CN103764174A - 用于代谢显像的组合物和方法 - Google Patents

用于代谢显像的组合物和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103764174A
CN103764174A CN201280035309.3A CN201280035309A CN103764174A CN 103764174 A CN103764174 A CN 103764174A CN 201280035309 A CN201280035309 A CN 201280035309A CN 103764174 A CN103764174 A CN 103764174A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hyperpolarization
patient
disease
diethyl succinate
metabolite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201280035309.3A
Other languages
English (en)
Inventor
N·Z·米尔沃德
P·巴塔查里亚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CN103764174A publication Critical patent/CN103764174A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K49/00—Preparations for testing in vivo
    • A61K49/06—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations
    • A61K49/08—Nuclear magnetic resonance [NMR] contrast preparations; Magnetic resonance imaging [MRI] contrast preparations characterised by the carrier
    • A61K49/10—Organic compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/14—Drugs for disorders of the nervous system for treating abnormal movements, e.g. chorea, dyskinesia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/14—Drugs for disorders of the nervous system for treating abnormal movements, e.g. chorea, dyskinesia
    • A61P25/16—Anti-Parkinson drugs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P25/00—Drugs for disorders of the nervous system
    • A61P25/28—Drugs for disorders of the nervous system for treating neurodegenerative disorders of the central nervous system, e.g. nootropic agents, cognition enhancers, drugs for treating Alzheimer's disease or other forms of dementia
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P35/00—Antineoplastic agents
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61P—SPECIFIC THERAPEUTIC ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR MEDICINAL PREPARATIONS
    • A61P9/00—Drugs for disorders of the cardiovascular system
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C69/00—Esters of carboxylic acids; Esters of carbonic or haloformic acids
    • C07C69/34—Esters of acyclic saturated polycarboxylic acids having an esterified carboxyl group bound to an acyclic carbon atom
    • C07C69/40—Succinic acid esters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C69/00—Esters of carboxylic acids; Esters of carbonic or haloformic acids
    • C07C69/52—Esters of acyclic unsaturated carboxylic acids having the esterified carboxyl group bound to an acyclic carbon atom
    • C07C69/593—Dicarboxylic acid esters having only one carbon-to-carbon double bond
    • C07C69/60—Maleic acid esters; Fumaric acid esters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/46—NMR spectroscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/54—Signal processing systems, e.g. using pulse sequences ; Generation or control of pulse sequences; Operator console
    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
    • G01R33/5601—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution involving use of a contrast agent for contrast manipulation, e.g. a paramagnetic, super-paramagnetic, ferromagnetic or hyperpolarised contrast agent

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

本发明实施方案公开了超极化的13C丁二酸二烷酯化合物和超极化的13C反丁烯二酸二烷酯化合物的制备以及它们用于对TCA循环进行实时体内代谢显像的用途。在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含超极化的1-13C丁二酸二乙酯和1,4-13C丁二酸二乙酯。

