English Title: Modeling and Validation of Ionic Regulatory Processes with X-Nuclei-MRI

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Abstract

Als X-Kerne werden in der Magnetresonanztomographie (MRT) alle Kerne (das Proton ausgenommen) zusammengefasst, welche einen Kernspin > 0 aufweisen und in biologischem Gewebe vor- kommen. Gerade die Kerne 23Na, 35Cl und 39K besitzen einen Kernspin von 3/2 und sind durch ihren ständigen Austausch zwischen Intra- und Extrazellulärraum maßgeblich an physiologischen Prozessen beteiligt. Insbesondere die Untersuchung ihrer Interaktion mit Proteinen ist deshalb von großem Interesse. Die Herausforderungen, die an die X-Kern-MRT gestellt werden sind die Extraktion des relevanten Signals, welches durch die Interaktion von Ionen mit Proteinen zustande kommt, die geringe Signalausbeute und die schwere Kontrollierbarkeit biologischer Parameter. In der vorliegenden Arbeit wurde eine tripelquantengefilterte Sequenz mit zeitproportionalem Phaseninkrement (TQTPPI) sowie eine Spin-Echo- und eine Inversion-Recovery-Sequenz dazu verwendet die Anteile der Single- (SQ) und Tripelquantenresonanzen (TQ) von 23Na, 35Cl und 39K spektroskopisch zu trennen, die Relaxationsparameter, das Verhältnis TQ/SQ, die Korrelationszeit sowie die quadrupolare Kopplungskonstante Anhand von Relaxationsphantomen zu bestimmen. Es zeigte sich, dass mit 39K der höchste Wert für TQ/SQ von 1,19 erreicht werden kann. Für Korrelationszeiten von 23Na, 35Cl und 39K konnten Werte zwischen (1,14 ± 2,28) ns und (18,33 ± 2,32) ns ermittelt werden. Für die Kopplungskonstanten wurden für die drei Kerne Werte im Bereich von (1,27 ± 2,33) kHz bis (11,91 ± 5,25) kHz ermittelt. Darüber hinaus konnte die TQTPPI-Sequenz erfolgreich mit einem MRT-Kompatiblen Bioreaktor kombiniert werden. Dieser enthält eine dreidimensionale Zellkultur und ermöglicht es, Versuche mit biologischem Material unter sehr exakten Kontrollbedingungen durchzuführen. Die Na-/K-ATPase der Zellen wurde mittels 20 mM Ouabain blockiert, was zum Erscheinen einer TQ-Resonanz im TQTPPI-Spektrum führte, welche ohne Ouabain nicht zu beobachten war. Mit dieser Arbeit wird die X-Kern-MRT als ein hervorragendes Werkzeug zur Beobachtung zellulärer Vorgänge bewiesen.

Translation of abstract (English)

In Magnetic Resonance Imaging (MRI) all nuclei (except protons), which carry a nuclear spin > 0 and occur in biological tissue are called X-nuclei. Especially 23Na, 35Cl and 39 K are in the focus of research. These nuclei carry a nuclear spin in the magnitude of 3/2 and due to their ongoing exchange between the intra- and extracellular compartments they are heavily envolved in physiological processes. Therefore, the examination of their interaction with proteins is of huge interest. The challenges X-Nuclei-MRI has to face are the extraction of the relevant signal contribution, i.e. when the ions are interacting with proteins, the low signal to noise ratio and to have hardly control over biological systems. In this work a Triple Quantum Filtered sequence with Time Proportional Phase Increment (TQTPPI), as well as a Spin-Echo- and an Inversion-Recover-sequence were used to separate the single- (SQ) and triplequantum (TQ) resonances of 23Na, 35Cl and 39K in a spectroscopical way, in order to extract the relaxation parameters, determine the ratio TQ/SQ, the correlation time and the quadrupolar interaction constant by using relaxation phantoms. It turned out that 39K obtains the highest value for TQ/SQ of 1.19. The correlation time for 23 Na, 35 Cl and 39 K was found in an range from (1,14±2,28) ns to (18,33±2,32) ns. The values obtained for the coupling constant were found in a range from (1,27 ± 2,33) kHz to (11,91 ± 5,25) kHz. Additionally the TQTPPI sequence could be successfully combined with a MRI compatible bioreactor setup, containing a three dimensional cell culture. This setup provides the ability of running experiments with biological material while keeping full control over the system. The Na-/K-pump was blocked in the cell culture with 20 mM Ouabain leading to an appearance of a TQ-Resonance. This resonance did not appear without Ouabain. This proofs X-Nuclei-MRI as a valuable tool for monitoring cellular processes.