KR101789425B1 - Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging - Google Patents

Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging Download PDF

Info

Publication number
KR101789425B1
KR101789425B1 KR1020160066266A KR20160066266A KR101789425B1 KR 101789425 B1 KR101789425 B1 KR 101789425B1 KR 1020160066266 A KR1020160066266 A KR 1020160066266A KR 20160066266 A KR20160066266 A KR 20160066266A KR 101789425 B1 KR101789425 B1 KR 101789425B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pyruvate
dementia
lactate
magnetic resonance
brain
Prior art date
Application number
KR1020160066266A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
송호택
이종은
최영숙
김철훈
김어수
고상윤
김재영
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
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 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020160066266A priority Critical patent/KR101789425B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101789425B1 publication Critical patent/KR101789425B1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/40Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4058Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the central nervous system
    • A61B5/4064Evaluating the brain

Abstract

본 발명은 13C 자기공명분광영상을 이용한 조기 치매 진단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 13C-자기공명분광영상법을 통해 피루베이트의 락테이트로의 전환율을 계산하여 조기 치매를 진단하고, 뇌의 병리적 손상이 동반되기 전 대사 이상 단계에서 치매를 치료할 기회를 제공하며, 뇌관류 정도를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 대사성 치매에서도 진단이 가능하며, 상기 대사성 치매의 진단 시 피루베이트의 락테이트로의 전환율뿐만 아니라 뇌관류 감소, 아밀로이드 베타 축적 또는 행동검사에서의 이상 증세를 함께 측정하여 진단의 정확도를 높일 수 있다.
The present invention relates to a method for diagnosing premature dementia using 13C magnetic resonance spectroscopy, and more particularly, to a method for diagnosing premature dementia by calculating the conversion rate of pyruvate to lactate through 13C-MR spectroscopy, , The opportunity to treat dementia in the stage of metabolic abnormalities, and the degree of cerebral palsy can be determined.
In addition, the present invention is capable of diagnosing metabolic dementia. In addition to the conversion rate of pyruvate to lactate in the diagnosis of metabolic dementia, it is also possible to measure the degree of cerebral palsy, amyloid beta accumulation, .

Description

13C 자기공명분광영상을 이용한 조기 치매 진단 방법{Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging}[0001] The present invention relates to a method for diagnosing early dementia using 13C magnetic resonance spectroscopy,

본 발명은 13C-피루베이트와 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 이용하여 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 대사전환비율을 계산하여 조기 치매를 진단하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for diagnosing premature dementia by calculating the conversion ratio of 13C-pyruvate to 13C-lactate using 13C-lactate, which is a metabolite of 13C-pyruvate and its metabolite, 13C-lactate will be.

치매 노인 수는 2005년 36만 명에서 2015년 58만 명으로 그 인구가 매우 급증하고 있다. 치매는 지능, 의지, 기능 등 정신적인 기능이 현저하게 떨어지기 때문에 본인 및 가족의 고통은 매우 클 수밖에 없으며 주요한 사회문제로 대두되고 있다. 치매의 진단은 정신과 전문의의 진단이 주요한 방법이며 치매로 진단되는 환자의 많은 경우는, 이미 뇌 조직이 많이 손상되어 회복할 수 없는 단계에서 발견되기 때문에 조기에 치매를 진단하는 진단할 수 있는 영상기법의 개발은 매우 필요하다.The number of demented elderly people is rapidly increasing from 360,000 in 2005 to 580,000 in 2015. Because dementia has a remarkably low mental function such as intelligence, will, and function, the suffering of the person and the family is very large and is becoming a major social problem. Diagnosis of dementia is a major method of diagnosis of psychiatrists. Many of the patients diagnosed with dementia are found at a stage where the brain tissue is damaged and can not be recovered. Therefore, Is very necessary.

그동안 치매의 병리적인 요인으로 "아밀로이드 베타" 가설에 기반을 두고 있다. 이는 뇌에 축적된 아밀로이드 베타가 뇌세포를 공격하여 결국에 뇌세포의 손실을 야기한다는 가설이고 실제로 치매 환자의 뇌에서 아밀로이드 베타가 많이 축적되어있는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로, 아밀로이드 베타를 타겟으로 하는 다양한 약물이 개발되었고 이를 이용한 여러 임상시험이 개발되었으나, 대부분 실패하였다. 이는 아밀로이드 베타가 뇌세포에 손상을 주는 요인일 수 있지만, 아밀로이드 가설로 치매의 병리를 설명하는 것은 한계를 가지고 있음을 반영한다.It is based on the "amyloid beta" hypothesis as a pathological factor of dementia. This is a hypothesis that the amyloid beta accumulated in the brain attacks the brain cells and ultimately causes loss of brain cells. In fact, it can be seen that amyloid beta is accumulated in the brain of the demented patient. Based on these results, various drugs targeting amyloid beta have been developed and many clinical trials have been developed, but most of them have failed. This reflects the limited ability of amyloid beta to explain the pathology of amyloid hypothalamic dementia, although it may be a contributing factor to brain cell damage.

치매와 상관관계가 가장 높은 요인은 환자의 나이로 알려져 있는데, 최근 당뇨, 비만, 고콜레스테롤 식이 등 대사 질환이 있는 노년에서 치매가 증가한다는 연구결과들이 보고되고 있다. 이는 "대사질환"과 치매와의 상관관계가 높다는 것을 반영한다. 대사의 이상성을 영상화하는 주요한 영상기법은 글루코스의 유사체인 F-18FDG([F-18]2-deoxy-2-fluoro-D-glucose)를 체내에 주입하여 진단하는 FDG-PET 영상법으로 알츠하이머 환자는 정상인보다 F-18FDG 유입이 감소되어 있다는 것이 보고되고 있다. 이를 바탕으로 알츠하이머의 주요한 병인 요인으로 뇌 대사 감소 대사저하증(Hypometabolism)에 초점을 둔 연구들이 증가하는 추세이다. 그러나 FDG-PET 영상화는 글루코스의 유입만을 영상화한다는 한계를 가지고 있을 뿐 아니라, 혈류의 관류에 매우 의존적이기 때문에 뇌와 같이 혈류가 많이 공급되고 글루코스의 유입이 증가된 조직에서 정확한 영상을 구현하는데 한계를 가지고 있다.Dementia is known to be the most important factor in relation to dementia. Recently, it has been reported that dementia increases in old age with diabetes, obesity, and high cholesterol diet. This reflects the high correlation between "metabolic disease" and dementia. FDG-PET imaging was performed by injecting F-18FDG ([F-18] 2-deoxy-2-fluoro-D-glucose), a glucose analogue, into the body. Have been reported to have reduced F-18FDG entry than normal subjects. Based on this research, there is an increasing tendency to focus on hypometabolism as a major cause of Alzheimer's disease. However, since FDG-PET imaging is limited not only to the imaging of glucose uptake but also to the perfusion of the blood flow, it is limited to implement accurate images in tissues with increased blood flow and increased glucose uptake Have.

최근 초분극화된 13C 영상법은 비방사선 물질을 이용하여 세포 내 대사 반응에 따른 산물을 MRI를 이용하여 실시간 검출함으로써 좀 더 실제적인 물질대사를 영상화 하는 기법으로 그 중요성이 대두되고 있다.Recently, the hyperpolarized 13C imaging method is becoming more important as a technique to image more realistic metabolism by detecting the products according to intracellular metabolism reaction using non - radioactive material in real time using MRI.

본 발명자들은 고 탄수화물 고지질식 (HFD-diet) 섭취를 통해 대사성 치매를 유도하고, 이들 동물 모델에서 13C-피루베이트를 영상 프로브로 사용하여 13C-락테이트로 전환되는 정도를 영상화하여 치매를 진단하는 영상기법을 구축함으로써 완성하였다.The present inventors induced metabolic dementia through high carbohydrate high fat diet (HFD-diet) intake and imaged the degree of conversion of 13C-lactate into 13C-lactate by using 13C-pyruvate as an image probe in these animal models to diagnose dementia It was completed by constructing image technique.