Description

用于代谢显像的组合物和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年7月1日提交的美国临时专利申请第61/504,152号和2011年11月9日提交的美国临时专利申请第61/557,879号的优先权，这两个美国临时专利申请均以整体引用的方式并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在政府支持下根据NIH拨款第1R21CA118509号和第1R01NS048589号以及NCI拨款第5R01CA122513号进行的。美国政府拥有本发明的某些权利。
发明背景
克雷伯氏三羧酸循环（Krebs tricarboxylic acid cycle，“TCA循环”）和氧化磷酸化对于代谢能量的产生是重要的。TCA循环存在于细胞的线粒体中并且在大多数细胞中，产生了大部分的三磷酸腺苷（>90%）。在正常的细胞中，TCA循环的主要能量来源是由葡萄糖发生糖酵解所产生的丙酮酸。
在许多疾病病况中，TCA循环受到干扰。在癌症中，丁二酸脱氢酶和反丁烯二酸水合酶致癌基因会妨害TCA循环。TCA循环可以具有不同的切入点。大量能量底物可以被用于TCA循环中（例如柠檬酸和谷氨酸/谷氨酰胺），特别是在癌症中。存在证据表明在许多神经变性疾病（例如阿尔茨海默氏病（Alzheimer's）、帕金森氏病（Parkinson's）、亨廷顿氏病（Huntington's）以及肌萎缩性侧索硬化）中TCA循环也发生改变。另外，三磷酸腺苷（“ATP”）是用于心脏收缩、维持活性离子梯度以及其它生命机能的主要能量来源。心脏中大部分的ATP由TCA循环而产生并且受到TCA循环控制，并且在许多心脏疾病病况中，TCA循环发生改变。
疾病组织与正常组织之间的许多代谢差异能够并且可以经由使用代谢显像剂来检查。目前，利用对2-[18F]氟代-2-脱氧-D-葡萄糖（“FDG-葡萄糖”）的摄取进行的正电子发射断层摄影术（“PET”）测量或磁共振波谱法（“MRS”）来进行代谢显像。然而，通过FDG-葡萄糖进行PET显像仅能够测量葡萄糖摄取和磷酸化的水平，而不能揭示任何与后继葡萄糖代谢有关的信息。在MRS中，仅可以测定稳定状态的组织/器官代谢谱，并且在正常情况下，MRS的低信噪比需要超长的检查时间。
近年来，分子超极化为在体内（即在活的人类或非人类动物体内）进行实时代谢显像开辟了道路。超极化使得使用常规的磁共振显像（“MRI”）和MRS的灵敏度增强至10,000倍以上。在增强核磁共振（“NMR”）活性核（例如13C、15N、31P）的核极化后，在核的激发态与核自旋基态之间的布居数差异增加并且使得磁共振的信号强度放大。在超极化分子的代谢物上可以保持极化（信号增强）。另外，不同于PET，超极化过程是非放射性的。
最广泛使用的超极化方法是动态核极化（“DNP”）和仲氢诱导极化（“PHIP”）。已使多种化合物超极化并且使用超极化代谢显像进行研究。举例来说，已在体内应用中对1-13C丙酮酸、1,4-13C反丁烯二酸、13C丁二酸、13C丙酸2-羟基乙酯以及2,2,3,3-四氟丙基-1-13C丙酸酯-d2,2,3,3（“TFPP”）进行研究。然而，所有这些化合物在用于临床实践方面都存在生理障碍。举例来说，可以使用1-13C丙酮酸来追踪丙酮酸向丙氨酸、乳酸以及碳酸氢盐的代谢，但是不能揭示任何有关TCA循环代谢的信息。对于13C丁二酸，必须在酸性（pH≤3）或碱性（pH≥9）条件下进行极化转移才能实现最佳超极化。另外，13C丁二酸仅少量地被转运穿过许多生物膜，并且特别是，几乎不能跨越线粒体膜而接近牵涉到代谢的TCA循环酶。13C丙酸2-羟基乙酯具有毒性并且不能被代谢。TFPP不是非常可溶于水而必须以20%乙醇水溶液形式注射。
需要如下的超极化化合物：(1)可以由TCA循环代谢；以及(2)能够用作诊断性体内显像剂。
发明概要
在一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含具有式I的超极化13C丁二酸二烷酯化合物：
Figure BDA0000457528410000031
其中R可以选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。
在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含超极化的1-13C丁二酸二乙酯和1,4-13C丁二酸二乙酯。
在一个实施方案中，提供了一种用于对患者进行代谢显像的方法，所述代谢显像包括：
向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C丁二酸二烷酯的组合物；以及
检测在所述患者中的超极化代谢产物。
在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含具有式II的超极化13C反丁烯二酸二烷酯化合物：
其中R可以选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。
在一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含超极化的1,4-13C反丁烯二酸二乙酯。
在一个实施方案中，提供了一种用于对患者进行代谢显像的方法，所述代谢显像包括：
向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C反丁烯二酸二烷酯的组合物；以及
检测在所述患者中的超极化代谢产物。
附图简述
在附图中，给出了化学式、化学结构以及实验数据以连同以下所提供的发明详述一起对要求保护的本发明的示例性实施方案进行描述。
图1A示出了使用铑双膦催化剂将1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯氢化成具有仲氢（pH2）的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的示例性示意图。
图1B描绘了用于形成对13C原子进行极化转移的射频异核脉冲的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的示例性偶合常数。
图1C示出了使用在低磁场中施加的射频脉冲从pH2极化转移至13C核的示例性示意图。
图1D示出了20mM的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯信号与来自3M1-13C乙酸幻像的信号相比的示例性幅度。
图2A示出了如在通过尾静脉注射而接受10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。
图2B示出了如在图2A的堆栈图中所看到的在t=26秒时所采集的13C MRS的所关注区域的放大视图。
图2C示出了如在通过尾静脉注射而接受10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。
图2D示出了如在图2C的堆栈图中所看到的在t=18秒时所采集的13C MRS的所关注区域的放大视图。
图3A示出了如在通过腹膜注射而接受20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。
图3B示出了如在通过腹膜注射而接受20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。
图4示出了示例性13C MRS谱，其示出了在用3-硝基丙酸对小鼠进行注射之前（谱A）和之后（谱B）小鼠体内的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯。
图5A示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。
图5B示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。
图5C示出了在腹膜注射20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。
图5D示出了在腹膜注射20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。
图6A示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后在负荷三种不同肿瘤的小鼠体内超极化丁二酸二乙酯的生物分布的13C FISP图像的比较：肾癌（RENCA）（左侧图像）、淋巴瘤A20（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。
图6B示出了在静脉内注射超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后在负荷三种不同肿瘤的小鼠体内经由使用热图投影所获得的大部分超极化信号的13C CSI图像的比较：RENCA（左侧图像）、A20淋巴瘤（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。
图6C是负荷三种不同肿瘤的小鼠在图6B中的13C CSI图像内单独体素的代谢谱的比较：RENCA（左侧图像）、A20淋巴瘤（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。
