medvisМедицинская визуализацияMedical Visualization1607-07632408-9516RDS-Media Ltd.10.24835/1607-0763-1249medvis-1249Research ArticleТЕХНОЛОГИИ ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКИRADIOLOGICAL TECHNOLOGIESДейтериевая магнитно-резонансная спектроскопия в изучении метаболизма глюкозы в головном мозге в норме и при нейроонкологии. Обзор литературыDeuterium magnetic resonance spectroscopy for assessing glucose metabolism in healthy and in neurooncology diseased brain. Reviewhttps://orcid.org/0000-0002-4480-0275ПронинИ. Н.ProninI. N.

Пронин Игорь Николаевич – академик РАН, доктор мед. наук, профессор, заведующий отделением рентгеновских и радиоизотопных методов диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Igor N. Pronin – Full Member of the Russian Academy of Sciences, Doct. of Sci. (Med.), Professor, Head of Neuroimaging department, Deputy Director,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

pronin@nsi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2333-7867ТюринаА. Н.TyurinaA. N.

Тюрина Анастасия Николаевна – канд. мед. наук, научный сотрудник отделения рентгеновских и радиоизотопных методов диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Anastasia N. Tyurina – Cand. of Sci. (Med.), researcher,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

aturina@nsi.ruЛесивА. В.LesivA. V.

Лесив Алексей Валерьевич – генеральный директор,

121205 Москва, территория инновационного центра “Сколково”, Большой б-р, д. 42, стр. 1, №1131/8

Alexey V. Lesiv – CEO,

1131/4, 42, Bolshoy blvd., Skolkovo Innovation Center, Moscow 121205

alexei.lesiv@gmail.comИвашкинП. Е.IvashkinP. E.

Ивашкин Павел Евгеньевич – сотрудник,

121205 Москва, территория инновационного центра “Сколково”, Большой б-р, д. 42, стр. 1, №1131/8

Pavel E. Ivashkin – researcher,

1131/4, 42, Bolshoy blvd., Skolkovo Innovation Center, Moscow 121205

pavelivashkin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8535-8535ТеряеваН. Б.TeryaevaN. B.

Теряева Надежда Борисовна – канд. мед. наук, врач клинической лабораторной диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Nadezhda B. Teryaeva – Cand. of Sci. (Med.), doctor in laboratory of clinical diagnostics,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

nteryaeva@nsi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4803-6948ПогосбекянЭ. Л.PogosbekyanE. L.

Погосбекян Эдуард Леонидович – медицинский физик отделения рентгеновских и радиоизотопных методов диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Eduard L. Pogosbekyan – medical physicist,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

epogosbekyan@nsi.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5820-5947СудариковаА. В.SudarikovaA. V.

Сударикова Анна Вячеславовна – аспирант,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Anna V. Sudarikova – postgraduate,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

ASudarikova@nsi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8924-7346БаталовА. И.BatalovA. I.

Баталов Артем Игоревич – канд. мед. наук, научный сотрудник отделения рентгеновских и радиоизотопных методов диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Artyom I. Batalov – Cand. of Sci. (Med.), researcher,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

abatalov@nsi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3240-5585ФадееваЛ. М.FadeevaL. M.

Фадеева Людмила Михайловна – ведущий инженер отделения рентгеновских и радиоизотопных методов диагностики,

125047 Москва, 4-я Тверская-Ямская улица, д. 16

Liudmila M. Fadeeva – senior engineer,

16, 4rd Tverskaya-Yamskaya str., Moscow 125047

lmf@nsi.ruФГАУ “НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко” Минздрава РоссииРоссияN.N. Burdenko National Medical Research Center of Neurosurgery of the Ministry of Healthcare of the Russian FederationRussian FederationООО “Сольвекс”РоссияSolvex Limited Liability CompanyRussian Federation202314062023273141151Copyright © Пронин И.Н., Тюрина А.Н., Лесив А.В., Ивашкин П.Е., Теряева Н.Б., Погосбекян Э.Л., Сударикова А.В., Баталов А.И., Фадеева Л.М., 20232023Пронин И.Н., Тюрина А.Н., Лесив А.В., Ивашкин П.Е., Теряева Н.Б., Погосбекян Э.Л., Сударикова А.В., Баталов А.И., Фадеева Л.М.Pronin I.N., Tyurina A.N., Lesiv A.V., Ivashkin P.E., Teryaeva N.B., Pogosbekyan E.L., Sudarikova A.V., Batalov A.I., Fadeeva L.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://medvis.rdsmedia.ru/jour/article/view/1249Цель исследования

Цель исследования: представить новый метод оценки катаболизма глюкозы в тканях мозга в норме и при нейроонкологии, основанный на MР-спектроскопии на частоте изотопа водорода дейтерия, получивший название дейтериевая метаболическая визуализация – DMI.

