Measurement and Assessment of Absolute Quantification from in Vitro Canine Brain Metabolites Using 500 MHz Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: Preliminary Results

개의 뇌 조직로부터 추출한 대사물질의 절대농도 측정 및 평가: 500 MHz 고자장 핵자기공명분광법을 이용한 예비연구결과

The purpose of this study was to confirm the exactitude of in vitro nuclear magnetic resonance spectroscopy(NMRS) and to complement the defect of in vivo NMRS. It has been difficult to understand the metabolism of a cerebellum using in vivo NMRS owing to the generated inhomogeneity of magnetic fields (B0 and B1 field) by the complexity of the cerebellum structure. Thus, this study tried to more exactly analyze the metabolism of a canine cerebellum using the cell extraction and high resolution NMRS. In order to conduct the absolute metabolic quantification in a canine cerebellum, the spectrum of our phantom included in various brain metabolites (i.e., NAA, Cr, Cho, Ins, Lac, GABA, Glu, Gln, Tau and Ala) was obtained. The canine cerebellum tissue was extracted using the methanol-chloroform water extraction (M/C extraction) and one group was filtered and the other group was not under extract processing. Finally, NMRS of a phantom solution and two extract solution (90% D2O) was progressed using a 500MHz (11.4 T) NMR machine. Filtering a solution of the tissue extract increased the signal to noise ratio (SNR). The metabolic concentrations of a canine cerebellum were more close to rat’s metabolic concentration than human’s metabolic concentration. The present study demonstrates the absolute quantification technique in vitro high resolution NMRS with tissue extraction as the method to accurately measure metabolite concentration.

본 연구는 in vivo 보다 더욱 정확하게 뇌 대사물질을 정량 분석하고자 고자장 NMR 장비 (500MHz; 11.74T)를 이용하여 동물의 뇌를 in vitro 환경에서 조사 및 분석하였다. 일반적으로 in vivo 실험은 생체 내부의 혈류나 조직의 비균질성으로 인한 자기공명분광법의 shimming에 악영향을 미치기 때문에 부정확한 결과를 산출할 수 있다. 그러나, in vitro 실험은 이에 비하여 균질한 샘플을 사용하고 보다 고자장에서 실험환경을 조성할 수 있기 때문에 더욱 정확한 대사물질의 정보를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 개 (canine)의 소뇌 (cerebellum)조직으로부터 대사물질을 추출하고 고자장 핵자기공명분광법으로 대사물질의 절대농도를 획득 하고자 하였다. 생체 대사물질의 절대농도를 획득하기 위하여 대표적인 대사물질(i.e., NAA, Cr, Cho, Ins, Lac, GABA, Glu, Gln, Tau Ala)의 팬톰을 제작하여 그 스펙트럼을 확보하였고, 개의 소뇌 부위를 적출하여 methanol-chloroform water extraction (M/C water extraction) 방법으로 대사물질만을 추출한 후 자기공명분광법을 수행하였다. 필터링 (filtering)의 효과를 평가하기 위하여 샘플 제작 시 추출물을 필터링한 그룹과 필터링하지 않은 그룹으로 분류하여 실험을 수행하였다. 팬텀 물질과 추출물은 90% D2O 수용액으로 만든 후 5mm NMR 튜브에 담아 실험하였다. 실험 결과 조직 추출물을 필터링하는 것이 신호대잡음비(signal to noise ratio: SNR, S/N)를 향상시키는 데 기여하는 것을 확인하였다. 또한 개의 소뇌 대사물질의 절대농도는 사람보다는 쥐 (rat)의 뇌 대사물질 절대농도와 더 비슷한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 토대로 고자장 핵자기공명분광법을 이용한 in vitro 실험은 뇌조직 내 대사물질의 절대농도를 측정하고 기본적인 지표를 확보하는데 매우 정확하고 정량적인 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.