图7A示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（左侧图像）和乳腺肿瘤（右侧图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13C FISP图像的比较。
图7B示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（顶部图像）和乳腺肿瘤（底部图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13C CSI图像的比较。
图7C示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（左侧图像）和乳腺肿瘤（右侧图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的代谢的平均13C CSI图像的比较。
图8A示出了在大鼠头部经由颈动脉注射所递送的20 μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13C FISP图像。
图8B示出了在大鼠头部经由颈动脉注射所递送的20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13CCSI谱。
图8C示出了在颈动脉注射20 μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯后大鼠头部的13C MR谱。
发明详述
本发明实施方案公开了超极化的13C丁二酸二烷酯和超极化的13C反丁烯二酸二烷酯化合物的制备以及它们用于对TCA循环进行实时体内代谢显像的用途。
在一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含具有式I的超极化13C丁二酸二烷酯化合物：
Figure BDA0000457528410000071
其中R可以选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。在一个实施方案中，R=甲基。在一个实施方案中，R=乙基。在一个实施方案中，R=正丙基。在一个实施方案中，R=异丙基。在一个实施方案中，R=正丁基。在一个实施方案中，R=异丁基。在一个实施方案中，R=叔丁基。在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含超极化的13C丁二酸二乙酯。在一个具体的实施方案中，超极化的13C丁二酸二乙酯包括超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯。丁二酸二乙酯是一种中性分子，可以在生理pH值下使用，并且可以跨越生物膜。丁二酸二乙酯可以被并入到组织培养物中的细胞中，并且在TCA循环中代谢。另外，丁二酸二乙酯是无毒的。
在一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯可用于对患者进行代谢显像。在一个实施方案中，提供了一种使用超极化的13C丁二酸二烷酯对患者进行代谢显像的方法，所述代谢显像包括：向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C丁二酸二烷酯的组合物；以及检测在所述患者中的超极化代谢产物。
在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含具有式II的超极化13C反丁烯二酸二烷酯化合物：
Figure BDA0000457528410000081
其中R可以选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。在一个实施方案中，R=甲基。在一个实施方案中，R=乙基。在一个实施方案中，R=正丙基。在一个实施方案中，R=异丙基。在一个实施方案中，R=正丁基。在一个实施方案中，R=异丁基。在一个实施方案中，R=叔丁基。
在另一个实施方案中，提供了一种组合物，所述组合物包含超极化的13C反丁烯二酸二乙酯。在一个具体的实施方案中，超极化的13C反丁烯二酸二乙酯包括超极化的1,4-13C反丁烯二酸二乙酯。反丁烯二酸二乙酯是一种中性分子，可以在生理pH值下使用，并且可以跨越生物膜。反丁烯二酸二乙酯可以被并入到组织培养物中的细胞中，并且在TCA循环中代谢。另外，反丁烯二酸二乙酯是无毒的。
在一个实施方案中，超极化的13C反丁烯二酸二烷酯可用于对患者进行代谢显像。在一个实施方案中，提供了一种使用超极化的13C反丁烯二酸二烷酯对患者进行代谢显像的方法，所述代谢显像包括：向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C反丁烯二酸二烷酯的组合物；以及检测在所述患者中的超极化代谢产物。
术语“患者”包括人类和非人类哺乳动物。短语“诊断有效量”意指超极化的13C丁二酸二烷酯或超极化的13C反丁烯二酸二烷酯在用于诊断方法、装置或测定中时足以实现为所述诊断方法、装置或测定所需的所希望的诊断作用或所希望的生物活性的量。这种量将足以在诊断方法、装置或测定中引起生物反应或医学反应，其可包括研究人员或临床医生所寻求的在患者中或在体外或体内组织或系统中的生物反应或医学反应。构成诊断有效量的超极化13C丁二酸二烷酯或超极化13C反丁烯二酸二烷酯的量将取决于诸如以下的因素而不同：所用的诊断方法、装置或测定、用于施用的组合物、施用时间、施用途径、化合物的排泄率、施用持续时间、与本发明化合物组合使用或同时使用的药物和其它化合物，以及在患者是诊断性施用的受试者的情况下，所述患者的年龄、体重、一般健康情况、性别以及饮食。这种诊断有效量可以常规地由本领域的普通技术人员根据他们自己的知识、现有技术以及本公开来确定。
在一个实施方案中，超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯可以通过对1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯进行氢化来制备。图1A示出了使用铑双膦催化剂将1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯氢化成具有pH2的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的示例性示意图。
PHIP使用pH2气体来氢化13C-（或15N-）标记的不饱和有机分子（炔烃或烯烃）。使用催化剂将氢转移成化合物上的单元而不扰乱自旋态。
进一步具体对于1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯来说，可以使用射频脉冲将自旋序从1H核转移到13C标记的羰基上。质子与碳射频脉冲之间在脉冲宽度、振幅以及计时方面的变化会影响向13C转移的极化的百分比。图1B描绘了用于形成对13C原子进行极化转移的射频异核脉冲的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的示例性偶合常数。图1C示出了使用在低磁场中施加的射频脉冲从pH2极化转移至13C核的示例性示意图。通过系统地使脉冲序列发生变化使极化百分比从0.19±0.06%增加到2.1（与波耳兹曼极化（Boltzmann polarization）相比，信号增强至5,000倍）。图1D示出了20mM的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯信号与来自3M1-13C乙酸幻像的信号相比的示例性幅度。每个谱均在4.7T MR扫描仪上使用单脉冲以及使用45°翻转角进行的采集方法而获得。
13C化合物上的PHIP极化以由T1所定义的速率弛豫。在4.7T MR扫描仪上，通过使用10°单脉冲每六秒测量一次极化的碳信号的衰减，持续总共32次扫描和总共3.2分钟来测量超极化的13C丁二酸二乙酯在注射器中和体内的自旋晶格驰豫时间。在20mM超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的水与D2O（9:1比率）溶液中，标记的羰基的T1在体内是38±4秒而在注射器中是54±2秒。在100%水中进行极化时，T1显著更短（在体内是24秒）。在所有体内实验中使用水与D2O溶剂混合物的9:1混合物。在9:1水与D2O催化剂溶液中20mM13C反丁烯二酸二乙酯的pH值是8。在氢化后，pH值是6。
如本文所公开来合成超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯，使其极化和显像。在以实验方式测定超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在水溶液中的偶合常数并且产生异核射频脉冲序列后，可以在水溶液中经由PHIP对丁二酸二乙酯进行超极化，其中与波耳兹曼极化相比，信号增强至5,000倍。可以在四分钟的时间间隔内在完全转化成超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的情况下产生超极化溶液。
已测定丁二酸二乙酯中超极化13C标记的羰基的T1在体内是38秒，这将允许在3分钟内对信号进行测量。通过将20mM的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯尾静脉注射和腹膜内注射到正常小鼠体内以在体内实现13C MRS和MRI。在所有注射中均观测到超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的代谢。基于13C MRS TCA循环代谢物幻像，将超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的谱峰归属于苹果酸、丁二酸、反丁烯二酸以及天冬氨酸。