Материал и методы

Материал и методы. Проведен поиск научных публикаций в системах индексирования статей PubMed и Google Scholar за 2017–2022 гг. по ключевым словам: deuterium spectroscopy, DMI, DMV, PET, non-proton spectroscopy, brain tumour metabolism, Warburg effect in brain tumour, glucose/glucolytic flux/metabolism.

Результаты

Результаты. Проанализировано 474 статьи, 21 из которых использована в данном обзоре. В список литературы дополнительно включено 9 статей за 1924–2014 гг. Освещены история развития протонной и мультиядерной МР-спектроскопии (фосфорная, углеродная, дейтериевая) и ПЭТ-диагностики, а также вопросы визуальной и количественной оценки диагностических признаков нарушения тканевого метаболизма в опухолях головного мозга. Рассмотрены перспективы применения дейтериевой МР-спектроскопии в клинической практике.

Заключение

Заключение. Метод DMI дает дополнительную по сравнению с ПЭТ с фтордезоксиглюкозой информацию о метаболических изменениях при анаэробном гликолизе в опухоли и может быть реализован и выполнен на клинических МР-томографах.

Aim

Aim: to present a new method for assessing glucose catabolism in brain tissues of healthy volunteers and neurooncology patients. This method is MR spectroscopy with resonance frequency of deuterium (hydrogen isotope) called deuterium metabolic imaging - DMI.

Material and methods

Material and methods. We searched scientific papers in PubMed and Google Scholar indexing systems for 2017–2022 publicatioin years. Keywords used: deuterium spectroscopy, DMI, DMV, PET, non-proton spectroscopy, brain tumor metabolism, Warburg effect in brain tumor, glucose/glucolytic flux/metabolism.

Results

Results. 474 articles were analyzed, 21 of which were used for this review. The references list additionaly includes 9 articles for 1924–2014 pyublication years. The review covers the history of proton and multinuclear MR spectroscopy (phosphorus, carbon, deuterium) development of and PET diagnostics. We described DMI applicability in visual and quantitative assessment of tissue metabolism disorders in brain tumors and discussed its future use in clinical practice.

Conclusion

Conclusion. Compared to fluorodeoxyglucose (FDG) PET, the DMI method provides additional information on metabolic disorders during anaerobic glycolysis in a tumor. DMI can be implemented and performed on clinical MRI scanners.

