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1H-NMR-Bildgebung von Kreatin in vivo mit Chemical Exchange Saturation Transfer

Rerich, Eugenia

English Title: 1H-NMR-Imaging of creatine in vivo by using Chemical Exchange Saturation Transfer

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Abstract

Kreatin spielt eine wichtige Rolle im Energiemetabolismus der Zellen. Die nichtinvasive Detektion von Kreatin im lebenden Gewebe kann mit Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST)-Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) realisiert werden. Bei CEST wird die Magnetisierung austauschender Protonen in Metaboliten selektiv gesättigt, durch anschließenden chemischen Austausch mit Wasserprotonen wird Sättigung im Pool der freien Wassermoleküle akkumuliert. Daraus resultiert eine messbare Verminderung des Wassersignals. Im Gewebe existieren diverse Metaboliten mit austauschenden Protonen – eines davon ist das Guanidinderivat Kreatin mit vier austauschenden Protonen, deren Austauschrate im intermediate exchange regime liegt. Um deren Austauschprozesse mit CEST zu detektieren, werden hohe Sättigungsamplituden B1 benötigt. Dabei werden jedoch gleichzeitig auch Protonen des freien Wassers und Protonen in Makromolekülen gesättigt, welche den CEST-Effekt überlagern und sogar verfälschen. Ziel dieser Arbeit war die Korrektur solcher Einflüsse, um eine quantitative Kreatin-Bildgebung im Muskel zu realisieren. Unter Nutzung der höheren Selektivität (chemische Verschiebung) bei B0=7T konnte eine korrigierte Intermediate-exchange-CEST-Methode entwickelt und anhand von Kreatinmodelllösungen verifiziert werden. Es zeigte sich, dass der korrigierte CEST-Effekt nicht nur unabhängig von der Wasserrelaxation ist, sondern zudem Linearitätseigenschaften besitzt, die es ermöglichen, simultan Kreatin-Konzentrations- und pH-gewichtete-Bilder zu erzeugen. Angewendet an der Wadenmuskulatur vor und während Muskelkontraktion zeigten die Methoden einen Anstieg der Kreatinkonzentration und einen leichten pH-Abfall bei Muskelarbeit. Diese Techniken ermöglichen nun ortsaufgelöste, quantitative Untersuchungen des Energiemetabolismus im lebenden Gewebe.

Translation of abstract (English)

Creatine is an important compound in the energy metabolism of cells. Non-invasive detection of creatine in living tissue can be realized by Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) Magnetic Resonance Imaging (MRI). CEST is based on selective saturation of exchanging protons of solute molecules followed by accumulation of saturation in the pool of free water molecules via chemical exchange, which manifests in a decreased water signal. In tissue several selective CEST effects occur which originate from exchanging protons resonating a few ppm away from water peak, e.g. the derivative of the guanidinium – creatine – with its four guanidinium protons. The detection with CEST of those exchangeable protons, with exchange rates in the intermediate exchange regime, requires high saturation amplitudes B1. However, these irradiation powers also label protons of free water molecules as well as immobile protons of macromolecules, which interfere and dilute the CEST effect. The purpose of this thesis was the correction of these interfering effects in order to realize quantitative imaging of creatine in tissue. By utilizing the high selectivity (chemical shift) at B0=7T it was possible to establish a corrected intermediate exchange CEST method which was verified in creatine model solutions. It turned out that the corrected CEST effect is not only independent of the water relaxation, but additionally shows useful linearity features which enable to obtain creatine concentration images and pH-weighted images simultaneously. Applied to in vivo imaging of human calf muscle before and after exercise the methods reveal an increase of creatine levels and a small decrease of pH upon muscle contraction. These techniques will make quantitative imaging studies of the energy metabolism possible.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 5 February 2015
Date Deposited: 19 Feb 2015 08:52
Date: 2015
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Magnetresonanztomographie, Chemical Exchange Saturation Transfer, Creatine / Kreatin, Muscle / Muskel, pH, Imaging / Bildgebung
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