在使动物暴露于3-硝基丙酸后，会使13C丁二酸二乙酯的代谢发生改变，3-硝基丙酸是丁二酸脱氢酶的一种已知的不可逆的抑制剂。
基于这些结果，已显示出，PHIP诱导的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯使得具有高信噪比的体内超快MRI和MRS成为可能，并且可以使多种酶催化反应可视化。
可以通过PHIP或DNP法对13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯进行超极化。已使用PHIP超极化法进行本文所公开的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯实施例。可以在单日体内显像实验中产生超极化13C丁二酸二乙酯的20个不同的样品。然而，并不旨在将所附权利要求书的范围制约或以任何方式限制于所述细节。为了实现临床目的，可以使用任一种极化法。
在一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可用于对癌症动物模型对比正常动物的代谢进行研究。在另一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可用于将正常动物的代谢与神经变性疾病动物模型的代谢相比较。在另一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可用于将正常动物的代谢与心脏病动物模型的代谢相比较。
超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可用于临床代谢显像和波谱法中，并且可用于对动物模型的疾病组织和正常组织中TCA循环的代谢差异进行研究，从而提供对不同类型的癌症和肿瘤特异性致癌基因表达、神经变性病症以及心脏病的实时代谢指纹图谱分析。
在一个实施方案中，可以向患者施用超极化的13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯，随后进行MRI/MRS以确定患者对超极化13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯的正常TCA循环代谢的基线谱。在一个实施方案中，患者在确定基线谱时是健康的。因此，可以通过随后向所述患者施用超极化的13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯(例如)以测定与基线谱存在的偏差，从而指示疾病病况。在另一个实施方案中，患者可能已经被诊断患有已知或怀疑会改变所述患者对超极化13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯的正常TCA循环代谢的疾病。在那种情况下，可以通过随后向所述患者施用超极化的13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯(例如)以对疾病进展进行估量或确定治疗的有效性。在另一个实施方案中，可以向患者施用超极化的13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯以在所述患者的疗程方面对医疗专业人员进行指导，例如帮助医疗专业人员选择用于癌症患者的药物或放射剂量。举例来说，如果肿瘤看上去是极具还原性的肿瘤（即，低TCA循环代谢），那么可以使用更高的放射剂量。
在又另一个实施方案中，基线谱可以反映出除所研究的患者以外的健康或有病患者的采样。因此，可以通过向患者施用超极化的13C丁二酸二烷酯或13C反丁烯二酸二烷酯(例如)以测定与基线谱存在的偏差或与基线谱的相似性，从而指示存在疾病病况或不存在疾病病况。
在另一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可以提供一个窗口来观测对于靶向癌症疗法的早期反应。成功的结果可以由（恢复的）TCA循环的中间体在否则主要进行糖酵解的肿瘤中的显现来指示。在再另一个实施方案中，超极化的13C丁二酸二烷酯和13C反丁烯二酸二烷酯可用于在数秒至数分钟的时标下以史无前例的化学特异性和MR灵敏度对TCA循环代谢的局部状态进行揭示，对TCA循环代谢的局部状态进行检查，以及在疾病中对疗法进行监测。
实施例
某些实施方案以实施例的形式描述于下文中。不可能描述本发明的每一种潜在的应用。因此，虽然相当详细地描述了所述实施方案，但并不旨在将所附权利要求书的范围制约或以任何方式限制于所述细节或任何具体的实施方案。
实施例1：PHIP诱导的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的制备
仲氢制备
通过在36-55°K的温度下在颗粒状水合氧化铁（IONEX型O-P催化剂；Molecular Products Inc.,Lafayette,CO,USA）上缓慢经过来使可商购获得的超纯氢气（Gilmore,South El Monte,USA）催化转化成pH2。在使气体转化成pH2后，将它在室温下在33巴的压力下储存在7L铝汽缸中。通过高分辨率NMR将pH2的质量测定为>97%。每一批均在两天内使用，在此期间产率不存在可测量的减少。
合成1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯
在装备有搅拌棒的干燥的150ml圆底烧瓶中，加入1g（8.44mmol）的1-13C反丁烯二酸。经由注射器将60ml的无水乙醇和3.2ml（25.2mmol）的三甲基氯硅烷（386529，Sigma-Aldrich,St.Louis,MO）添加到反应物中。在惰性气氛下在室温下将反应物搅拌过夜。使用20ml饱和碳酸氢钠来终止反应。添加固体碳酸氢盐直到反应混合物变成中性为止。将反应混合物过滤以去除过量的碳酸氢盐。通过旋转蒸发去除乙醇。使用二氯甲烷（3×25ml）从水溶液中萃取出1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯。将有机层合并，经过无水硫酸钠干燥，并且过滤。通过蒸发去除二氯甲烷。分离出呈无色液体状的纯3-13C4,5-d2反丁烯二酸二乙酯。1.10g（75%产率）。1H(CD2Cl2,500MHz)δ4.23(复合四重峰,J=7.1,1.5,1.6Hz,4H),1.29(t,J=7.1Hz,6H)。质子去偶的13CNMR(CD2Cl2,125MHz)δ165.43(s),133.6(六重峰,J=25Hz,t J=25Hz),61.8(s),14.43(s)。
氢化催化剂
通过混合两种组分来新鲜制备经过研发以用于快速氢化同时保持所希望的自旋序的水溶性铑催化剂。将双膦配体1,4-双-[(苯基-3-丙烷磺酸酯)膦]丁烷二钠盐（Q36333，Isotec,OH,USA）溶解于9:1的水与D2O中以达到8.25mM的浓度，继而利用真空和氩气吹洗来去除氧气。将铑催化部分以双(降冰片二烯)四氟硼酸铑(I)（目录号45-0230，Strem Chemicals,MA）于极少丙酮中的溶液形式引入到反应混合物中以达到5.5mM的浓度。将所得溶液剧烈振荡并且在真空和氩气吹洗下在室温下去除丙酮。通过将纯化合物注入催化剂溶液中来添加1-13C2,3-d2反丁烯二酸二乙酯。通过将溶液抽起到注射器中并且将它重新注射到催化剂溶液中来将注射器用催化剂溶液洗涤两次以从注射器中移出所有的反丁烯二酸二乙酯。将反丁烯二酸二乙酯和催化剂的溶液经由0.45μm乙酸纤维素针筒式滤器（VWR，28145-481）过滤。将经过过滤的溶液快速吸取到30ml塑料注射器中并且用于将每次实验所需量的显像试剂前体（4ml）注射到极化器的反应腔室中。
对于适用于使用仲氢产生高水平的13C极化的设备的详尽描述提供于Hovener,J.B.;Chekmenev,E.Y.;Harris,K.C.;Perman,W.H.;Robertson,L.W.;Ross,B.D.;Bhattacharya,P.MAGMA2009,22,111-21；以及Hovener,J.B.;Chekmenev,E.Y.;Harris,K.C.;Perman,W.H.;Tran,T.T.;Ross,B.D.;Bhattacharya,P.MAGMA2009,22,123-34中，这两篇参考文献均以整体引用的方式并入本文。
大部分的氢化在60℃下使用12巴的仲氢气体进行并且使用15巴的氮气将超极化的化合物从反应腔室中移出。使用这些条件完成氢化。在Varian11.7T NMR仪器上对氢化反应物的等分试样进行分析，并且进行13C波谱法。催化剂和13C反丁烯二酸二乙酯溶液的13C波谱在氢化之前与之后是不同的。能够容易地观测到羰基的化学位移从167.4ppme（对应于反丁烯二酸二乙酯）变成175.7ppm（对应于丁二酸二乙酯）。在所测试的任何反应物中均未在167.4ppm处观测到共振。将0.5ml等分部分的经过超极化和氢化的13C试剂经由尾静脉注射到小鼠体内。在几个实验中，将1ml等分部分的经过超极化和氢化的试剂注射到小鼠的腹腔内。
实施例2：在代谢显像中使用13C丁二酸二乙酯的代表性条件
MR扫描仪和线圈
除非另外指出，否则在动物用4.7T MR扫描仪（Bruker Avance,Bruker AG,Germany）水平膛腔中使用1H/13C全身式小鼠容积线圈（Doty Scientific,South Carolina,USA）对动物或幻像进行所有MRI显像和MRS。对于大鼠研究，利用1H/13C双重共振4cmID的螺线管容积线圈来进行13C超极化体内显像和波谱法。