대한민국 등록번호 제10-1516634호Korean Registration No. 10-1516634

Alzheimer's and Dementia, vol.10(4), P62(2014.07) Alzheimer's and Dementia, vol. 10 (4), P62 (2014.07)

본 발명의 목적은 13C-피루베이트와 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 이용하여 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 대사전환비율을 계산하여 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법을 제공하는 것이다. The object of the present invention is to provide a method for the diagnosis of early dementia by calculating the conversion ratio of 13C-pyruvate to 13C-lactate using 13C-lactate, which is a metabolite of 13C-pyruvate and its metabolite, Thereby providing a method of providing information.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 13C-피루베이트를 투여한 대상체에서 획득된 13C-피루베이트 및 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상으로부터 하기 식 1의 13C-대사전환비율을 계산하고, 상기 13C-대사전환비율이 정상 대조군에 비해 증가하는 경우 치매로 판정하는 단계를 포함하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention relates to a 13C-magnetic resonance spectroscopic image of 13C-pyruvate and 13C-lactate, which is metabolism thereof, obtained from a subject to which 13C-pyruvate has been administered, And determining whether the 13C-metabolic conversion ratio is higher than that of the normal control group, the method comprising the steps of:

[식 1][Formula 1]

Figure 112016051630051-pat00001
Figure 112016051630051-pat00001

상기 13C-피루베이트의 투여는 초분극화된(hyperpolarized) 13C-피루베이트를 대상체에 주사하는 것을 특징으로 한다.The administration of 13C-pyruvate is characterized by the injection of hyperpolarized 13C-pyruvate into a subject.

상기 초분극화된 13C-피루베이트는 DNP(Dynamic Nuclear Polarization) 방법에 따라 수행되는 것을 특징으로 한다.The hyperpolarized 13C-pyruvate is characterized in that it is performed according to a DNP (Dynamic Nuclear Polarization) method.

상기 13C-자기공명분광영상은 13C-피루베이트를 대상체에 투여한 후 0초에서 180초까지 일정 간격의 시간대별로 대상체의 뇌에서 획득한 것을 특징으로 한다.The 13C-MR spectroscopic image is characterized in that 13C-pyruvate is obtained in the brain of the subject at intervals of time from 0 to 180 seconds after administration to the subject.

상기 조기 치매는 뇌관류의 감소 및 아밀로이드 베타의 축적이 보이지 않고, 행동검사에서 무증상을 보이는 대상체에서 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 대사전환비율이 정상 대조군에 비해 증가하는 경우일 수 있다.The early dementia may be a case in which a decrease in cerebral perfusion and accumulation of amyloid beta is not observed and the rate of metabolism of 13C-pyruvate to 13C-lactate in a subject asymptomatic in the behavioral test is increased as compared with a normal control group .

본 발명은 13C-자기공명분광영상법을 통해 피루베이트의 락테이트로의 전환율을 계산하여 뇌세포의 손실로 인해 뇌 기능이 상실되기 이전에 조기 치매를 진단하고, 뇌의 병리적 손상이 동반되기 전 대사 이상 단계에서 치매를 치료할 수 있는 기회를 제공하며, 방사선 피폭에 안전한 대사 영상 진단이 가능하고, 정맥에서 유입된 13C-피루베이트가 뇌에 도달하는 양을 정량화하여 뇌관류 정도를 파악할 수 있다.The present invention relates to a method for diagnosing premature dementia before loss of brain function due to loss of brain cells by calculating the conversion rate of pyruvate to lactate through 13C-MR spectroscopy, Provides an opportunity to treat dementia at the pre-metabolic stage, enables safe metabolic imaging of radiation exposure, and quantifies the amount of 13C-pyruvate introduced into the brain to quantify the level of cerebral perfusion .

또한, 본 발명은 대사성 치매에서도 진단이 가능하며, 상기 대사성 치매의 진단 시 피루베이트의 락테이트로의 전환율뿐만 아니라 뇌관류 감소, 아밀로이드 베타 축적 또는 행동검사에서의 이상 증세를 함께 측정하여 진단의 정확도를 높일 수 있다.In addition, the present invention is capable of diagnosing metabolic dementia. In addition to the conversion rate of pyruvate to lactate in the diagnosis of metabolic dementia, it is also possible to measure the degree of cerebral palsy, amyloid beta accumulation, .

도 1은 치매 동물 모델에서 13C-자기공명분광영상을 이용한 전체 13C 신호를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 치매 동물 모델에서 13C-자기공명분광영상을 이용하여 계산된 피루베이트의 락테이트로의 전환비율을 나타낸 것이다.
도 3은 치매 동물 모델에서 면역조직화학염색을 통한 아밀로이드 베타의 축적 여부를 확인한 결과이다.
도 4는 치매 동물 모델에서 수중 미로 검사에 따른 이상 행동을 검사한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 화학적 변위 영상화(CSI)를 이용하여 뇌의 위치에 따른 13C-피루베이트의 대사체의 분포 정도를 정량화한 결과를 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows the result of measurement of the entire 13C signal using a 13C-magnetic resonance spectroscopy image in a dementia animal model.
Figure 2 shows the percent conversion of pyruvate to lactate calculated using a 13C-MR spectroscopy image in a dementia animal model.
FIG. 3 is a result of confirming accumulation of amyloid beta by immunohistochemical staining in a dementia animal model.
FIG. 4 shows the result of an abnormal behavior test according to an underwater maze test in a dementia animal model.
Figure 5 shows the results of quantifying the degree of metabolism of 13C-pyruvate according to brain location using chemical displacement imaging (CSI).

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail.

본 발명은 13C-피루베이트를 투여한 대상체에서 획득된 13C-피루베이트 및 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상으로부터 하기 식 1의 13C-대사전환비율을 계산하고, 상기 13C-대사전환비율이 정상 대조군에 비해 증가하는 경우 치매로 판정하는 단계를 포함하는 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법에 관한 것이다:The 13C-pyruvate metabolite of 13C-pyruvate and 13C-lactate obtained in a subject to which 13C-pyruvate has been administered is calculated from the 13C-magnetic resonance spectroscopic image of 13C-pyruvate, and the 13C- And determining a dementia when the metabolic conversion ratio is increased as compared to a normal control group. The present invention relates to a method for providing information on the diagnosis of premature dementia using a 13C-MR spectroscopy image,

[식 1][Formula 1]

Figure 112016051630051-pat00002
Figure 112016051630051-pat00002

본 발명은 비방사성 동위원소인 13C으로 표지된 13C-피루베이트를 영상 프로브로 사용하는 자기공명분광영상법을 통해 뇌에서 13C-피루베이트가 락테이트 탈수소효소에 의해 13C-락테이트로 전환되는 세포내 대사작용을 실시간으로 영상화하여 뇌에서 대사 활성도를 정량하는 것으로, 보다 구체적으로, 13C-피루베이트가 13C-락테이트로 전환된 양을 그래프로 그린 후 일정 시간 동안 시간대별로 각 그래프의 면적을 구하여 단위시간당 락테이트/피루베이트의 기울기로 뇌세포에서의 대사반응을 추적하는 13C 자기공명분광영상을 통해 조기 치매를 진단할 수 있는 것을 특징으로 한다. 뇌는 당(Glucose) 대사가 매우 왕성한 기관이기 때문에 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양을 정량하는 것은 뇌에서의 물질대사를 잘 반영하는 지표일 수 있다. 따라서, 상기 13C-자기공명분광영상은 글루코스의 유입만을 영상화하는 FDG-PET 영상화에 비해 실제 물질대사를 더욱 잘 반영하는 영상기법이다.The present invention relates to a cell in which 13C-pyruvate is converted to 13C-lactate by a lactate dehydrogenase in the brain through a magnetic resonance spectroscopic imaging method using 13C-pyruvate labeled with a non-radioactive isotope as an image probe More specifically, the amount of 13C-pyruvate converted to 13C-lactate was plotted on a graph, and then the area of each graph was determined for each period of time over a certain period of time The 13C magnetic resonance spectroscopy image, which tracks the metabolic reaction in brain cells with the slope of lactate / pyruvate per unit time, is characterized by its ability to diagnose premature dementia. Quantifying the conversion of 13C-pyruvate to 13C-lactate can be a good indicator of metabolism in the brain because the brain is a very vigorous organ of glucose metabolism. Thus, the 13C-MR spectroscopy image is an imaging technique that better reflects real metabolism than FDG-PET imaging, which only images the inflow of glucose.

