Radiofrequency induced heating for controlled release of a load from thermoresponsive carriers: a 7.0 Tesla Thermal Magnetic Resonance Study

Abstract

Introduction: Temperature is an important attribute of life. Radiofrequency (RF) pulses used for magnetic resonance (MR) spin excitation can be deliberately used to apply a thermal stimulus. Thermal MR integrates this thermal modulation with the imaging capabilities of a MR device providing a tool to study the role of temperature in biological systems, diagnostic contrasts and thermal therapies (e.g. temperature controlled release of a load from thermoresponsive carriers). Thermal MR requires an RF chain that includes dedicated transmit/receive (Tx/Rx) switches that support high peak powers for MR imaging and high average powers for RF heating. Conventional Tx/Rx switches have electronic components in the transmission path limiting the average power handling. In this work, a high power handling Tx/Rx switch design is developed, implemented, and evaluated. This technology was applied in a pilot study in humans and in a feasibility study demonstrating the proof-of-principle of Thermal MR for temperature controlled release of a protein from thermoresponsive nanogels.

Methods: In the Tx/Rx switch design, λ/4 stubs were used to route the transmitted RF signal directly to the RF coil/antenna without passing through any electronic components (e.g. PIN diodes). Bench measurements, MR imaging, MR thermometry, and RF heating experiments were performed at f=297MHz (B0=7T) to examine the characteristics and applicability of the switch. Bovine serum albumin (BSA) was loaded to thermoresponsive nanogels (transition temperature = 38°C). As a reference, the release rate was firstly accessed using water bath heating at temperatures: 20°C, 37°C and 43°C. BSA release from the nanogel was subsequently studied using RF heating of Thermal MR at the same temperatures. In this Thermal MR setup one bow tie dipole antenna and a dedicated phantom were used.

Results: The proposed design for the Tx/Rx switch provided 35.7dB/41.5dB (Tx/Rx) of isolation and 0.41dB/0.27dB (Tx/Rx) of insertion loss. The switch supported high peak (3.9kW) and high average (120W) RF powers for MRI and RF heating. High-resolution MRI of the wrist yielded image quality competitive with that obtained with a conventional Tx/Rx switch. RF heating in phantom monitored by MR thermometry demonstrated the switch applicability for thermal modulation. The release of BSA from the thermoresponsive nanogels after 6 hours was 12.5% (20°C), 19.5% (37°C) and 32.8% (43°C) in water bath and 12.9% (20°C), 19.6 (37°C) and 29.3% (43°C) with Thermal MR.

Conclusion: The high-power Tx/Rx switch enables thermal MR applications at 7.0 Tesla. The reference release profile of the therapeutic load model from the nanocarrier obtained with a water bath setup used for temperature intervention is in accordance with the release kinetics deduced from the thermal MR setup. This finding supports the feasibility of thermal MR for temperature controlled release of a load from thermoresponsive nanocarriers.

Einleitung: Temperatur ist eine physikalische Größe und wichtige Eigenschaft biologischer Systeme. Hochfrequenzimpulse zur Spinanregung in der Magnetresonanztomographie (MRT) können gezielt zur Erzeugung eines thermischen Stimulus eingesetzt werden (Thermale MR, tMR). Die tMR verbindet eine solche thermische Modulation mit der MRT und stellt somit ein Werkzeug zur Untersuchung der Rolle von Temperatur in biologischen Systemen, zur Darstellung diagnostischer Kontraste, sowie zur Therapie (z.B. durch kontrollierte Freisetzung einer Ladung von thermoreaktiven Trägern) dar. Allerdings benötigt die tMR eine HF-Kette mit speziellen Sende/Empfangsschaltern (Tx/Rx), welche sowohl hohe Spitzenleistungen für die MRT, als auch hohe Durschnittsleistungen für die thermische Stimulation zulassen. Letztere Anforderung wird durch konventionelle Tx/Rx Schalter nicht erfüllt. Zur Lösung wurde in dieser Arbeit ein neues Tx/Rx Schalterdesign entwickelt, implementiert und evaluiert. Die entwickelte HF-Technologie wurde in einer Human-Pilotstudie zur Anwendung geführt. Zusätzlich wurde sie in einer Machbarkeitsstudie an Messphantomen eingesetzt, um die kontrollierte Freisetzung eines Proteins aus einem thermoreaktiven Nanogel mittels tMR zu demonstrieren.

Methoden: Im entwickelten Tx/Rx Schalter wurden λ/4 Stichleitungen integriert, um das HF-Signal direkt zur HF-Antenne zu leiten, ohne durch elektronische Komponenten (z.B. PIN Dioden) zu gelangen. Alle Experimente (MRT, MR-Thermometrie und HF Erwärmung) wurden bei einer Frequenz von 297MHz (B0=7.0T) durchgeführt, um die Eigenschaften des Schalters zu untersuchen. Ein thermoreaktives Nanogel (Übergangstemperatur=38°C) wurde mit Rinderserumalbumin (BSA) beladen. Als Referenz diente die Freisetzungskinetik im Wasserbad bei Temperaturen von 20°C, 37°C und 43°C. Die BSA Freisetzung durch HF Erwärmung mit tMR wurde bei den selben Temperaturen gemessen. Hierfür wurden eine Dipol-HF-Antenne und ein entsprechendes Phantom verwendet.

Ergebnisse: Der entworfene Tx/Rx Schalter führte zu eine Isolierung von 35.7dB/41.5dB und einer Dämpfung von 0.41dB/0.27dB während des Sendens/Empfangens. Der Schalter ermöglichte hohe Spitzen- (3.9kW) und Durchschnittsleistungen (120W) für MRT und tMR. Hochaufgelöste MRT-Bilder des Handgelenks zeigten eine Bildqualität vergleichbar mit Aufnahmen eines konventionellen Tx/Rx Schalters. Die durch tMR induzierte Erwärmung des Phantoms demonstrierte die Eignung des Schalters für thermische Modulation. Die BSA-Freisetzung betrug nach 6 Stunden 12,5% (20°C), 19,5% (37°C) und 32,8% (43°C) im Wasserbad und 12,9% (20°C), 19,6% (37°C) und 29,3% (43°C) mit tMR.

Fazit: Der entwickelte Hochleistungs-Tx/Rx-Schalter ermöglicht tMR bei 7.0T. Das Freisetzungsprofil der im Wasserbad gemessen Referenzdaten stimmt mit der durch tMR erzeugten Freisetzungskinetik überein. Diese Ergebnisse demonstrieren die Realisierbarkeit einer kontrollierten Freisetzung der Ladung von thermoreaktiven Nanoträgern durch thermale MR.