动物
在以下说明超极化丁二酸二乙酯代谢显像的效用的实施例中使用了不同组的动物。所有动物实验均得到了亨廷顿医学研究所（Huntington Medical Research Institutes）的IACUC的批准。在每个面罩0.8升/分钟氧气下使用2.0%至2.5%异氟烷气体使所有动物麻醉。雄性BALB/c小鼠购自Harlan S/D并且平均体重是25克。将这些小鼠中的十三只小鼠原样使用并且在以下实施例中描述为正常小鼠。使用5×106个来自以下三种小鼠癌细胞系中的一种的细胞对其它BALB/c小鼠进行植入：RENCA（肾癌）、A20淋巴瘤以及4T1（乳腺）。这些动物在以下实施例中被描述为同种异体移植荷瘤小鼠。对于尾静脉注射，使用与两英尺PE50延伸部分连接的30号管（MVT-1，Braintree Scientific）对侧尾静脉进行插管。温水尾浴使得血管舒张，这是成功插管的关键所在。将镇静的小鼠放置在MR扫描仪的膛腔内的经过加热的托架中。
对于需要腹膜内（i.p.）导管的小鼠实验，对麻醉的小鼠进行以下两个程序中的一个：剖腹术或针穿刺。剖腹术包括在将小鼠仰卧放置时穿过皮肤和腹膜形成小型（2mm至4mm）正中矢状腹部切口。在直接目视下将两英尺PE50导管的尖端放置在腹膜内空间中。使用丝缝线将导管固定于皮肤并且使伤口闭合。或者，通过在盲法经皮穿刺之后使PE50导管穿过18号针来进入腹膜内。将腹部皮肤向上撑起以避免内脏损伤。在经由导管抽出针后，不需要缝线来防止渗漏。在任一种程序之后，小心地使小鼠俯卧并且放入磁体中。
测量极化
在MR扫描仪中，使用13C波谱法以单扫描脉冲和采集序列使用45°的脉冲角在塑料注射器中测量13C丁二酸二乙酯的极化（在极化后，是25秒至40秒）。为了对超极化度进行定量，使用下式对热极化的3M1-13C乙酸幻像在4.7T下的单次扫描谱进行参照：
Figure BDA0000457528410000161
其中1/246,600对应于根据波耳兹曼分布在298°K和4.7T下的13C核极化。如下使用超极化剂的递送时间和自旋-晶格驰豫时间T1反算在时间零点在PHIP极化器中产生的超极化度：
Figure BDA0000457528410000171
所报告的%超极化是指%Pt=0。
1H MRI
使用双重调谐容积线圈以允许共同记录碳超极化图像和小鼠解剖图像来获得小鼠的质子解剖图像。使用RARE（弛豫增强快速采集）三试点（tri-pilot）来放置动物，并且利用使用多种层厚（4.5mm、7.5mm或15.2mm）进行的MSME（多层多回波）冠状切面显像和6cm或7cm的FOV来共同记录碳超极化图像。使用单体素质子MRS（（PRESS）点分辨波谱法）数据采集途径对磁场均匀度进行调整，并且将所关注的体素（0.7×0.7×0.7cm）刚好放在动物的肾脏后部。常规地获得小于15Hz的未抑制水信号。在13C MRS实验中将匀场用于峰分辨。
13C MRS
将超极化试剂（13C丁二酸二乙酯）逐次注射两次至三次，从而对于快速衰减的超极化13C MR信号的使用进行优化，以便获得有关13C丁二酸二乙酯的解剖学分布和代谢两方面的信息。在将超极化的13C丁二酸二乙酯注射到小鼠体内后每7秒至8秒（持续约1分钟）使用脉冲和采集途径（带宽：25,000Hz以及采集量：2,048）并且使用用于激发的非选择性高斯射频脉冲（Gaussian radio frequency pulse）和30°的脉冲角来采集连续的13C MRS。
在获得13C FISP图像之前或之后进行波谱法。使用以实验方式测定的代谢物在D2O/水溶液中在已知pH值下的化学位移值来确定13C波谱峰的归属。在XwinNMR或MestraNova中，使用基线校正（Berstein多项式拟合）、5Hz的谱线增宽、手动定相并且参照176.4ppm处的大丁二酸二乙酯峰来处理FID原始数据。
13C CSI
使用1ms高斯脉冲、200ms TR、8×8或16×16矩阵、2.64cm至4cm范围内的FOV进行13C CSI，使用9mm至12mm的层厚。使用3DiCSI软件（Columbia University,Qui Zhao）处理CSI。将CSI叠加于使用相同的中心位置、FOV以及层厚的1H MRI图像上。
13C MRI
使用Bruker TRUE FISP序列进行13C显像。显像序列使用TR=3.3ms、TE=1.6ms、4个平均值、32×32矩阵以及52,083Hz的带宽。在4.7T MR扫描仪中使用Doty容积线圈进行所有显像。在所述序列中使用80度、60度或40度的翻转角。MR Bruker扫描仪的梯度上升时间是250μs。使用6cm或7cm的FOV、15.2mm尺寸的一层至两层进行冠状切面显像，并且始终选择与质子图像相同的中心层。在Paravision3.0.2软件中将图像转换成假彩色。仅使用高于某一强度的像素以从信号中去除噪音（参见图5A和5B）。将图像叠加于质子图像上。
13C NMR谱
在11.7T Varian仪器上获得含有浓度为约30mM的不同TCA循环代谢物在D2O和水溶液中的溶液的约30个样品的13C质子去偶谱，在样品中含有0.5%的甲醇作为化学位移参照物。使用356mM KOH溶液和50mM磷酸盐缓冲液（pH7.5）对样品的pH值进行调节，并且使用pH计测量。使用64至256个瞬态、60°翻转角、10秒的弛豫延迟进行所有波谱法，并且所有谱均参照甲醇峰。代谢物的一些羰基归属以及样品的pH值可以参见表1。
Figure BDA0000457528410000191
实施例3：超极化13C丁二酸二乙酯在正常小鼠体内的代谢
在经由尾静脉注射了10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的十三只小鼠和在腹膜中注射了20μmol的超极化丁二酸二乙酯的三只小鼠中对超极化13C丁二酸二乙酯的代谢进行实时检测。超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在小鼠体内的代谢的代表性13C MRS检查示于图2A-2D以及图3A和3B中。
除非另外指出，否则每五秒至九秒使用30°单脉冲和采集序列收集所示出的所有谱。基于原始数据的时标以及脉冲和采集序列完成所花费的时间量（约5秒）来确定时间值。时间值对应于在注射超极化化合物与进行波谱法之间所经过的时间。在注射超极化物质五秒内对超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯（最大峰，标记为DS）的代谢产物进行检测并且持续约1分钟。几乎立即观测到代谢物，并且可以容易地对代谢进行监测。四个独特的共振归属于苹果酸、丁二酸、反丁烯二酸以及天冬氨酸。所有谱皆参照丁二酸二乙酯峰（176.4ppm），所述丁二酸二乙酯峰在幻像实验中参照13C标记的甲醇。在大部分动物中，如果不注射超极化化合物，那么使用13C波谱法以单个瞬态则不能观测到信号。在几只未注射的小鼠中使用单个瞬态获得的13C谱在约30ppm至35ppm处具有脂质峰。
图2A示出了如在通过尾静脉注射而接受10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。图2B示出了如在图2A的堆栈图中所看到的在t=26秒时所采集的13C MRS的所关注区域的放大视图。图2C示出了如在通过尾静脉注射而接受10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。图2D示出了如在图2C的堆栈图中所看到的在t=18秒时所采集的13C MRS的所关注区域的放大视图。
图3A示出了如在通过腹膜注射而接受20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。图3B示出了如在通过腹膜注射而接受20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的小鼠中所观测到的示例性13C MRS时间分辨堆栈图。为了确定所观测到的体内代谢物的化学身份，在11.7T Varian仪器上使用甲醇（49.1ppm）作为在特定pH值下在水和D2O中含有已知TCA循环代谢物的样品的化学位移参照物来进行若干个NMR13C质子去偶波谱学实验。虽然不希望受任何具体理论所束缚，但是假设在注射之后，超极化的13C丁二酸二乙酯在细胞中由酯酶代谢，然后被代谢成丁二酸、天冬氨酸、苹果酸以及反丁烯二酸。共振谱以及化学位移的假定性归属强烈地表明超极化的13C丁二酸二乙酯在体内被代谢并且它的代谢物经由三种或更多种酶催化生物化学反应而保留了大部分的超极化13C核。
实施例4：3-硝基丙酸抑制
超极化丁二酸二乙酯的代谢的定性数据可用于对已知TCA循环代谢受到抑制或异常的疾病病况进行诊断性显像。为了进一步研究超极化13C丁二酸二乙酯在小鼠体内的代谢，在使用3-硝基丙酸对四只小鼠进行腹膜内注射之前和之后进行波谱学实验。3-硝基丙酸是丁二酸脱氢酶的一种已知的不可逆的抑制剂。在注射3-硝基丙酸之后，超极化13C丁二酸二乙酯的代谢发生变化。
图4示出了示例性13C MRS谱，其示出了在用3-硝基丙酸对小鼠进行注射之前（谱A）和之后（谱B）小鼠体内的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯。在注射200μl的5mg/ml的3-硝基丙酸溶液（腹膜内注射）并等待20分钟之前和之后，使用10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯经由静脉内注射对小鼠进行注射。使用一滴50%NaOH溶液使5mg/ml的3-硝基丙酸（Sigma-Aldrich）水溶液达到pH8.5。基于化学位移，在3-硝基丙酸处理之后，在动物中向低场方向移动的丁二酸共振显著减少。四只小鼠中有三只在3-硝基丙酸处理后已减少到完全丧失丁二酸峰。