본 명세서에서, "조기 치매"는 통상 치매로 판정된 대상체의 뇌에서 보이는 뇌관류의 감소 및 아밀로이드 베타의 축적이 보이지 않고, 행동검사에서 무증상을 보이는 대상체의 뇌에서 13C-자기공명분광영상을 통해 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양이 정상인에 비해 증가하는 경우를 의미한다. 이에 대응하여, 용어 "대사성 치매"는 뇌관류의 감소, 아밀로이드 베타의 축적 및 이상 행동 치매 증세를 보이면서, 대상체의 뇌에서 13C-자기공명분광영상을 통해 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양이 정상인에 비해 현저히 증가하는 경우를 의미한다. 상기 대사성 치매는 알츠하이머병, 혈관성 치매, 파킨슨병, 루이소체 치매, 헌팅톤병, 크루츠펠트-제이야콥병 또는 픽병 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In the present specification, "early dementia" refers to a condition in which the brain of a subject determined to be dementia does not show a decrease in cerebral perfusion and accumulation of amyloid beta, and a 13C-magnetic resonance spectroscopy image Means that the conversion of 13C-pyruvate to 13C-lactate is increased compared to that of normal. Correspondingly, the term "metabolic dementia" refers to a 13C-pyruvate 13C-lactate via 13C-MR spectroscopy imaging in the brain of a subject, exhibiting reduced cerebral perfusion, accumulation of amyloid beta, This means that the amount of conversion is significantly increased compared to the normal person. The metabolic dementia may include, but is not limited to, Alzheimer's disease, vascular dementia, Parkinson's disease, rheisothalamic dementia, Huntington's disease, Kruszfeld-Jjark's disease or Pick's disease.

용어, "정상 대조군 또는 정상인"은 뇌의 대사 이상뿐만 아니라 뇌의 병리적 손상이 동반되지 않은 대상체를 의미한다. 본 발명은 복수의 정상 대조군 또는 정상인으로부터 미리 결정된 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양(또는 전환비율)에 대한 정상 범위 또는 컷-오프 값이 설정되어 정상 범위 또는 컷-오프 값을 초과하는 지의 여부를 판단하여 치매를 판정하는 것일 수 있다.The term "normal control or normal person" refers to a subject not having metabolic disorders of the brain as well as pathological damage of the brain. The present invention provides a method for determining the normal range or cut-off value for the amount of conversion (or conversion rate) of a predetermined 13 C-pyruvate to 13 C-lactate from a plurality of normal controls or healthy persons, It is possible to judge whether or not it is excessive and to judge dementia.

따라서, 용어, "13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양(또는 전환비율)이 증가한다"는 정상 대조군 또는 정상인에서 미리 결정된 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양(또는 전환비율)의 정상 범위 또는 컷-오프 값을 통계적으로 유의한 정도(또는 통계적 유의치) 내지는 1.5배 이상, 2배 이상, 3배, 또는 4배 이상 증가하는 경우를 의미한다.Thus, the term "conversion amount (or conversion ratio) of 13C-pyruvate to 13C-lactate increases" refers to the amount of conversion of the predetermined 13C-pyruvate to 13C- (Or statistical significance) to 1.5 times, 2 times, 3 times, or 4 times more than the normal range or cut-off value.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 고지방식 식이(HFD-diet)로 12주 동안 유도된 조기 치매 동물 모델에서 13C-피루베이트의 13C-락테이트로의 전환 양이 ND-diet를 제공받은 동물 모델(정상 대조군)에 비해 통계적 유의치 이상으로 증가되어 있다. 뿐만 아니라 뇌의 위치에 따른 13C 대사체의 스펙트럼을 확인한 결과 해마를 포함하는 중앙측두엽 부분에서 락테이트로의 물질대사가 증가되어 있다. 이는 13C 물질대사 영상화(13C chemical shift imaging)를 수행할 때 치매로 판단하는 뇌영역으로 이용할 수 있다. 또한, 조기 치매 동물 모델에서 피루베이트에서 락테이트로 전환시키는 락테이트 탈수소효소(lactate dehydrogenase)가 활성화되어 있다. 예상한대로 상기 조기 치매 동물 모델에서는 정상 대조군에 비해 뇌관류의 감소 및 아밀로이드 베타의 축적이 관찰되지 않았고, 행동검사에서도 이상 치매 증세를 보이지 않았다.According to one embodiment of the present invention, the amount of conversion of 13C-pyruvate to 13C-lactate in an early demented animal model induced for 12 weeks with high fat diet (HFD-diet) (Normal control group). In addition, the spectrum of 13C metabolites according to the location of the brain was found to increase the metabolism to lactate from the medial temporal lobe, including the hippocampus. It can be used as a region of the brain that is judged to be dementia when performing 13C chemical shift imaging. In addition, lactate dehydrogenase, which converts pyruvate to lactate, is activated in early demented animal models. As expected, there was no decrease in cerebral perfusion and accumulation of amyloid beta in the early dementia animal model compared with the normal control, and no abnormal dementia was observed in the behavioral test.

한편, 고지방식 식이로 24주 동안 유도된 치매 동물 모델(대사성 치매)의 경우, 피루베이트의 락테이트로의 전환 양이 ND-diet를 제공받은 동물 모델(정상 대조군)에 비해 약 2배 이상 증가하였다. 꼬리 정맥으로 주입한 13C-피루베이트가 뇌에 도달한 양을 정량하였을 때 정상 대조군에 비해 치매 동물 모델에서 그 양이 더 적었는데 이는 뇌에 전달된 피루베이트의 양이 적었음에도 더 많은 양이 락테이트로 전환된 즉 해당과정이 매우 활성화 되었음을 의미한다. 또한, 뇌에서는 전체 C13의 양, 즉, 13C-피루베이트, 13C-락테이트 및 13C-피루베이트-수화물을 합한 값을 정량한 결과, 치매 동물 모델에서 동물에서 혈류량이 감소되어 있었다. 즉, 이들은 뇌관류의 감소를 보였다. 또한, 아밀로이드 베타의 축적이 관찰되며, 행동검사에서 치매와 유사한 행동을 나타냈다.On the other hand, in the case of the dementia model (metabolic dementia) induced in the high fat diet for 24 weeks, the conversion of pyruvate to lactate was about twice as high as that of the animal model (normal control) Respectively. When the amount of 13C-pyruvate injected into the tail vein was quantified in the brain, the amount of 13C-pyruvate injected into the tail vein was smaller in the dementia animal model than in the normal control. This is because even though the amount of pyruvate delivered to the brain was small, Which means that the process has been activated very much. Also, in the brain, the amount of total C13, i.e., the sum of 13C-pyruvate, 13C-lactate and 13C-pyruvate-hydrate, was quantified, resulting in a decrease in blood flow in the animal model of dementia. That is, they showed a decrease in cerebral perfusion. In addition, the accumulation of amyloid beta was observed and behaviors similar to dementia were observed.

따라서, 본 발명은 이온화 방사선을 배출하지 않는 비방사성 동위원소를 이용한 13C-자기공명분광영상법을 통해 피루베이트의 락테이트로의 전환율을 계산하여 뇌세포의 손실로 인해 뇌 기능이 상실되기 이전에 조기 치매를 진단하고, 뇌의 병리적 손상이 동반되기 전 대사 이상 단계에서 치매를 치료할 수 있는 기회를 제공하며, 방사선 피폭에 안전한 대사 영상 진단이 가능하고, 뇌에서 전체 13C의 양(13C-피루베이트 및 이의 모든 대사체)을 정량화함으로써 정맥에서 유입된 13C-피루베이트가 뇌에 도달하는 양을 정량화하여 뇌관류 정도를 파악할 수 있다. 아울러, 기존에는 뇌로의 글루코스 유입이 감소되는 대사저하증을 통해 치매가 유발되는 것으로 알려져 있었으나, 본 발명을 통해 락테이트로 전환되는 대사반응의 증가를 통해 치매가 유발됨을 확인하여 병리학적 연구 측면에서 새로운 관점을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for determining the conversion of pyruvate to lactate through 13C-MR spectroscopy using a non-radioactive isotope that does not emit ionizing radiation, Early diagnosis of dementia provides an opportunity to treat dementia in the stage of metabolic abnormalities before the accompanying pathological damage of the brain, safe metabolism imaging is possible for radiation exposure, and the total amount of 13C in the brain (13C-pyruvate Bait and all its metabolites), quantifying the amount of 13C-pyruvate introduced from the vein into the brain can be quantified to determine the degree of cerebral perfusion. In addition, it has been known that dementia is induced through hypoglycemia due to reduced glucose uptake into the brain. However, it has been confirmed through the present invention that dementia is induced through an increase in metabolic reaction to lactate, Provide a perspective.