МР-спектроскопиядейтериевая метаболическая визуализацияDMIцеребральный метаболизмопухоли мозгаэффект ВарбургаMR spectroscopydeuterium metabolic imagingDMI brain metabolismbrain tumorsWarburg effectReferencesКорниенко В.Н., Пронин И.Н. Диагностическая нейрорадиология. 2-е изд. в трех томах. М.: ИП “Т.М. Андреева”, 2008–2009.Kornienko V.N., Pronin I.N. Diagnostic Neuroradiology. In 3 vol. Moscow: IE “TM Andreeva”, 2008–2009. (In Russian)Магнитно-резонансная спектроскопия / Под. ред. Труфанова Г.Е., Тютина Л.А. СПб.: Изд-во “ЭЛБИ-СПб”, 2008. 239 с.Magnetic resonance spectroscopy / Eds Trufanov G.E., Tyutin L.A. SPb: “ELBI-SPb”, 2008. 239 p. (In Russian)Maudsley A.A., Andronesi O.C., Barker P.B. et al. Advanced magnetic resonance spectroscopic neuroimaging: Experts' consensus recommendations. NMR Biomed. 2021; 34 (5): e4309. https://doi.org/10.1002/nbm.4309Maudsley A.A., Andronesi O.C., Barker P.B. et al. Advanced magnetic resonance spectroscopic neuroimaging: Experts' consensus recommendations. NMR Biomed. 2021; 34 (5): e4309. https://doi.org/10.1002/nbm.4309Захарова Н.Е., Пронин И.Н., Баталов А.И., Шульц Е.И., Тюрина А.Н., Баев А.А., Фадеева Л.М. Современные стандарты МРТ диагностики опухолевых поражений головного мозга. Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бур денко. 2020; 84 (3): 102–112. https://doi.org/10.17116/neiro202084031102Zakharova N.E., Pronin I.N., Batalov A.I. Shul'ts E.I., Tyurina A.N., Baev A.A., Fadeeva L.M. Modern standards for magnetic resonance imaging of the brain tumors. Burdenko's Journal of Neurosurgery = Zhurnal “Voprosy neirokhirurgii” imeni N.N. Burdenko. 2020; 84 (3): 102–112. https://doi.org/10.17116/neiro202084031102 (In Russian)Stagg C., Rothman D. Magnetic Resonance Spectroscopy: Tools for Neuroscience Research and Emerging Clinical Applications. Elsevier, 2014. 398 p. Hardback ISBN: 9780124016880. eBook ISBN: 9780124016972Stagg C., Rothman D. Magnetic Resonance Spectroscopy: Tools for Neuroscience Research and Emerging Clinical Applications. Elsevier, 2014. 398 p. Hardback ISBN: 9780124016880. eBook ISBN: 9780124016972Тюрина А.Н., Пронин И.Н., Фадеева Л.М., Баталов А.И., Захарова Н.Е., Подопригора А.Е., Шульц Е.И., Корниенко В.Н. Протонная 3D-МР-спектроскопия в диагностике глиальных опухолей головного мозга. Медицинская визуализация. 2019; 23 (3): 8–18. https://doi.org/10.24835/1607-0763-2019-3-8-18Tyurina A.N., Pronin I.N., Fadeeva L.M., Batalov A.I., Zakharova N.E., Podoprigora A.E., Shults E.I., Kornienko V.N. Proton 3D MR spectroscopy in the diagnosis of glial brain tumors. Medical Visualization. 2019; 23 (3): 8–18. https://doi.org/10.24835/1607-0763-2019-3-8-18 (In Russian)Семенова Н.А., Манжурцев А.В., Меньшиков П.Е., Ублинский М.В., Ахадов Т.А. Магнитно-резонансная спектроскопия: неинвазивные исследования метаболизма мозга человека в норме и патологии. Успехи физиологических наук. 2019; 50 (1): 58–74. https://doi.org/10.1134/S0301179819010107Semenova N.A., Manzhurtsev A.V., Menshchikov P.E., Ublinskiy M.V., Akhadov T.A. Magnetic resonance spectroscopy: non-invasive studiesof human brain metabolism in normal and pathological conditions. Progress in Physiological Science. 2019; 50 (1): 58–74. https://doi.org/10.1134/S0301179819010107 (In Russian)Jones P.J., Leatherdale S.T. Stable isotopes in clinical research: safety reaffirmed. Clin. Sci. (Lond.). 1991; 80 (4): 277–280. https://doi.org/10.1042/cs0800277Jones P.J., Leatherdale S.T. Stable isotopes in clinical research: safety reaffirmed. Clin. Sci. (Lond.). 1991; 80 (4): 277–280. https://doi.org/10.1042/cs0800277Пронин И.Н., Захарова Н.Е., Подопригора А.Е., Баталов А.И., Тюрина А.Н., Мерцалова М.П., Фадеева Л.М., Голанов А.В., Постнов А.А., Родионов П.В., Потапов А.А. Фосфорная (Р) МР-спектроскопия в оценке энергетического метаболизма мозговой ткани и неинвазивном измерении pH. Исследование 23 добровольцев. Часть I. Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. 2019; 83 (2): 5–10. https://doi.org/10.17116/neiro2019830215Pronin I.N., Zakharova N.E., Podoprigora A.E., Batalov A.I., Tyurina A.N., Mertsalova M.P., Fadeeva L.M., Golanov A.V., Postnov A.A., Rodionov P.V., Potapov A.A. Phosphorus (P) magnetic resonance spectroscopy for evaluation of brain tissue metabolism and measuring non-invasive pH. A study involving 23 volunteers. Part I. Burdenko's Journal of Neurosurgery = Zhurnal “Voprosy neirokhirurgii” imeni N.N. Burdenko. 