实施例5：体内13C FISP显像
在经由尾静脉注射或注射到腹膜中之后，使用13C FISP显像来测定超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯和它的代谢物在小鼠体内的相对位置。利用TRUE FISP序列使用60°和40°翻转角每9秒获取图像一次，持续最多1分钟。如果不注射超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯，那么则不能观测到13C图像。
图5A-5D示出了呈假彩色的示例性13C FISP图像在使用相同的FOV和中心层位置的动物质子图像上的叠加图。图5A示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。图5B示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。图5C示出了在腹膜注射20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。图5D示出了在腹膜注射20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后对于小鼠所获取的13C FISP图像（60°翻转角）的示例性叠加图。
基于图像的叠加图，在将超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯静脉内注射到小鼠体内时，它快速地通过心血管系统，如图5A和5B中所示，其中FISP图像位于心脏位置，然后超极化分子集中于膀胱和输尿管中（图5B）。在腹膜内注射的情况下，超极化化合物和它的代谢物在所测试的时间段内主要保持于腹膜中（图5C和5D）。
实施例6：超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在RENCA肿瘤、A20淋巴瘤肿瘤以及4T1乳腺肿瘤中的代谢
使用10μmol的超极化经由尾静脉对BALB/c小鼠（负荷同种异体移植肿瘤的动物）进行注射。图6A示出了在静脉内注射10μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后在负荷三种不同肿瘤的小鼠体内超极化丁二酸二乙酯的生物分布的13C FISP图像的比较：肾癌（RENCA）（左侧图像）、淋巴瘤A20（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。图6B示出了在静脉内注射超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯之后在负荷三种不同肿瘤的小鼠体内经由使用热图投影所获得的大部分超极化信号的13C CSI图像的比较：RENCA（左侧图像）、A20淋巴瘤（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。图6C是负荷三种不同肿瘤的小鼠在图6B中的13C CSI图像内单独体素的代谢谱的比较：RENCA（左侧图像）、A20淋巴瘤（中央图像）以及4T1乳腺（右侧图像）。
实施例7：超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在RENCA肿瘤和乳腺癌（4T1）肿瘤中的生物分布和代谢
使用超极化丁二酸二乙酯对两种不同的皮下肿瘤小鼠模型中的癌症进行显像。使用PHIP对1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯进行超极化。将接近生理浓度（10-20μmol）的超极化溶液经由尾静脉对负荷乳腺肿瘤（4T1）（N=5）或肾肿瘤（RENCA）（N=9）的BALB/c小鼠进行注射。使用1H/13C双重共振容积线圈（Doty Scientific,Inc.,Columbia,SC）进行13C超极化体内显像和CSI波谱法。使用翻转角是60°、FOV是6cm或7cm并且层厚是15.2mm的13C FISP。13C CSI（1ms高斯脉冲，200ms TR，8×8或16×16矩阵，FOV在2.64cm至4cm范围内，层厚是8mm至12mm）。使用3DiCSI软件（Columbia University,Qui Zhao）处理CSI。使用4cm ID的螺线管容积线圈以及简单脉冲和采集13C序列对肿瘤内化合物的通量率进行测定。在水平膛腔型Bruker Avance4.7T动物扫描仪上进行所有13C显像和波谱法。
在两种类型的肿瘤中观测到不同的丁二酸二乙酯生物分布。图7A示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（左侧图像）和乳腺肿瘤（右侧图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13C FISP图像的比较。图7B示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（顶部图像）和乳腺肿瘤（底部图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的生物分布的13C CSI图像的比较。
使用13C CSI在两种肿瘤中对丁二酸二乙酯的代谢进行观测。使用我们的双重调谐4cm ID的螺线管容积线圈在容积覆盖范围是64cm3的情况下使用脉冲和数据采集来测量化合物的通量率。图8C示出了在静脉内注射后在两只不同的小鼠的RENCA肿瘤（左侧图像）和乳腺肿瘤（右侧图像）中超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯的代谢的平均13C CSI图像的比较。
实施例8：通过超极化对大鼠脑中的TCA循环代谢进行显像
使用超极化的丁二酸二乙酯对在大鼠脑中的代谢进行检测并且表明所述化合物能够跨越血脑屏障。使用PHIP对1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯进行超极化。将接近生理浓度（10-20μmol）的超极化溶液经由正常雄性史泊格多利大鼠（Spraque Dawley rat）的颈动脉（N=3）进行注射。利用1H/13C双重共振4cm ID的螺线管容积线圈来进行13C超极化体内显像和波谱法。使用翻转角是60°、FOV是6cm或7cm并且层厚是15.2mm的13C FISP序列来观测化合物的生物分布。使用13C CSI（1ms高斯脉冲、200ms TR、8×8或16×16矩阵、2.64cm至4cm范围内的FOV、8mm至12mm的层厚）。使用3DiCSI软件（Columbia University,Qui Zhao）处理CSI。使用简单脉冲和采集13C序列对肿瘤内化合物的通量率进行测定。在水平膛腔型Bruker Avance4.7T动物扫描仪上进行所有13C显像和波谱法。
超极化化合物的实时生物分布揭示了丁二酸二乙酯能够通过颈动脉注射递送到大鼠脑中。图8A示出了经由颈动脉注射所递送的20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在大鼠头部的生物分布的13CFISP图像。来自流入血液的超极化丁二酸信号允许在注射后进行13C显像和波谱法长达1分钟。使用13C CSI也观测到动物脑内的大部分超极化信号。图8B示出了经由颈动脉注射所递送的20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯在大鼠头部的生物分布的13C CSI谱。
在施用5秒内观测到TCA循环代谢物。通过线圈所定位的脑的13C MR谱显示出通过注射超极化的丁二酸二乙酯形成了多种下游TCA循环代谢产物，所述代谢产物被鉴定为丁二酸、苹果酸以及谷氨酸。图8C示出了在颈动脉注射20μmol的超极化1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯后大鼠头部的13C MR谱。
就在本说明书或权利要求书中使用术语“包括（includes）”或“包括（including）”来说，意图是在所述术语被用作权利要求书中的过渡词时对该术语进行解释时以类似于术语“包含”的方式具有包括性。此外，就使用术语“或”（例如A或B）来说，旨在意指“A或B或这两者”。当旨在“仅A或B而非这两者”时，则将使用术语“仅A或B而非这两者”。因此，在本文对术语“或”的使用是包括性的使用，而非排它性的使用。参见Bryan A.Garner,A Dictionary of Modern LegalUsage624(第2版,1995)。并且，就在本说明书或权利要求书中使用术语“在……中”或“到……中”来说，旨在另外地意指“在……上”或“到……上”。最后，在结合数字使用术语“约”时，旨在包括所述数字±10%。举例来说，“约10”可以意指9至11。
如上所述，虽然已通过描述实施方案来对本申请进行说明，并且虽然已相当详细地描述了所述实施方案，但并不旨在将所附权利要求书的范围制约或以任何方式限制于所述细节。另外的优势和改进将容易地由本领域技术人员看出。因此，本申请在它的更广泛方面不限于所示出的具体细节和说明性实施例。可以偏离这些细节和实施例而不脱离本发明一般概念的精神或范围。