뿐만 아니라 본 발명은 대사성 치매에서도 진단이 가능하며, 상기 대사성 치매의 진단 시 피루베이트의 락테이트로의 전환율 뿐만 아니라 뇌관류 감소, 아밀로이드 베타 축적 또는 행동검사에서의 이상 증세를 함께 측정하여 진단의 정확도를 높일 수 있다.In addition, the present invention is capable of diagnosing metabolic dementia. In addition to the conversion of pyruvate to lactate in the diagnosis of metabolic dementia, it is also possible to measure the degree of cerebral palsy, amyloid beta accumulation, .

이하, 본 발명의 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of providing information on the diagnosis of early dementia using the 13C-MR spectroscopy image of the present invention will be described step by step.

본 발명의 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법은A method of providing information on the diagnosis of premature dementia using the 13C-MR spectroscopy image of the present invention

13C-피루베이트를 대상체에 투여하는 단계;Administering 13 C-pyruvate to a subject;

상기 대상체에서 13C-피루베이트 및 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상을 각각 획득하는 단계;Obtaining 13 C-MR spectroscopic images of 13 C-pyruvate and its metabolism, 13 C-lactate, in said subject;

상기에서 획득된 13C-피루베이트 및 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상으로부터 하기 식 1의 13C-대사전환비율을 계산하는 단계; 및Calculating the 13C-metabolic conversion ratio of the formula 1 from the 13C-magnetic resonance spectroscopic images of 13C-pyruvate and 13C-lactate obtained above; And

상기 13C-대사전환비율이 정상 대조군에 비해 증가하는 경우 치매로 판정하는 단계를 포함할 수 있다:And determining the dementia when the 13C-metabolic conversion ratio is increased compared to the normal control group:

[식 1][Formula 1]

Figure 112016051630051-pat00003
Figure 112016051630051-pat00003

상기 13C-피루베이트를 대상체에 투여하는 단계에 있어서, 상기 13C-피루베이트는 13C 신호의 증폭을 위해 초분극화된(hyperpolarized) 13C-피루베이트를 사용할 수 있다.In administering the 13C-pyruvate to a subject, the 13C-pyruvate may use hyperpolarized 13C-pyruvate for amplification of the 13C signal.

13C-피루베이트의 초분극화는 동위원소가 농축된 3He, 129Xe 또는 이러한 비활성 기체(noble gas)의 혼합물을 사용하거나; 매우 낮은 온도 및 높은 자기장에서 열역학적 평형에 의해 NMR 활성 핵으로 나누거나; 상자성 물질을 혼합한 후 자기장 내에서 물리적으로 회전시킴으로써 핵 스핀 편극화시키거나; 또는 DNP(동적 핵 분극화, dynamic nuclear polarization)을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 초분극화된 13C-피루베이트를 얻기 위해 13C-피루베이트를 직접 분극화시키거나, 또는 13C-피루베이트를 분극화시킨 후 염기로 중화시킴으로써, 분극화된 13C-피루베이트를 초분극화된 13C-피루베이트로 전환시킬 수 있다.The hyperpolarization of 13C-pyruvate uses a mixture of isotopically enriched 3 He, 129 Xe or such noble gas; Split into NMR active nuclei by thermodynamic equilibrium at very low temperatures and high magnetic fields; Polarizing the nuclear spin by physically rotating the paramagnetic material in a magnetic field after mixing; Or DNP (dynamic nuclear polarization). That is, by directly polarizing 13C-pyruvate to obtain hyperpolarized 13C-pyruvate, or by polarizing 13C-pyruvate and neutralizing with a base, the polarized 13C-pyruvate is converted into hyperpolarized 13C-pyruvate . ≪ / RTI >

바람직하게는, 본 발명은 초분극화된 13C-피루베이트를 얻기 위하여 DNP 방법을 이용할 수 있다. 더 구체적으로, 분극화 화합물로 상자성 화합물을 사용하여 13C-피루베이트와 혼합하고, 마이크로파 방사선 형태의 에너지를 가하여 상자성 화합물을 여기시키고, 상자성 화합물의 쌍을 이루지 않은 전자로부터 13C-피루베이트의 13C의 핵으로 분극화가 이동함으로써 13C-피루베이트의 초분극화가 수행될 수 있다.Preferably, the present invention can utilize the DNP method to obtain hyperpolarized 13C-pyruvate. More specifically, the paramagnetic compound is used as the polarizing compound to mix with 13C-pyruvate, the paramagnetic compound is excited by applying energy in the form of microwave radiation, and the 13C nucleus of 13C-pyruvate from the unpaired electron of the paramagnetic compound Lt; RTI ID = 0.0 > 13C-pyruvate < / RTI > can be performed.

상기 13C-피루베이트는 상용화 제품, 예를 들어, Cambridge isotope laboratories사의 CLM-8077-1을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지는 않는다.The 13C-pyruvate may be a commercial product, for example, but is not limited to, CLM-8077-1 from Cambridge isotope laboratories.

상기 상자성 화합물로 전이 금속, 유리 라디칼, 니트록시드 라디칼 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 트리틸 라디칼(trityl radical)을 사용할 수 있다. 상기 트리틸 라디칼을 사용하는 경우 피루베이트에 용해시키기 위한 공용매로 물을 사용할 수 있다.As the paramagnetic compound, a transition metal, a free radical, a nitroxide radical and the like can be used, and a trityl radical can be preferably used. When the trityl radical is used, water may be used as a cosolvent for dissolving in pyruvate.

DNP 공정에서 혼합되는 13C-피루베이트와 상자성 화합물의 몰 분율 비율은 5:1을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.The molar fraction ratio of 13C-pyruvate and paramagnetic compound mixed in the DNP process may be 5: 1, but is not limited thereto.

DNP 공정은 1T 내지 25T의 자기장 및 0.5K 내지 8K의 절대온도, 더 구체적으로, 3.35T의 자기장 및 4K의 초저온에서 초분극장비를 이용하여 수행될 수 있다.The DNP process can be performed using a hyperpolarization device at a magnetic field of 1T to 25T and an absolute temperature of 0.5K to 8K, more specifically, a magnetic field of 3.35T and a cryogenic temperature of 4K.

상기 초분극장비는 하이퍼센스(HyperSense)를 이용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.The hyperpolarization equipment may be, but is not limited to, HyperSense.

상기의 초분극화된 13C-피루베이트는 염기가 첨가된 완충용액에 녹여 대상체에 투여될 수 있다.The hyperpolarized 13C-pyruvate may be dissolved in a buffered solution to which a base is added and administered to a subject.

상기 완충용액으로 인산염 완충액, 예컨대, 트리스(Tris)가 사용될 수 있으며, 염기로는 탄산나트륨(Na2CO3) 수용액, 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액 등이 사용될 수 있다.As the buffer solution, a phosphate buffer solution such as Tris may be used. As the base, aqueous solution of sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), aqueous solution of sodium hydrogencarbonate (NaHCO 3 ), aqueous solution of sodium hydroxide (NaOH) .

상기 완충용액에는 EDTA와 같은 킬레이팅제 및 삼투압을 유지하기 위한 염화나트륨(NaCl)이 포함될 수 있다.The buffer solution may contain a chelating agent such as EDTA and sodium chloride (NaCl) to maintain the osmotic pressure.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 75mM의 13C-피루베이트를 15mM의 트리틸 라디칼과 혼합하여 용해시킨 후, 4K 온도에서 60분간 초분극화 과정을 수행하고, 1M Tris-HCl, 1M NaCl, 2g/L EDTA 및 1M NaOH 조성의 완충용액에 초분극화된 13C-피루베이트를 녹여 주사액을 제조한다. 상술한 방법에 의하여 초분극화된 13C-피루베이트는 75% 이상으로 동위원소가 농축되고, 바람직하게는 90% 이상의 동위 원소가 농축된다.According to one embodiment of the present invention, 75mM of 13C-pyruvate is mixed with 15mM of trityl radical to dissolve, followed by a hyperpolarization process at a temperature of 4K for 60 minutes, adding 1M Tris-HCl, 1M NaCl, 2g / Liquid EDTA and 1M NaOH buffer solution to dissolve hyperpolarized 13C-pyruvate to prepare injection. The hyperpolarized 13C-pyruvate according to the above-described method is enriched in isotope of 75% or more, preferably 90% or more of isotope is concentrated.

