[发明专利]超极化微核磁共振系统和方法

说明书

本文描述了微线圈超极化NMR系统和用于测量活体和非活体样本中的代谢通量的方法。这样的系统可以执行代谢通量的高通量测量(利用多个线圈)而不破坏材料，使得其可用于分析肿瘤活组织检查，癌症干细胞等。在某些实施方案中，本文所述的超极化微磁共振光谱仪(HMRS)用于实现活体细胞或非活体样本的实时、显著更灵敏(例如，10³倍更灵敏)的代谢分析。在该平台中，将与超极化代谢物混合的悬浮液加载到小型化的检测线圈(例如，约2μL)中，其中通量分析可在一分钟内完成而对样本存活性没有显著变化。所提供系统的灵敏和快速分析能力使得能够快速评估给定药物造成的代谢变化，这可以指导患者的治疗选择。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年3月10日提交的美国申请序列号62/306,538的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于分析生物和非生物样本的系统和方法。在某些实施方案中，本发明涉及通过微线圈超极化核磁共振(NMR)系统检测代谢数据。

政府资助

本发明是在国立卫生研究院授予的资助号EB014328和CA008748的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

代谢重编程被广泛认为是癌症的标志，了解代谢物转化率或“通量”所描述的代谢动力学可以阐明肿瘤发生的生物学过程和对治疗的反应。

为了对完整细胞或生物体中的代谢通量进行实时分析，已经开发了磁共振(MR)光谱和成像方法以及核自旋的超极化。这些方法能够非侵入性地监测肿瘤进展和治疗功效，并且正在多个临床试验中进行测试。然而，由于它们的灵敏度有限，这些方法需要大量细胞，大约10⁷个，这在涉及很少靶细胞或质量受限样本的临床情况下可能是不切实际的。

癌症的新陈代谢在20世纪20年代首次被发现为线粒体缺陷，现在被认为是癌症的标志之一。癌细胞可以重新编程其代谢，促进细胞生长和增殖，适应营养或氧气耗尽的环境，并逃避免疫监视。常见的表型是葡萄糖摄取增加，无论氧气可用性如何，都可通过糖酵解代谢。被称为有氧糖酵解或'Warburg效应'，该途径提供对许多生物合成过程至关重要的代谢中间体，赋予增殖优势，并酸化肿瘤微环境，促进转移至其他器官。因此，有氧糖酵解与预后不良密切相关。考虑到糖酵解速率或“通量”代表在葡萄糖衍生的任何给定时刻的能量反应的代谢活动。其分析可以描述癌细胞如何实时响应环境变化，如营养可用性或药物治疗。

核磁共振(NMR)光谱和成像技术已经与核自旋的超极化一起开发，用于完整细胞或器官中的代谢的实时分析。尤其是动态核极化(DNP),这是一种新兴技术，它通过将极化从稳定的有机自由基中的未配对电子转移到相邻的核来实现超极化，展示了NMR灵敏度提高10,000倍以上。使用富含¹³C的代谢物(例如[1-¹³C]丙酮酸或[U-¹³C]葡萄糖，它们是核磁共振活性核)作为超极化分子，DNP-NMR技术可以测量多种代谢途径，毒性最小，并且其应用于癌症诊断正在进行多项临床试验。然而，由于其有限的灵敏度，该方法需要许多目的细胞(10⁷个数量级)，并且DNP-NMR的分析应用对于数量有限的样本(包括原发性癌细胞，干细胞或类器官)具有挑战性。

因此，仍然需要能够快速且准确地分析少量细胞同时保持细胞存活性的系统和方法。

发明内容

本文描述了微线圈超极化NMR系统和用于测量癌细胞中例如从丙酮酸到乳酸的代谢通量的方法。这样的系统可以执行代谢通量的高通量测量(具有多个线圈)而不破坏材料，使得其可用于分析肿瘤活组织检查，癌症干细胞等。