Claims (23)

1.一种组合物，所述组合物包含具有式I的超极化13C丁二酸二烷酯化合物：
Figure FDA0000457528400000011
其中R选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述超极化的13C丁二酸二烷酯包括超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述超极化的13C丁二酸二烷酯包括超极化的1,4-13C丁二酸二乙酯。
4.一种组合物，所述组合物包含具有式II的超极化13C反丁烯二酸二烷酯化合物：
其中R选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。
5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述超极化的13C反丁烯二酸二烷酯包括超极化的1,4-13C反丁烯二酸二乙酯。
6.一种用于对患者进行代谢显像的方法，所述方法包括：
向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C丁二酸二烷酯的组合物；以及
检测在所述患者中的超极化代谢产物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述超极化的13C丁二酸二烷酯包括超极化的1-13C2,3-d2丁二酸二乙酯。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述代谢产物是TCA循环的代谢产物。
9.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括获得来自所述检测的数据，以及将所述所产生的数据与已有数据相比较以确定疾病病况。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述已有数据表示基线谱。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述疾病病况是如下的疾病，与在不存在所述疾病的情况下由所述患者的TCA循环所产生的代谢产物和/或代谢产物的量相比，所述疾病使得所述患者的TCA循环产生至少一种不同的代谢产物和/或不同量的相同代谢产物。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述疾病病况是癌症。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述疾病病况是选自阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、亨廷顿氏病以及肌萎缩性侧索硬化中的一种或多种的神经变性疾病。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述疾病病况是心脏病。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述已有数据反映了在所述疾病病况中所述患者的TCA循环代谢产物，并且在对所述患者进行治疗后进行所述检测。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述已有数据反映了在癌症病况中所述患者的TCA循环代谢产物，并且在对所述患者进行化学治疗后进行所述检测。
17.一种用于对患者进行代谢显像的方法，所述方法包括：
向所述患者施用诊断有效量的包含超极化13C反丁烯二酸二烷酯的组合物；以及
检测在所述患者中的超极化代谢产物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述超极化的13C反丁烯二酸二烷酯包括超极化的1,4-13C反丁烯二酸二乙酯。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述代谢产物是TCA循环的代谢产物。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括获得来自所述检测的数据，以及将所述所产生的数据与已有数据相比较以确定疾病病况。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述疾病病况是癌症。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述疾病病况是选自阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、亨廷顿氏病以及肌萎缩性侧索硬化中的一种或多种的神经变性疾病。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述疾病病况是心脏病。
CN201280035309.3A 2011-07-01 2012-07-01 用于代谢显像的组合物和方法 Pending CN103764174A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161504152P 2011-07-01 2011-07-01
US61/504,152 2011-07-01
US201161557879P 2011-11-09 2011-11-09
US61/557,879 2011-11-09
PCT/US2012/045171 WO2013006520A1 (en) 2011-07-01 2012-07-01 Compositions and methods for metabolic imaging