상기 대상체는 인간 또는 인간을 제외한 동물일 수 있다.The subject may be a human or an animal other than a human.

13C-자기공명분광영상을 획득하기 위해서는, 대상체를 자기공명분광기의 자석에 위치시킨 후, 13C-자기공명 RF-코일이 대상체의 뇌 영역을 덮도록 위치시킨다. 다음으로, 초분극화된 13C-피루베이트를 대상체에 주사한다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, ND-diet 또는 HFD-diet로 12주 또는 24주 동안 제공하여 조기 치매를 유도한 마우스 또는 대사성 치매를 유도한 마우스 모델을 구축하고, 상기 마우스의 꼬리 정맥에 초분극화된 13C-피루베이트를 주사한다. 주사한 후 60초 경과하기 전까지 대상체의 뇌에서 13C-자기공명분광영상(Averaged Spectrum)을 획득한다. 13C-자기공명영상을 스펙트럼으로 영상화하기 위한 방법으로, 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 자기공명분광영상에서 신호강도의 최대값으로 표준화시킬 수 있고, 기선(base line)과 전역 0차 위상보정(Global zero order phasing)한 뒤, 각 대사체의 신호곡선의 최대값이 포함되도록 주파수 영역을 선택할 수 있다. 이로부터 13C-자기공명분광영상의 데이터는 13C-자기공명분광 형태로 나타나며, 13C-피루베이트 및 13C-락테이트는 기 알려진 각각의 공명주파수에 따라 독특한 스펙트럼을 나타내고, 분광주파수에서 신호강도의 최대값을 나타낸다. 13C-자기공명분광영상을 검출하기 위하여 13C-자기공명 RF-코일이 사용되는데 이때, 13C-자기공명 RF-코일은 영상부위에 최적화된 13C-자기공명 RF-코일이 사용될 수 있고, 본 발명에서는 직경 20㎜의 13C 듀얼 튠 서페이스 트랜스밋/리시브 코일(dual-tuned surface transmit/receive coil)을 사용하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In order to obtain a 13C-magnetic resonance spectroscopic image, a subject is placed on a magnet of a magnetic resonance spectroscope, and a 13C-magnetic resonance RF-coil is placed so as to cover the brain region of the subject. Next, the hyperpolarized 13C-pyruvate is injected into the object. According to one embodiment of the present invention, a mouse model in which early dementia was induced or metabolic dementia was induced was provided by ND-diet or HFD-diet for 12 weeks or 24 weeks, Polarized 13C-pyruvate is injected. A 13 C-NMR spectroscopy image is acquired in the brain of the subject until 60 seconds elapse after the injection. 13C-NMR spectroscopy, which can be normalized to the maximum value of the signal intensity in the magnetic resonance spectroscopic images of 13C-pyruvate and 13C-lactate, and the base line and the global zero-order phase After global zero order phasing, the frequency domain can be selected to include the maximum value of the signal curve of each metabolite. From this, data of 13C-MR spectroscopy images are shown in the form of 13C-magnetic resonance spectroscopy, 13C-pyruvate and 13C-lactate exhibit a unique spectrum according to known resonance frequencies, and the maximum Value. 13C-magnetic resonance RF-coil is used for detecting the 13C-magnetic resonance spectroscopic image. In this case, a 13C-magnetic resonance RF-coil optimized for the image portion can be used for the 13C- 13C dual-tuned surface transmit / receive coil having a diameter of 20 mm was used, but the present invention is not limited thereto.

상기 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 자기공명분광영상으로부터 획득한 시간 영역에서의 신호곡선의 경우, 13C-피루베이트의 신호강도의 최대값이 나타난 이후에 13C-락테이트의 신호강도의 최대값이 나타난다. 13C-자기공명분광영상으로부터 획득한 시간 영역에서의 신호곡선(Dynamic curve)은 대상체의 뇌에서 13C-피루베이트가 LDH 효소(lactate dehydrogenase, 락테이트 탈수소효소)에 의한 대사과정을 통해 13C-락테이트로 전환된 결과를 보여준다. 이로부터 뇌세포의 활성지표로서 피루베이트에서 락테이트로의 대사전환율이 활용될 수 있음을 알 수 있다.In the case of the signal curves in the time domain obtained from the magnetic resonance spectroscopic images of 13C-pyruvate and 13C-lactate, the maximum value of the signal intensity of 13C-pyruvate is shown, and then the maximum value of the signal intensity of 13C- Value is displayed. The dynamic curve obtained from the 13C-magnetic resonance spectroscopy image in the time domain shows that the 13C-pyruvate in the brain of the subject is metabolized by the LDH enzyme (lactate dehydrogenase) As shown in Fig. From this, it can be seen that the metabolic exchange rate from pyruvate to lactate can be utilized as an activity index of brain cells.

상기에서 획득한 13C-피루베이트와 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상에 대하여 영상신호처리기술을 이용하여 시간 영역에서의 각 대사체의 신호곡선 데이터를 획득한다.The 13C-magnetic resonance spectroscopy images of 13C-pyruvate and 13C-lactate obtained above are used to acquire signal curve data of each metabolite in the time domain using an image signal processing technique.

상기 식 1과 같이, 상기 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상의 신호곡선의 면적을 13C-피루베이트의 13C-자기공명분광영상의 신호곡선의 면적으로 나눈 13C-대사전환비율을 계산한다. 이때, 13C-자기공명분광영상의 신호곡선의 면적은 신호곡선 아래의 영역에 대한 면적이고, 이때 시간은 0초에서 60초임이 바람직하다. 또는, 13C-대사전환비율은 13C-피루베이트의 양에 대한 그의 대사체인 13C-락테이트로 전환된 양의 비율로서, 값이 클수록 뇌세포가 활성화 되어있음을 의미하게 되고, 뇌세포의 활성지표로 이용된다.As shown in the formula 1, the 13C-metabolic conversion ratio is calculated by dividing the area of the signal curve of the 13C-magnetic resonance spectroscopy image of the 13C-lactate by the area of the signal curve of the 13C-pyruvate 13C-magnetic resonance spectroscopic image . At this time, the area of the signal curve of the 13C-MR spectroscopy image is the area for the area under the signal curve, and the time is preferably 0 to 60 seconds. Alternatively, the < 13 > C-metabolic conversion ratio is a ratio of the amount converted to 13C-lactate, which is its metabolism to the amount of 13C-pyruvate. The larger the value, the more active brain cells, .

상기에서 얻은 13C-대사전환비율을 정상 대조군과 비교하여 증가하는 경우 치매로 판정한다.The rate of conversion of 13C-metabolism obtained above is compared with the normal control, and it is judged to be dementia if it increases.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<실시예 1> 치매 동물 모델에서 13C-자기공명분광영상을 이용한 치매 진단 실험Example 1: Diagnosis of dementia using 13C-Magnetic resonance spectroscopy image in dementia animal model

(치매 동물 모델 구축)(Dementia animal model construction)

대사성 치매 동물 모델을 구축하기 위하여 8주령의 ICR 수컷 쥐를 반입하여 1주간의 순화기간을 거친 이후, 고지방 식이사료(HFD; 60% Kcal fat, Research Diets INC., NJ, USA)를 12주, 15주, 19주 또는 24주간 공급하였다. 사료의 공급은 2일 간격으로 수행하였으며, 사료의 부패 등의 이유로 한번 공급하고 남은 사료는 폐기하였다. 음수의 공급은 자율이며, 낮과 밤의 주기는 12시간으로 하였다. 대조군의 경우, 모든 조건은 동일하지만, 사료는 정상 사료로 공급하였다. 모델 확립 여부를 확인하기 위하여, 매주 체중 측정, 혈당 검사, 공복 당내성 검사, 공복 인슐린 내성 검사를 시행하였다. 모든 실험절차는 NIH의 동물실험에 관한 가이드라인에 의거, 연세대학교 의과대학 실험동물 윤리위원회의 검토 하에 진행하였다.To establish the metabolic dementia model, high fat diets (HFD; 60% Kcal fat, Research Diets INC., NJ, USA) were infused for 12 weeks, 15 weeks, 19 weeks, or 24 weeks. Feeds were fed at intervals of two days. Feeds were supplied once for reasons such as corruption of the feed, and the remaining feed was discarded. The supply of negative water was autonomous, and the cycle of day and night was 12 hours. For the control group, all conditions were the same, but feed was fed to normal feed. We performed weekly weight measurement, blood glucose test, fasting glucose test, and fasting insulin resistance test to confirm the establishment of the model. All experimental procedures were conducted under the review of the Laboratory Animal Ethics Committee of the Yonsei University College of Medicine, based on NIH guidelines for animal experiments.