2019; 83 (2): 5–10. https://doi.org/10.17116/neiro2019830215 (In Russian)Wang Z.J., Ohliger M.A., Larson P.E.Z. et al. Hyperpolarized 13 C MRI: State of the Art and Future Directions. Radiology. 2019; 291 (2): 273–284. https://doi.org/10.1148/radiol.2019182391Wang Z.J., Ohliger M.A., Larson P.E.Z. et al. Hyper-polarized 13 C MRI: State of the Art and Future Directions. Radiology. 2019; 291 (2): 273–284. https://doi.org/10.1148/radiol.2019182391Lu M., Zhu X.H., Zhang Y. et al. Quantitative assessment of brain glucose metabolic rates using in vivo deuterium magnetic resonance spectroscopy. J. Cereb. Blood. Flow. Metab. 2017; 37 (11): 3518–3530. https://doi.org/10.1177/0271678X17706444Lu M., Zhu X.H., Zhang Y. et al. Quantitative assessment of brain glucose metabolic rates using in vivo deuterium magnetic resonance spectroscopy. J. Cereb. Blood. Flow. Metab. 2017; 37 (11): 3518–3530. https://doi.org/10.1177/0271678X17706444De Feyter H.M., Behar K.L. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314De Feyter H.M., Behar K.L. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314Kreis F., Wright A.J., Hesse F. et al. Measuring tumor glycolytic flux in vivo by using fast deuterium MRI. Radiology. 2020; 294: 289–296. https://doi.org/10.1148/radiol.2019191242Kreis F., Wright A.J., Hesse F. et al. Measuring tumor glycolytic flux in vivo by using fast deuterium MRI. Radiology. 2020; 294: 289–296. https://doi.org/10.1148/radiol.2019191242De Feyter H.M., de Graaf R.A. Deuterium metabolic imaging – Back to the future. J. Magn. Reson. 2021; 326: 106932. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2021.106932De Feyter H.M., de Graaf R.A. Deuterium metabolic imaging – Back to the future. J. Magn. Reson. 2021; 326: 106932. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2021.106932Hesse F., Somai V., Kreis F. et al. Monitoring tumor cell death in murine tumor models using deuterium magnetic resonance spectroscopy and spectroscopic imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021; 118 (12): e2014631118. https://doi.org/10.1073/pnas.2014631118Hesse F., Somai V., Kreis F. et al. Monitoring tumor cell death in murine tumor models using deuterium magnetic resonance spectroscopy and spectroscopic imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021; 118 (12): e2014631118. https://doi.org/10.1073/pnas.2014631118Ruhm L., Avdievich N., Ziegs T. et al. Deuterium metabolic imaging in the human brain at 9.4 Tesla with high spatial and temporal resolution. Neuroimage. 2021; 244: 118639. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118639Ruhm L., Avdievich N., Ziegs T. et al. Deuterium metabolic imaging in the human brain at 9.4 Tesla with high spatial and temporal resolution. Neuroimage. 2021; 244: 118639. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118639Straathof M., Meerwaldt A.E., De Feyter H.M. et al. Deuterium Metabolic Imaging of the Healthy and Diseased Brain. Neuroscience. 2021; 474: 94–99. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.01.023Straathof M., Meerwaldt A.E., De Feyter H.M. et al. Deuterium Metabolic Imaging of the Healthy and Diseased Brain. Neuroscience. 2021; 474: 94–99. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.01.023Ouwerkerk R. Deuterium MR spectroscopy: a new way to image glycolytic flux rates. Radiology. 2020; 294 (2): 297–298. https://doi.org/10.1148/radiol.2019192024Ouwerkerk R. Deuterium MR spectroscopy: a new way to image glycolytic flux rates. Radiology. 2020; 294 (2): 297–298. https://doi.org/10.1148/radiol.2019192024Simões R.V., Henriques R.N., Cardoso B.M. et al. Glucose fluxes in glycolytic and oxidative pathways detected in vivo by deuterium magnetic resonance spectroscopy reflect proliferation in mouse glioblastoma. Neuroimage Clin. 2022; 33: 102932. https://doi.org/10.1016/j.nicl.2021.102932Simões R.V., Henriques R.N., Cardoso B.M. et al. Glucose fluxes in glycolytic and oxidative pathways detected in vivo by deuterium magnetic resonance spectroscopy reflect proliferation in mouse glioblastoma. Neuroimage Clin. 2022; 33: 102932. https://doi.org/10.1016/j.nicl.2021.102932Urey H.C., Brickwedde F.G., Murphy G.M. A Hydrogen Isotope of Mass 2. Physical Review. 