Hyperpolarized 13C Metabolic MRI for Noninvasive Monitoring of Kidney Injury

超极化 13C 代谢 MRI 用于无创监测肾损伤

基本信息

项目摘要

The overarching goal of this project is to develop a kidney metabolic imaging tool based on hyperpolarized (HP) 13C pyruvate MRI to investigate kidney energy metabolism for noninvasive monitoring of human kidney injury. This is in response to PAR-20-140: Catalytic Tool and Technology Development in Kidney, Urologic, and Hematologic Diseases encouraging “innovative radiological or intravital imaging methods, or novel imaging probes for study of the kidney”. The kidney is a highly energy-dependent organ requiring mitochondrial oxidative metabolism for key renal functions. Increasing evidence indicates that a shift from pyruvate mitochondrial oxidative phosphorylation to glycolysis and lactate production plays a central role in many etiologies of kidney injury leading to chronic kidney disease, which represents a major public health problem in the United States. Notably, currently available clinical tests such as serum creatine are known to be insensitive for monitoring kidney injury, and better noninvasive tools are needed. HP 13C MRI is an innovative technology platform that provides unprecedented gains in sensitivity (>10,000-fold signal increase) for imaging 13C-labeled bio-molecules, thereby permitting rapid and noninvasive investigation of dynamic metabolic processes. We have shown in a murine model of kidney ischemia-reperfusion injury that HP 13C pyruvate MRI can monitor the impaired mitochondrial pyruvate dehydrogenase (PDH) activity and the shift from oxidative metabolism to glycolysis in injured kidneys. Importantly, HP 13C pyruvate as a contrast agent has already been shown to be safe in initial cancer patient studies. However, human kidney studies with this approach require kidney-specific technology development. We propose to develop imaging tools to enable increased sensitivity to multiple metabolic pathways including PDH-mediated conversion to bicarbonate that is limited in signal with current methods, to ensure reproducibility, and to address issues of high perfusion unique to the kidneys for metabolism quantification. For an initial demonstration study, we propose to image patients with kidney allograft in order to correlate HP 13C pyruvate MRI with histopathology from biopsies; this will enable understanding of the molecular underpinning of the imaging findings that will be important for developing future studies in various kidney diseases. This enabling technology has an outstanding potential to advance our understanding of energy metabolism in kidney disease, to improve its timely diagnosis and therapy monitoring for both clinical research and clinical care. The tools from this technology development project can be readily disseminated to other sites, allowing broader adoption of the technology for studying kidney disease.
该项目的总体目标是基于 超极化(HP)13C丙酮酸MRI,研究无创代谢的肾脏能量代谢 监测人类肾脏损伤。这是对Par-20-140:催化工具和技术的回应 肾脏,泌尿科和血液学疾病的发展,鼓励“创新放射学 或插入式成像方法,或用于肾脏研究的新型成像问题”。肾脏是高度的 能量依赖性器官需要关键肾功能的线粒体氧化物代谢。增加 证据表明,从丙酮酸线粒体氧化磷酸化转变为糖酵解和 乳酸生产在许多肾损伤病因中起着核心作用,导致慢性肾脏 疾病,代表了美国的一个主要公共卫生问题。值得注意的是,目前可用 已知临床测试(例如血清创造)对监测肾脏损伤不敏感,并且更好 需要无创工具。 HP 13C MRI是一个创新的技术平台,可提供 成像13C标记的生物分子的灵敏度(> 10,000倍的信号增加)的前所未有的增益, 从而允许对动态代谢过程的快速和无创研究。我们已经显示了 在HP 13C丙酮酸MRI的肾脏缺血再灌注损伤的鼠模型中 线粒体丙酮酸脱氢酶(PDH)活性受损,并从氧化代谢转移 在受伤的孩子中糖酵解。重要的是,已经显示了HP 13C丙酮酸作为对比剂 在初始癌症患者研究中安全。但是,使用这种方法的人类肾脏研究需要 肾脏特异性技术开发。我们建议开发成像工具以增加 对多种代谢途径的敏感性,包括PDH介导的转化为碳酸氢盐 用当前方法限制信号,以确保可重复性并解决高灌注问题 用于代谢定量的儿童独有的。对于最初的示范研究,我们建议 图像患有肾脏同种异体移植的患者,以将HP 13C丙酮酸MRI与组织病理学相关 活检;这将使人们能够理解成像发现的分子基础 对于发展各种肾脏疾病的未来研究至关重要。这项促成技术具有 促进我们对肾脏疾病中能量代谢的理解的杰出潜力,以改善 临床研究和临床护理的及时诊断和治疗监测。此工具 技术开发项目可以很容易地传播到其他站点,从而更广泛地采用 研究肾脏疾病的技术。

项目成果

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