(13C-피루베이트의 준비)(Preparation of 13C-pyruvate)

75mM의 13C-피루베이트(Cambridge isotope laboratories사의 CLM-8077-1)를 15mM의 트리틸 라디칼(Trityl radical)과 섞어서 충분히 녹여 준 후에 2회 수조에서 소니케이션 시켜 피루베이트와 트리틸 라디칼이 충분히 잘 섞이도록 하였다. 실험하기 전에 1.5M의 Doctarem®을 혼합하고 Hypersense 장비를 이용하여 초저온에서 초분극화 과정을 통하여 13C 신호를 증폭시켰다. 증폭된 13C-피루베이트를 1M Tris-Hcl, 1M NaCl, 2g/L EDTA, 1M NaOH 조성의 완충용액에 녹인 후, 상기 마우스 모델의 꼬리 정맥을 통해 상기 13C-피루베이트 용액 350㎕를 체내로 주입시켰다.After 75 mM of 13C-pyruvate (CLM-8077-1 from Cambridge isotope laboratories) was mixed with 15 mM Trityl radical and dissolved sufficiently, sonication was carried out twice in the water bath, and pyruvate and trityl radicals were sufficiently mixed Respectively. Prior to the experiment, 1.5M Doctarem ® was mixed and the 13C signal was amplified through hyperpolarization at ultra-low temperature using Hypersense equipment. The amplified 13C-pyruvate was dissolved in a buffer solution of 1 M Tris-HCl, 1 M NaCl, 2 g / L EDTA, and 1 M NaOH, and 350 13 of the 13 C-pyruvate solution was injected into the body through the tail vein of the mouse model .

(MRI를 이용하여 각 피루베이트 및 대사체인 락테이트 스펙트럼 획득)(Acquisition of each pyruvate and metabolite lactate spectrum using MRI)

마우스의 뇌에 1H-13C dual-tuned surface transmit/receive coil (20mm diameter)과 9.4T Bruker MRI를 이용하여 각각의 스펙트럼에 따른 대사체의 신호를 획득하였다. 각 피루베이트의 대사체는 본 발명자들이 개발한 프로그램을 이용하여 automatic phasing, base line subtraction, frequency correction을 시행하여 유효한 스펙트럼을 획득하였다.The signals of the metabolites according to the respective spectra were obtained using a 1H-13C dual-tuned surface transmit / receive coil (20 mm diameter) and a 9.4 T Bruker MRI in the mouse brain. Metabolites of each pyruvate obtained an effective spectrum by performing automatic phasing, base line subtraction, and frequency correction using a program developed by the present inventors.

(대사흐름 분석)(Metabolic flow analysis)

정맥으로부터 주입된 13C-피루베이트는 세포 내에 존재하는 락테이트 탈수소효소(LDH)에 의해 락테이트로 대사되므로, 체내로 주입된 13C-피루베이트에 대해 1초마다 피루베이트와 락테이트의 스펙트럼을 얻었다. 주입된 피루베이트에 비해 락테이트로 전환되는 양은 1초부터 60초까지 각 신호를 그래프로 그렸다. 뇌조직에서 활성화된 LDH의 활성은 0초부터 60초까지의 13C-락테이트 곡선을 13C-피루베이트 곡선의 면적(Area Under Curve (AUC))으로 나누어 전환비율로 계산하였고, 각 1초마다 13C-락테이트/피루베이트의 비율을 시간대별로 그래프로 구하였다.Since 13C-pyruvate injected from the vein is metabolized to lactate by the lactate dehydrogenase (LDH) present in the cells, the spectrum of pyruvate and lactate is obtained every 1 second for 13C-pyruvate injected into the body . The amount of lactate converted to injected pyruvate was plotted from 1 second to 60 seconds. The activity of activated LDH in brain tissue was calculated by dividing the 13C-lactate curve from 0 second to 60 seconds by the Area Under Curve (AUC) of the 13C-pyruvate curve, - The ratio of lactate / pyruvate was plotted on a time scale basis.

(화학적 변위 영상화)(Chemical Displacement Imaging)

마우스의 뇌에 1H-13C dual-tuned surface transmit/receive coil (20mm diameter)과 9.4T Bruker MRI를 이용하여 스펙트럼을 획득하였다. 영상의 크기(Field of View)는 1.8×2.4cm2 이며 매트릭스 크기는 9×12로 0.2cm의 해상도로 13C-피루베이트를 주입한 후 27초에 스펙트럼을 획득하였다. 획득한 데이터는 상기의 프로그램을 이용하여 분석하였다.The spectrum of the brain was obtained using a 1H-13C dual-tuned surface transmit / receive coil (20 mm diameter) and a 9.4 T Bruker MRI. The field of view was 1.8 × 2.4 cm 2 and the matrix size was 9 × 12, and the spectrum was acquired at 27 seconds after injecting 13 C-pyruvate at a resolution of 0.2 cm. The obtained data was analyzed using the above program.

(아밀로이드 베타 측정)(Amyloid beta measurement)

고지방식이로 유도한 치매 동물 모델에서 중추신경조직 내 아밀로이드 베타의 축적을 확인하기 위하여, 면역조직화학염색을 시행하였다. 실험방법은, 0.9% 생리식염수(normal saline)로 관류 후 4% 파라포름알데히드로 고정시킨 실험동물의 뇌조직을 적출하고, 2mm 간격의 관상절편을 만들어, 30%의 수크로스 수용액 하에 일주일간 치환시켰다. 이후, OCT 화합물로 포매하여 동결절편을 만들고, 10㎛ 두께로 박절하여, 실란 코팅된 슬라이드에 붙였다. 이후, 1×PBS로 OCT 화합물을 씻어내고, PBS-t 0.025%로 수세한 다음, Normal Goat Serum을 이용하여 20±5℃에서 1시간 블록킹하였다. 이후, Abcam사의 아밀로이드 베타 항체(1:200)를 처리하여 4℃에서 6~8시간 반응시켰다. 이후, PBS-t 0.025%로 10분간 2회 수세하고, 1차 항체에 대항하는 2차 항체를 20±5℃에서 1시간 반응시켰다. 이후, DAPI로 대조염색하고, 연세대학교 임상의학연구센터 이미징 센터 내 LSM700을 사용하여 영상화 하였다.Immunohistochemical staining was performed to confirm the accumulation of amyloid beta in the central nervous tissue in demented animal models induced by high fat diet. Experimental methods were as follows: The brain tissues of experimental animals fixed with 4% paraformaldehyde after perfusion with 0.9% normal saline were extracted and tubular sections were prepared at intervals of 2 mm, and subjected to a weekly substitution . Thereafter, it was embedded in an OCT compound to prepare a frozen section, which was then cut into a thickness of 10 mu m and attached to a silane-coated slide. Thereafter, the OCT compound was washed with 1 × PBS, rinsed with PBS-t 0.025%, and blocked with Normal Goat Serum for 1 hour at 20 ± 5 ° C. Then, the Abcam amyloid beta antibody (1: 200) was treated and reacted at 4 ° C for 6 to 8 hours. Then, the cells were rinsed twice with PBS-t 0.025% for 10 minutes, and the secondary antibody against the primary antibody was allowed to react for 1 hour at 20 占 5 占 폚. Then, DAPI was used for contrast dyeing and imaging was performed using LSM700 in the Imaging Center of Clinical Medical Research Center, Yonsei University.

