in solchen Geweben, was außerordentlich nützlich zur Abschätzung des pathophysiologischen Befundes von Patienten in der klinischen Praxis ist.
Das Bilddarstellungsniittel und seine Verwendung, wie bereits beschrieben, hat verschiedene andere vorteilhafte Aspekte. Da der gesamte verwendete Sauerstoff-17 vor Verwendung in der perfluorierten Verbindung absorbiert werden kann, behält man eine vollständige Kontrolle über die Menge des verwendeten Isotops und es tritt praktisch kein Verlust auf, wie dies bei Verabreichung durch Inhalation der Fall wäre. Ferner ist das erfindungsgemäße Diagnosmittel leicht herstellbar und kann intravenös in gleicher Weise wie eine Venentransfusion verabreicht werden, was eine im wesentlichen nicht-invasive Methode darstellt. Ferner kann das Mittel bei Verwendung eines Katheters direkt dem zu untersuchenden Gewebe zugeführt werden.
Somit kann das erfindungsgemäße neue diagnostische Bilddarstellungsniittel in klinischen MRI-Systemen eine Information über die Gewebeperfusion und die Sauerstoffnutzung durch ¹H-NMR geben.
Die NMR-Bilddarstellungsuntersuchungen wurden mit einem Bilddarstellungssystem General Electric 1,5 T Signa durchgeführt (1H Resonanzfrequenz 63,9 MHz). Bei 1,5 T ergab eine in-vitro-Bestimmung von T&sub1; von auf 35,9 Atom-% angereichertem Sauerstoff-17-Wasser einen Wert von 1910 ± 60 msec. Dieses stützt die frühere Beobachtung, daß ¹&sup7;0 ein schwaches Protonen-Relaxationsmittel ist und deshalb in relativ hohen Konzentrationen verwendet werden muß. Im Gegensatz zu T&sub1; betrug der gemessene T&sub2;-Wert des angereicherten Wassers (35,9 Atom-%) 10,6 ± 0,4 msec, was zeigt, daß ¹&sup7;0 eine Protonen-T&sub2;-Relaxationsbeschleunigung auslöste. Die in-vitro-Werte von T&sub1; und T&sub2; von PFC (FC-Emulsionen) wurden zu 2064 ± 14 msec bzw. etwa 800 msec bestimmt. Der bestimmte T&sub2;-Wert des PFC-¹&sup7;O&sub2;-Mittels betrug 4 Stunden. Nach Oxygenierung des PFC mit ¹&sup7;0&sub2; ergab sich ein Wert von etwa 190 msec.
Das folgende Beispiel illustriert die Erfindung.

BEISPIEL 1

Das verwendete Mittel wurde hergestellt durch Deoxygenierung von natürlichem Sauerstoff (Sauerstoff-16) aus einer Mischung von Perfluortributylamin (PFC) und einem Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Emulgiermittel, der von Green Cross Corporation, Osaka, Japan, bezogen wurde. Die Mischung wurde mit Stickstoff durchperlt und aufgewärmt, um den Sauerstoff-16 zu entfernen. Danach wurde die Mischung mit einem gleichen Volumen von 70%igem Sauerstoff-17-Gas in Berührung gebracht und gut gemischt, um die Absorption des Gases zu bewirken. Die erhaltene Mischung bestand aus 100 ml des Sauerstoff-17-PFC-Mittels und wurde unter Kühlbedingungen aufbewahrt.
Ein Hund (Körpergewicht 5 kg) wurde mit Pentabarbital (30 mg/kg) anästhesiert. Eine Kanüle wurde in die Femoralvene bis zu einer inneren vena cava eingeführt und diente für eine Salzlösungsinfusion (10 ml/kg/h) und die spätere Infusion des Sauerstoff-17-PFC-Mittels.
Der Hund wurde auf der Plattform fixiert und in der Kniespule unter dem GE 1,5 Tesla Sigma Bilddarstellungs- System (1H-Resonanzfrequenz 63,9 MHz) positioniert. Ein Kontrollbild wurde nach Plazierung des Infusionssystems aufgenommen. Das Gehirn des Hundes wurde vor (Kontrolle), während und nach der Infusion des Mittels gescannt und 5 mm dicke Axialbilder an verschiedenen Stellen (Multislices) des Hirngewebes wurden erhalten. Die Bilder wurden rekonstruiert unter Verwendung von 2 DFT mit zwei Anregungen von 256 Datenlinien und Magnitudenrekonstruktion.
Nach Aufnahme der Kontrollbilder des Gehirns wurde das Mittel durch die Kanüle mit einer konstanten Geschwindigkeit (100 ml/8 min) durch Infusion zugeführt. Während und nach der Infusion wurde das Gehirn des Hundes an verschiedenen Stellen gescannt und verschiedene Sätze von Bildern wurden während eines Zeitraums von zwei Stunden erhalten.
Im Vergleich zu dem Kontrollbild zeigten die T&sub2;-gewichteten Bilder eine deutliche Abnahme (32-40%) der Protonenintensität. Dieser Effekt war nicht vorübergehend, sondern dauerte mindestens zwei Stunden lang an und beruht vermutlich auf dem paramagnetischen Effekt des Sauerstoff-17, der von H&sub2;¹&sup7;O als einem Stoffwechselprodukt des Mittels stammt, auf das Proton in dem T&sub2;-gewichteten Bild. T&sub1;-gewichtete Bilder zeigten keinerlei Änderungen in der Protonen-Bildgabeintensität im Vergleich zu dem T&sub1;-Kontrollbild. Aus den erhaltenen Daten ergibt sich deshalb klar, daß bei Verabreichung des erfindungsgemäßen Mittels am Zielort eine in vivo-Detektierung des H&sub2;¹&sup7;O-Gewebe-Stoffwechselproduktes als eines der Stoffwechselnebenprodukte durch Protonen-NMR-Bilddar- Stellung ohne weiteres demonstrierbar ist.