1932; 39 (1): 164–165. https://doi.org/10.1103/PhysRev.39.164Urey H.C., Brickwedde F.G., Murphy G.M. A Hydrogen Isotope of Mass 2. Physical Review. 1932; 39 (1): 164–165. https://doi.org/10.1103/PhysRev.39.164Schoenheimer R., Rittenberg D. Deuterium as an indicator in the study of intermediary metabolism. Science. 1935; 82 (2120): 156–157. https://doi.org/10.1126/science.82.2120.156Schoenheimer R., Rittenberg D. Deuterium as an indicator in the study of intermediary metabolism. Science. 1935; 82 (2120): 156–157. https://doi.org/10.1126/science.82.2120.156Ackerman J.J., Ewy C.S., Kim S.G., Shalwitz R.A. Deuterium magnetic resonance in vivo: the measurement of blood flow and tissue perfusion. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1987; 508: 89–98. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1987.tb32897.xAckerman J.J., Ewy C.S., Kim S.G., Shalwitz R.A. Deuterium magnetic resonance in vivo: the measurement of blood flow and tissue perfusion. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1987; 508: 89–98. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1987.tb32897.xDetre J.A., Subramanian V.H., Mitchell M.D. et al. Measurement of regional cerebral blood flow in cat brain using intracarotid 2H2O and 2H NMR imaging. Magn. Reson. Med. 1990; 14 (2): 389–395. https://doi.org/10.1002/mrm.1910140223Detre J.A., Subramanian V.H., Mitchell M.D. et al. Measurement of regional cerebral blood flow in cat brain using intracarotid 2H2O and 2H NMR imaging. Magn. Reson. Med. 1990; 14 (2): 389–395. https://doi.org/10.1002/mrm.1910140223Warburg O., Posener K., Negelein E. Über den stoffwechsel der carcinomzelle. Naturwissenschaften. 1924; 12 (50): 1131–1137. https://doi.org/10.1007/BF01504608Warburg O., Posener K., Negelein E. Über den stoffwechsel der carcinomzelle. Naturwissenschaften. 1924; 12 (50): 1131–1137. https://doi.org/10.1007/BF01504608de Graaf R.A., Hendriks A.D., Klomp D.W.J. et al. On the magnetic field dependence of deuterium metabolic imaging. NMR Biomed. 2020; 33 (3): e4235. https://doi.org/10.1002/nbm.4235de Graaf R.A., Hendriks A.D., Klomp D.W.J. et al. On the magnetic field dependence of deuterium metabolic imaging. NMR Biomed. 2020; 33 (3): e4235. https://doi.org/10.1002/nbm.4235De Feyter H.M., Behar K.L., Corbin Z.A. et al. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314De Feyter H.M., Behar K.L., Corbin Z.A. et al. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314Hartmann B., Müller M., Seyler L. et al. Feasibility of deuterium magnetic resonance spectroscopy of 3-O-Methylglucose at 7 Tesla. PLoS One. 2021; 16 (6): e0252935. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252935Hartmann B., Müller M., Seyler L. et al. Feasibility of deuterium magnetic resonance spectroscopy of 3-O-Methylglucose at 7 Tesla. PLoS One. 2021; 16 (6): e0252935. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252935Ananieva E.A., Wilkinson A.C. Branched-chain amino acid metabolism in cancer. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 2018; 21 (1): 64–70. https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000430Ananieva E.A., Wilkinson A.C. Branched-chain amino acid metabolism in cancer. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 2018; 21 (1): 64–70. https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000430Tsuji A.B., Sugyo A., Sudo H. et al. Preclinical assessment of early tumor response after irradiation by positron emission tomography with 2-amino-[3-11C]isobutyric acid. Oncol. Rep. 2015; 33 (5): 2361–2367. https://doi.org/10.3892/or.2015.3868Tsuji A.B., Sugyo A., Sudo H. et al. Preclinical assessment of early tumor response after irradiation by positron emission tomography with 2-amino-[3-11C]isobutyric acid. Oncol. Rep. 2015; 33 (5): 2361–2367. https://doi.org/10.3892/or.2015.3868Tönjes M., Barbus S., Park Y.J. et al. BCAT1 promotes cell proliferation through amino acid catabolism in gliomas carrying wild-type IDH1. Nat. Med. 2013; 19 (7): 901–908. https://doi.org/10.1038/nm.3217Tönjes M., Barbus S., Park Y.J. et al. BCAT1 promotes cell proliferation through amino acid catabolism in gliomas carrying wild-type IDH1. Nat. Med. 2013; 19 (7): 901–908. https://doi.org/10.1038/nm.3217

The authors declare that there are no conflicts of interest present.