(행동검사: 모리스 수중 미로 검사)(Behavior test: Morris water maze test)

상기에서 구축된 치매 동물 모델의 질환 발병 여부를 확인하기 위해, 모리스 수중 미로 검사를 시행하였다. 원형으로 된 수조(지름 150~180cm, 높이 50cm)에 물을 채우고(25cm, 25±1℃), 검은색 식용색소를 풀어 플랫폼이 보이는 것을 방지하였다. 원형 수조의 한 사분면의 중간에 지름 10cm, 높이 23~24cm의 플랫폼을 설치하였고, 비디오카메라를 수조를 중심으로 수직 위치에 설치하여 동물의 움직임을 기록하였다. 또한, 각 사분면 벽면에 서로 다른 공간 단서를 두어 실험동물이 플랫폼의 위치를 인식하도록 하였다. 실험은 5일간 진행되었으며, 실험 1일 차에는 플랫폼이 없는 수조에서 60초간 자유롭게 수영하여 수영하는 상황에 적응시켰다. 실험 2일 차부터 동물을 4 사분면 중 한쪽에서 동물의 머리가 벽면을 향하도록 하여 물 안으로 놓아주고, 4일간 하루에 2회씩 물에 잠겨있는 플랫폼의 위치를 찾도록 훈련시켰다. 훈련기간 동안 동물이 플랫폼을 찾아 올라갈 때까지의 시간을 측정하고, 만약 60초 내에 플랫폼을 찾지 못했다면, 실험자가 플랫폼으로 인도해 주었다. 동물이 플랫폼에 올라가면 안정을 취할 때까지 머무르게 하였다. 마지막 훈련이 끝나고 24시간 후에, 플랫폼을 제거하고 60초 동안 자유수영을 하게 하여, 플랫폼이 위치했던 사분면에 머무르는 시간을 측정하였다. Morris water maze test was performed to confirm the disease occurrence of the demented animal model constructed above. Filled with water (25 cm, 25 ± 1 ° C) in a circular water tank (150-180 cm in diameter, 50 cm in height), the black colored food color was released to prevent the platform from being visible. A platform with a diameter of 10 cm and a height of 23 to 24 cm was installed in the middle of one quadrant of the circular water tank, and the movement of the animal was recorded by installing a video camera in a vertical position around the water tank. In addition, different spatial clues were placed on each quadrant wall surface to allow the experimenter to recognize the position of the platform. The experiment was carried out for 5 days. On the 1st day of experiment, the swimming was freely swim for 60 seconds in the platformless water tank and adapted to the swimming situation. From day 2 of the experiment, animals were placed in the water with the head of the animal facing the wall on one of the quadrants in the quadrant, and trained to locate the submerged platform twice a day for four days. During the training period, the time was measured until the animal reached the platform, and if the platform was not found within 60 seconds, the experimenter led it to the platform. When the animal climbs on the platform, it stays until it is stable. Twenty-four hours after the last training session, the platform was removed and allowed to swim freely for 60 seconds to measure the time to stay in the quadrant where the platform was located.

<실험예 1> 피루베이트 대사 측정 실험Experimental Example 1 Measurement of pyruvate metabolism

혈관을 통해 뇌에 도달하는 혈액(뇌관류)의 양을 알아보기 위해 뇌의 전체 13C 신호를 측정하였다. 전체 13C 신호는 주입한 총 13C-피루베이트 대사체(피루베이트, 락테이트, 피루베이트-수화물)을 합한 값이다.The entire 13C signal of the brain was measured to determine the amount of blood (cerebral perfusion) reaching the brain through the blood vessels. The total 13C signal is the total of the injected 13C-pyruvate metabolites (pyruvate, lactate, pyruvate-hydrate).

도 1에 나타난 바와 같이, 정상 대조군(ND 12wks, ND 24wks)과 비교하여 조기 치매 동물 모델(12주 동안 고지방식이를 제공한 마우스, HFD 12wks)에서 뇌관류의 변화는 관찰되지 않으나, 대사성 치매 동물 모델(24주 동안 고지방식이를 제공한 마우스, HFD 24wks)에서는 뇌관류의 감소가 확인되었다.As shown in FIG. 1, no change in the cerebral perfusion was observed in the early dementia animal model (mouse treated with high-fat diet for 12 weeks, HFD 12wks) as compared with the normal control group (ND 12wks, ND 24wks) Decreased cerebral perfusion was observed in animal models (mice that received high-fat diet for 24 weeks, HFD 24wks).

또한, 대사 흐름을 측정하기 위해, 13C-피루베이트를 체내로 주입한 후 9.4T MRI를 이용하여 영상화하고 본 발명자들이 개발한 프로그램으로 피루베이트와 락테이트의 그래프의 면적(Area under curve)을 구하고, 락테이트의 값을 피루베이트의 값으로 나누어(비율) 수치화하였다.In order to measure the metabolic flow, 13C-pyruvate was injected into the body and imaged using 9.4T MRI. The area under curve of the pyruvate and lactate graph was obtained by a program developed by the present inventors , And the value of lactate was divided by the value of pyruvate (ratio).

도 2의 결과는 피루베이트 주입 후 피루베이트 피크를 기점으로 50초 사이의 값을 이용하여 그래프로 나타낸 결과로, 정상 대조군에 비해 조기 치매 동물 모델에서 이미 피루베이트가 락테이트로 전환되는 양이 증가되어 있는 것을 확인할 수 있었다(p=0.052). 이러한 증가는 대사성 치매 동물 모델에서 현저히 차이가 났다. The results of FIG. 2 are shown in the graph using the value between 50 seconds and the pyruvate peak after pyruvate injection. As a result, the amount of pyruvate converted to lactate in the early demented animal model was increased (P = 0.052), respectively. This increase was significantly different in metabolic dementia animal models.

<실험예 2> 아밀로이드 베타 측정<Experimental Example 2> Measurement of amyloid beta

아밀로이드 베타의 축적은 치매를 대표하는 가장 큰 특징이므로 치매 동물 모델에서 아밀로이드 베타의 축적을 확인하였다.Since accumulation of amyloid beta is the most significant feature of dementia, accumulation of amyloid beta was confirmed in demented animal models.

도 3에 나타난 바와 같이, 빨간색으로 표지된 단백질이 아밀로이드 베타를 염색한 것으로 HFD 19wks까지 아밀로이드 베타의 축적은 관찰되지 않으나, HFD 24wks에서는 정상 대조군에 비해 해마에서 아밀로이드 베타의 축적이 관찰되었다.As shown in FIG. 3, accumulation of amyloid beta was not observed up to HFD 19 wks when the red-labeled protein stained amyloid beta, but accumulation of amyloid beta was observed in the hippocampus compared to the normal control group in HFD 24 wks.

<실험예 3> 행동 검사&Lt; Experimental Example 3 >

치매 동물 모델에서 수중 미로 검사(Water maze test)를 기반으로 하여 행동학적으로 치매와 유사한 행동을 나타내는지 확인하였다.Based on the water maze test in the demented animal model, we confirmed behaviorally similar behavior to dementia.

도 4에 나타난 바와 같이, 정상 대조군과 HFD 12wks 동물 간의 차이는 없고, HFD 24wks 동물은 이들에 비해 플랫폼을 찾는데 걸리는 시간이 유의하게 늦어짐을 확인하여 이들이 치매 같은 행동학적 특징을 나타냄을 알 수 있었다.As shown in FIG. 4, there was no difference between the normal control group and the HFD 12wks animal, and it was found that the HFD 24wks animals had a significantly slower time to find the platform than the HFD 24wks animals, indicating that they exhibited behavioral characteristics such as dementia.

상기 결과로부터, 아밀로이드 베타의 축적, 행동 검사, 뇌관류 측정 시 24wks가 되어서야 비로소 치매로 진단할 수 있는 반면, 13C 대사 흐름 측정(피루베이트가 락테이트로 전환되는 활성도를 영상화)은 12wks에서 대조군과 비교하여 군간의 차이를 구분하였기 때문에 조기 치매를 진단할 수 있는 도구로 사용할 수 있음을 알 수 있다.From the above results, the accumulation, behavioral tests, and cerebral perfusion measurements of amyloid beta could only be diagnosed as dwelling by 24wks, whereas the 13C metabolic flow measurement (visualizing the activity of converting pyruvate to lactate) And the difference between the groups is distinguished, it can be used as a tool to diagnose early dementia.

또한, 13C 동적 연구는 뇌관류 및 대사 흐름을 동시에 평가하는 영상기법임을 알 수 있었다.In addition, 13C dynamic study showed that it is an imaging technique that simultaneously evaluates cerebral perfusion and metabolic flow.