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103764174A true CN103764174A (zh) 2014-04-30

Family

ID=47391326

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280035309.3A Pending CN103764174A (zh) 2011-07-01 2012-07-01 用于代谢显像的组合物和方法

Country Status (7)

Country Link
US (2) US8664279B2 (zh)
EP (1) EP2726110A4 (zh)
JP (1) JP2014520606A (zh)
CN (1) CN103764174A (zh)
AU (1) AU2012279190A1 (zh)
CA (1) CA2840595A1 (zh)
WO (1) WO2013006520A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150111353A (ko) * 2013-01-31 2015-10-05 브라코 이미징 에스.피.에이. Mr에서 대사 마커로서 사용되는 과분극화된 에스테르
KR102214511B1 (ko) * 2014-02-17 2021-02-09 삼성전자 주식회사 두 단계로 페이지를 필터링하는 데이터 저장 장치, 이를 포함하는 시스템, 및 상기 데이터 저장 장치의 동작 방법
US10452594B2 (en) * 2015-10-20 2019-10-22 Texas Instruments Incorporated Nonvolatile logic memory for computing module reconfiguration
JP2022517281A (ja) * 2019-01-17 2022-03-07 ファーマン ユニバーシティ α－ケト酸からの有機酸の合成
WO2022200859A1 (en) * 2021-03-23 2022-09-29 NVision Imaging Technolgies GmbH Systems and method for generation of hyperpolarized materials

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6574496B1 (en) * 1999-05-19 2003-06-03 Amersham Health As Magnetic resonance imaging
CA2471105C (en) * 2001-12-19 2010-01-12 Japan Science And Technology Agency Stable isotope-labeled amino acid and method for incorporating the same into target protein, nmr method for the structural analysis of protein and method for producing regio-selective stable isotope-labeled fumaric acid and tartaric acid
US20060173283A1 (en) 2002-11-27 2006-08-03 Oskar Axelsson Method of magnetic resonance imaging
EP2902041A1 (en) * 2007-12-19 2015-08-05 GE Healthcare Limited Composition and method for generating a metabolic profile using 13C-MR detection

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EDUARD Y. CHEKMENEV 等: "PASADENA Hyperpolarization of Succinic Acid for MRI and NMR Spectroscopy", 《JACS》 *
RALPH E. HURD 等: "Metabolic Imaging in the Anesthetized Rat Brain Using Hyperpolarized [1-13C] Pyruvate and [1-13C] Ethyl Pyruvate", 《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》 *

Also Published As

Publication number Publication date
US9034928B2 (en) 2015-05-19
WO2013006520A1 (en) 2013-01-10
EP2726110A4 (en) 2015-07-01
AU2012279190A1 (en) 2014-02-20
US8664279B2 (en) 2014-03-04
JP2014520606A (ja) 2014-08-25
EP2726110A1 (en) 2014-05-07
US20140134108A1 (en) 2014-05-15
US20130006099A1 (en) 2013-01-03
CA2840595A1 (en) 2013-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Eills et al. Real-time nuclear magnetic resonance detection of fumarase activity using parahydrogen-hyperpolarized [1-13C] fumarate
Zacharias et al. Real-time molecular imaging of tricarboxylic acid cycle metabolism in vivo by hyperpolarized 1-13C diethyl succinate
Chen et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C] lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies
Golman et al. Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis
Siddiqui et al. The use of hyperpolarized carbon-13 magnetic resonance for molecular imaging
Senanayake et al. A new paramagnetically shifted imaging probe for MRI
NO320225B1 (no) Para-hydrogenmerkede midler og bruk av disse ved magnetresonansavbildning
CN103764174A (zh) 用于代谢显像的组合物和方法
US20060239920A1 (en) Imaging methods for early detection of brain tumors following embryonic stem cell implants
Viale et al. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations
Lee et al. Whole‐abdomen metabolic imaging of healthy volunteers using hyperpolarized [1‐13C] pyruvate MRI
US20030157020A1 (en) Method of contrast enhanced magnetic resonance imaging and compounds useful therefor
Bokacheva et al. High-field small animal magnetic resonance oncology studies
Takakusagi et al. EPR and related magnetic resonance imaging techniques in cancer research
Zöllner et al. Pre-clinical functional magnetic resonance imaging part I: The kidney
Marco-Rius et al. In Vivo Hyperpolarized 13CMRS and MRI Applications
EP3251702B1 (en) In vivo detection of a xenon-binding cage molecule
Hyder et al. Imaging extracellular acidification and immune activation in cancer
Elas et al. Electron paramagnetic resonance imaging-solo and orchestra
WO2019079449A1 (en) NON-INVASIVE DIAGNOSTIC BIOMARKER FOR PANCREATIC ISLET POPULATIONS
RU2718052C2 (ru) Препарат для магнитно-резонансной диагностики онкологических заболеваний, содержащий дейтерированную 3-о-метилглюкозу, и способ диагностики с использованием этого препарата
Veltien et al. Simultaneous Recording of the Uptake and Conversion of Glucose and Choline in Tumors by Deuterium Metabolic Imaging. Cancers 2021, 13, 4034
Aime et al. Advances in bio-imaging: a survey from WWMR 2010
Qi Investigating tumor perfusion, glycolysis and pH environments with multimodal in vivo imaging
US20200319279A1 (en) Techniques for deuterium metabolic imaging and related systems and methods

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140430