超偏極C-MRIを用いた生体内活性酸素検出を目的としたC標識5-5-ジメチル-1-ピロリン-N-オキシドの合成と評価

Synthesis and evaluation of C-labeled 5-5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide aimed at in vivo detection of reactive oxygen species using hyperpolarized C-MRI.

• Keita Saito
• Deepak Sail
• Kazutoshi Yamamoto
• Shingo Matsumoto
• Burchelle Blackman
• Shun Kishimoto
• Jeffrey R Brender
• Rolf E Swenson
• James B Mitchell
• Murali C Krishna

抄録

癌、虚血性心疾患、脳卒中、アルツハイマー病、および他の炎症性疾患を含むいくつかの疾患を媒介する活性酸素種（ROS）の役割をin vivoモデルで同定するための効果的な手段が有用であろう。環状ニトロン5,5-ジメチル-1-ピロリン-N-オキシド(DMPO)は、電子常磁性共鳴(EPR)分光法を用いたin vitroでのフリーラジカルの検出によく用いられるスピントラップである。本研究では、C NMR信号が10,000倍以上に増加する動的核分極による過分極のために、C標識DMPOを合成しました。これにより、in vivoのC-MRIによる活性酸素検出の実現可能性を検討することが可能となった。DMPOをC5位でC標識し、T緩和時間を延長するために重水素化した。5-C-DMPO-dの収率は15%であった。超偏極した5-C-DMPO-dは、Cスペクトルで76ppmに単一のピークを持ち、リン酸緩衝液中でのTは60sであったため、in vivo C MRIに最適であった。超偏極した5-C-DMPO-dの緩衝液を3Tスキャナーに入れたマウスに注入し、1秒ごとにCスペクトルを取得した。その結果、5-C-DMPO-dのシグナルはマウスで検出され、超分極した5-C-DMPO-dのCシグナルのT減衰は29秒であった。C-化学シフトイメージングにより、5-C-DMPO-dは静脈注射後1分で全身に分布していることが明らかになった。5-C-DMPO-dの強いシグナルは心臓/肺と腎臓で検出されたが、肝臓でのシグナルは他の臓器に比べて小さかった。この結果から、高分極化した5-C-DMPO-dは、マウスでは複数の臓器で十分なCシグナルが検出され、生体内の活性酸素の検出に利用できることが示唆された。

Effective means to identify the role of reactive oxygen species (ROS) mediating several diseases including cancer, ischemic heart disease, stroke, Alzheimer's and other inflammatory conditions in in vivo models would be useful. The cyclic nitrone 5,5-Dimethyl-1-pyrroline-N-oxide (DMPO) is a spin trap frequently used to detect free radicals in vitro using Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy. In this study, we synthesized C-labeled DMPO for hyperpolarization by dynamic nuclear polarization, in which C NMR signal increases more than 10,000-fold. This allows in vivo C MRI to investigate the feasibility of in vivo ROS detection by the C-MRI. DMPO was C-labeled at C5 position, and deuterated to prolong the T relaxation time. The overall yield achieved for 5-C-DMPO-d was 15%. Hyperpolarized 5-C-DMPO-d provided a single peak at 76 ppm in the C-spectrum, and the T was 60 s in phosphate buffer making it optimal for in vivo C MRI. The buffered solution of hyperpolarized 5-C-DMPO-d was injected into a mouse placed in a 3 T scanner, and C-spectra were acquired every 1 s. In vivo studies showed the signal of 5-C-DMPO-d was detected in the mouse, and the T decay of C signal of hyperpolarized 5-C-DMPO-d was 29 s. C-chemical shift imaging revealed that 5-C-DMPO-d was distributed throughout the body in a minute after the intravenous injection. A strong signal of 5-C-DMPO-d was detected in heart/lung and kidney, whereas the signal in liver was small compared to other organs. The results indicate hyperpolarized 5-C-DMPO-d provided sufficient C signal to be detected in the mouse in several organs, and can be used to detect ROS in vivo.

Published by Elsevier Inc.