Claims

1. Diagnostisches Darstellungsmittel zur Verwendung in einem Magnetresonanz-Bilddarstellungssystem zur Sichtbarmachung der Sauerstoffnutzung in Gewebe durch ¹H-NMR, wobei das Mittel molekularen Sauerstoff-17 enthält, der in einem biologisch verträglichen flüssigen Träger absorbiert ist, und wobei das Mittel eine Ionenzusammensetzung im wesentlichen gleich der von Blut und eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 0,6 um hat.

2. Mittel nach Anspruch 1, bei dem der flüssige Träger Gesamtblut ist.

3. Mittel nach Anspruch 1, bei dem der flüssige Träger Blutplasma ist.

4. Mittel nach Anspruch 1, bei dem der flüssige Träger eine Emulsion einer per fluorierten Verbindung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,6 um in wässriger Lösung ist mit einer Ionenzusammensetzung ähnlich der von Blut.

5. Mittel nach Anspruch 4, bei dem die Emulsion außerdem ein Emulgiermittel enthält.

6. Mittel nach Anspruch 5, bei dem das Emulgiermittel ein Polyol ist.

7. Mittel nach Anspruch 5, bei dem das Emulgiermittel ein Polyoxiethylen-Polyoxipropylen-Copolymer ist.

8. Mittel nach Anspruch 7, enthaltend 15-30 Gew% der perfluorierten Verbindung und 2,5-10 Gew% des Copolymers.

9. Mittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die perfluorierte Verbindung ausgewählt ist aus Perfluortributylamin, Perfluorbutyltetrahydrofuran, Perfluor-n-octan, Perfluorpolyäther, Perflucrdecalin, Perfluormethyldecalin, Perfluorcyclohexyldiethylamin, Perfluor-iso-Pentylpyran und Perfluordibutylmethylamin.

10. Mittel nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die biologisch verträgliche perfluorierte Verbindung und das Emulgierverhältnis in einem Volumenverhältnis der Verbindung zum Emulgiermittel von mindestens 4:1 vorliegen und das Volumenverhältnis der perfluorierten Verbindung zu Sauerstoff-17 bis zu 5:1 beträgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines diagnostischen Darstellungsmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten

(1) Deoxygenieren einer Emulsion aus:

a) einer biologisch verträglichen, flüssigen, perfluorierten Verbindung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,6 um und

b) einem biologisch verträglichen Emulgiermittel, durch mindestens einen Gefrier-Auftau-Zyklus und nachfolgendes Beströmen der Emulsion mit einem inerten sauerstoffreien Gas,

(2) Einführen von Sauerstoff-17 in die Emulsion und

(3) Rückgewinnen des diagnostischen Darstellungsmittels.

12. Verwendung von molekularem Sauerstoff-17 (¹&sup7;O&sub2;), der in einem biologisch verträglichen flüssigen Träger absorbiert ist, für die Herstellung eines diagnostischen Darstellungsmittels mit einer Ionenzusammensetzung im wesentlichen gleich der von Blut und mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 0,6 um zur Detektierung örtlicher Stoffwechselaktivität unter physiologischen Bedingungen durch Überwachung der in-vivo Produktion von H&sub2;¹&sup7;O aus dem molekularen Sauerstoff-17 mittels Protonen-NMR.

13. Verwendung gemäß Anspruch 12, bei der der flüssige Träger eine perfluorierte Verbindung ist.