HFD 12wksHFD 12wks HFD 24wksHFD 24wks 13C 뇌관류13C cerebral perfusion ×× 13C 대사 흐름13C Metabolic flow 아밀로이드 베타 축적Amyloid beta accumulation ×× 행동 검사Behavioral examination ××

<실험예 4> 뇌의 위치에 따른 피루베이트 대사체의 분포 확인 실험<Experimental Example 4> Confirmation of the distribution of pyruvate metabolites according to brain positions

뇌의 위치에 따른 피루베이트 대사체의 분포 정도를 정량화한 결과, 도 5에 나타난 바와 같이, HFD 24wks에서 해마를 포함하는 중앙측두엽((medial temporal lobe)에서 락테이트 전환이 4 배 이상 증가된 것을 확인할 수 있었다.As a result of quantifying the degree of distribution of the pyruvate metabolite according to the location of the brain, it was found that the lactate conversion in the medial temporal lobe including the hippocampus was more than four times higher than that in the HFD 24 wks I could confirm.

Claims (5)

13C-피루베이트를 투여한 인간을 제외한 동물 대상체에서 획득된 13C-피루베이트 및 이의 대사체인 13C-락테이트의 13C-자기공명분광영상으로부터 하기 식 1의 13C-대사전환비율을 계산하고, 상기 13C-대사전환비율이 정상 대조군에 비해 증가하는 경우 조기 치매로 판정하는 단계를 포함하고,
상기 조기 치매는 뇌관류의 감소 및 아밀로이드 베타의 축적이 보이지 않고, 행동검사에서 무증상을 보이는 상태인, 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법:
[식 1]
Figure 112017080908175-pat00004

The 13C-metabolic conversion ratio of the following formula 1 was calculated from the 13C-magnetic resonance spectroscopic image of 13C-pyruvate and its metabolite 13C-lactate obtained from an animal subject except for the 13C-pyruvate- - determining the premature dementia when the metabolic conversion ratio is increased compared to the normal control group,
The method of providing information on the diagnosis of premature dementia using 13C-MR spectroscopy image, in which the early dementia is in a state showing no decrease in cerebral perfusion and accumulation of amyloid beta,
[Formula 1]
Figure 112017080908175-pat00004

제1항에 있어서,
13C-피루베이트의 투여는 초분극화된(hyperpolarized) 13C-피루베이트를 대상체에 주사하는 것인, 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법.
The method according to claim 1,
The administration of 13C-pyruvate provides information about the diagnosis of premature dementia using a 13C-MR spectroscopy image, in which hyperpolarized 13C-pyruvate is injected into a subject.
제2항에 있어서,
초분극화된 13C-피루베이트는 DNP(Dynamic Nuclear Polarization) 방법에 따라 수행된 것인, 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법.
3. The method of claim 2,
A method for providing information on the diagnosis of premature dementia using 13C-MR spectroscopy images, wherein the hyperpolarized 13C-pyruvate was performed according to the DNP (Dynamic Nuclear Polarization) method.
제1항에 있어서,
13C-자기공명분광영상은 13C-피루베이트를 대상체에 투여한 후 0초에서 60초까지 일정 간격의 시간대별로 대상체의 뇌에서 획득한 것인, 13C-자기공명분광영상을 이용한 조기 치매의 진단에 대한 정보를 제공하는 방법.
The method according to claim 1,
13C-Magnetic resonance spectroscopy images were obtained from 13C-MR spectroscopy images obtained from the brain of subjects at intervals of 0 to 60 seconds after administration of 13C-pyruvate to the subject. How to provide information about.
삭제delete
KR1020160066266A 2016-05-30 2016-05-30 Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging KR101789425B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160066266A KR101789425B1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160066266A KR101789425B1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101789425B1 true KR101789425B1 (en) 2017-10-25

Family

ID=60300114

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160066266A KR101789425B1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101789425B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200007244A (en) * 2018-07-12 2020-01-22 서울대학교병원 Method for constructing a composite texture index for early diagnosis of Alzheimer's disease
KR20210028321A (en) 2019-09-03 2021-03-12 고려대학교 산학협력단 Apparatus for cortical atrophy disease hierarchical diagnosis based on brain thickness information
KR20220163657A (en) 2021-06-03 2022-12-12 연세대학교 산학협력단 Methods for diagnosing fatty liver disease using 13C-hyperpolarized magnetic resonance imaging

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101465898B1 (en) * 2013-10-24 2014-11-26 성균관대학교산학협력단 MR image processing method for detecting amyloid plaques
KR101516634B1 (en) * 2014-07-09 2015-05-06 연세대학교 산학협력단 Method for predicting prognosis of cancer patient using 13C-magnetic resonance spectroscopy imaging

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101465898B1 (en) * 2013-10-24 2014-11-26 성균관대학교산학협력단 MR image processing method for detecting amyloid plaques
KR101516634B1 (en) * 2014-07-09 2015-05-06 연세대학교 산학협력단 Method for predicting prognosis of cancer patient using 13C-magnetic resonance spectroscopy imaging

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200007244A (en) * 2018-07-12 2020-01-22 서울대학교병원 Method for constructing a composite texture index for early diagnosis of Alzheimer's disease
KR102161305B1 (en) 2018-07-12 2020-09-29 서울대학교병원 Method for constructing a composite texture index for early diagnosis of Alzheimer's disease
KR20210028321A (en) 2019-09-03 2021-03-12 고려대학교 산학협력단 Apparatus for cortical atrophy disease hierarchical diagnosis based on brain thickness information
KR20220163657A (en) 2021-06-03 2022-12-12 연세대학교 산학협력단 Methods for diagnosing fatty liver disease using 13C-hyperpolarized magnetic resonance imaging

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ross et al. Clinical tools for the 90s: magnetic resonance spectroscopy and metabolite imaging
JP5659130B2 (en) System for evaluating tissue using global tissue characteristics of non-invasive imaging and determining global tissue characteristics of images
Bandula et al. Measurement of tissue interstitial volume in healthy patients and those with amyloidosis with equilibrium contrast-enhanced MR imaging
CA2845308C (en) Assessment of coronary heart disease with carbon dioxide
Wu et al. Evaluation of the distribution of adipose tissues in fish using magnetic resonance imaging (MRI)
Schraml et al. Non-invasive pulmonary perfusion assessment in young patients with cystic fibrosis using an arterial spin labeling MR technique at 1.5 T
KR101789425B1 (en) Methods for diagnosing early onset dementia by using 13C magnetic resonance imaging
Chen et al. Reduced cerebral glucose uptake in an Alzheimer’s rat model with glucose-weighted chemical exchange saturation transfer imaging
Delattre et al. Hippocampal deformations and entorhinal cortex atrophy as an anatomical signature of long-term cognitive impairment: from the MCAO rat model to the stroke patient
Laustsen et al. Acute porcine renal metabolic effect of endogastric soft drink administration assessed with hyperpolarized [1‐13c] pyruvate
Qi et al. Effects of anesthesia on renal function and metabolism in rats assessed by hyperpolarized MRI
Lundström et al. Brown adipose tissue estimated with the magnetic resonance imaging fat fraction is associated with glucose metabolism in adolescents
Joo et al. Early alterations in brain glucose metabolism and vascular function in a transgenic rat model of Alzheimer’s disease
Greer et al. Non-contrast quantitative pulmonary perfusion using flow alternating inversion recovery at 3 T: A preliminary study
KR101666239B1 (en) Use of a magnetic resonance imaging medium comprising hyperpolarized 13c pyruvate for the detection of inflammation or infection
Gomez-Smith et al. Reduced cerebrovascular reactivity and increased resting cerebral perfusion in rats exposed to a cafeteria diet
Marco‐Rius et al. Diffusion‐weighted imaging of hyperpolarized [13C] urea in mouse liver
US11484258B2 (en) Free radical consumption speed information acquisition method and NASH determination method
Yang et al. In vivo detection of metabolic changes in the striatum of proteasomal inhibition-induced Parkinson’s disease in rats using proton MR spectroscopy at 9.4 T
Lee et al. Changes to gamma-aminobutyric acid levels during short-term epileptiform activity in a kainic acid-induced rat model of status epilepticus: A chemical exchange saturation transfer imaging study
Autry et al. Multi-parametric hyperpolarized 13C/1H imaging reveals Warburg-related metabolic dysfunction and associated regional heterogeneity in high-grade human gliomas
US11389106B2 (en) Non-invasive diagnostic biomarker for pancreatic islet populations
KR20200002466A (en) Methods for efficiency evaluation of anti-obesity drugs using brown adipose tissue-quantification by positron emission tomography
Ohene Development of non-invasive MRI to measure water permeability across the blood-brain interface
Blizard A Multiparametric MRI Protocol for ADC, T 1 and T 2: Applications in the NAFLD and NASH Disease Spectrum Evaluated Using Multiple Mouse Models

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant