In this study, we have investigated the effects of cannabidiol (CBD) on myocardial dysfunction, inflammation, oxidative/nitrative stress, cell death, and interrelated signaling pathways, using a mouse model of type I diabetic cardiomyopathy and primary human cardiomyocytes exposed to high glucose. Cannabidiol, the most abundant nonpsychoactive constituent of Cannabis sativa (marijuana) plant, exerts anti-inflammatory effects in various disease models and alleviates pain and spasticity associated with multiple sclerosis in humans. Left ventricular function was measured by the pressure-volume system. Oxidative stress, cell death, and fibrosis markers were evaluated by molecular biology/biochemical techniques, electron spin resonance spectroscopy, and flow cytometry. Diabetic cardiomyopathy was characterized by declined diastolic and systolic myocardial performance associated with increased oxidative-nitrative stress, nuclear factor-κB and mitogen-activated protein kinase (c-Jun N-terminal kinase, p-38, p38α) activation, enhanced expression of adhesion molecules (intercellular adhesion molecule-1, vascular cell adhesion molecule-1), tumor necrosis factor-α, markers of fibrosis (transforming growth factor-β, connective tissue growth factor, fibronectin, collagen-1, matrix metalloproteinase-2 and -9), enhanced cell death (caspase 3/7 and poly[adenosine diphosphate-ribose] polymerase activity, chromatin fragmentation, and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling), and diminished Akt phosphorylation. Remarkably, CBD attenuated myocardial dysfunction, cardiac fibrosis, oxidative/nitrative stress, inflammation, cell death, and interrelated signaling pathways. Furthermore, CBD also attenuated the high glucose-induced increased reactive oxygen species generation, nuclear factor-κB activation, and cell death in primary human cardiomyocytes. Collectively, these results coupled with the excellent safety and tolerability profile of CBD in humans, strongly suggest that it may have great therapeutic potential in the treatment of diabetic complications, and perhaps other cardiovascular disorders, by attenuating oxidative/nitrative stress, inflammation, cell death and fibrosis.

In vivo deuterated water (2H2O) labeling leads to deuterium (2H) incorporation into biomolecules of proliferating cells and provides the basis for its use in cell kinetics research. We hypothesized that rapidly proliferating cancer cells would become preferentially labeled with 2H and, therefore, could be visualized by deuterium magnetic resonance imaging (dMRI) following a short in vivo 2H2O labeling period. We initiated systemic 2H2O labeling in an HT-29 xenograft model and performed dMRI following 7 and 14 days of in vivo tumor growth and labeling. We show that small tumors, not otherwise distinct from normal tissue by anatomical MRI, were readily apparent on dMRI following 7 days of labeling. This novel labeling-imaging approach allows safe and nonradioactive, in vivo detection of cancer. Our method could be well suited for clinical settings that require serial imaging where repeated exposure to radiotracers should be avoided.

Metabolic differences between patients and within the tumor itself can be an important determinant in cancer treatment outcome. However, methods for determining these differences non-invasively in vivo have been lacking. Using pancreatic ductal adenocarcinoma as a model, we demonstrate that tumor xenografts with a similar genetic background can be distinguished by their differing rates of metabolism, as imaged by uniformly 13C labeled glucose [U-13C glucose] imaging using a newly developed technique for noise suppression to bring the signal to a detectable level for imaging without hyperpolarization of the tracer. Using this method, cancer subtypes that appeared to exhibit similar metabolic profiles by other techniques that measured steady state metabolism can be distinguished.

Tizoxanide (TZX) is an active metabolite of nitazoxanide (NTZ) originally developed as an antiparasitic agent, and is predominantly metabolized into TZX glucuronide. In the present study, TZX glucuronidation by the liver and intestinal microsomes of humans, monkeys, dogs, rats, and mice, and recombinant human UDP-glucuronosyltransferase (UGT) were examined. The kinetics of TZX glucuronidation by the liver and intestinal microsomes followed the Michaelis-Menten or biphasic model, with species-specific variations in the intrinsic clearance (CL

Graft-versus-host disease (GvHD) is a prominent barrier to allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT). Definitive diagnosis of GvHD is invasive and biopsies of involved tissues pose a high risk of bleeding and infection. Our previous studies in a chronic GvHD mouse model demonstrated that alloreactive CD4+ T cells are distributed to target organs ahead of overt symptoms, meanwhile CD4+ T cell activation is tied to increased glycolysis. Thus, we hypothesized that metabolic imaging of glycolysis would allow non-invasive detection of insipient GvHD in target organs infiltrated by glycolytic effector memory CD4+ T cells. We metabolically characterized CD4+ T cell subsets on day 14 post-transplant before the onset of chronic GvHD in a pre-clinical mouse model and performed 13C hyperpolarized magnetic resonance imaging (MRI) to quantify glycolytic activity in the liver of mice over the course of the disease. Intracellular metabolic screening and ex vivo metabolic profiling of CD4+ T cell subsets at day 14 confirmed that activated CD4+ T cells were highly glycolytic. Concurrently, hyperpolarized 13C-pyruvate MRI of the liver showed high conversion of pyruvate to lactate, indicative of increased glycolytic activity, that distinguished allogeneic from syngeneic HSCT recipients prior to the development of overt chronic GvHD. Furthermore, single cell sequencing of T cells in patients undergoing allogeneic HSCT indicated that similar metabolic changes may play a role in acute GvHD, providing a rationale for testing this imaging approach in the clinical post-HSCT setting. Our imaging approach is amenable to clinical translation and may allow early, non-invasive diagnosis of GvHD.

Motivation: Dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) is a biologically important peptidase known as a biomarker and therapeutic target for type 2 diabetes and cancers. Therefore, detection of DPP-4 activity can be a useful method for early diagnosis and treatment efficacy assessment. Goal(s): Development of a DNP-MRI molecular probe for detecting DPP-4 activity in vivo Approach: We performed molecular designs of DNP-MRI molecular probes for meeting physicochemical properties. For evaluation of enzymatic reactivity of the probes, enzymatic reaction parameters (Km, kcat) were measured. The optimized probe was applied for DNP-MRI experiments using mice. Results: We developed a DNP-MRI molecular probe to detect DPP-4 activity in vivo. Impact: With design strategy based on recognition mechanism, we have developed a DNP-MRI molecular probe against DPP-4, which has been difficult to develop so far. New probe enables detection of DPP-4 activity in vivo and will be useful for medical applications.

Metabolic reprogramming is one of the defining features of cancer and abnormal metabolism is associated with many other pathologies. Molecular imaging techniques capable of detecting such changes have become essential for cancer diagnosis, treatment planning, and surveillance. In particular, 18F-FDG (fluorodeoxyglucose) PET has emerged as an essential imaging modality for cancer because of its unique ability to detect a disturbed molecular pathway through measurements of glucose uptake. However, FDG-PET has limitations that restrict its usefulness in certain situations and the information gained is limited to glucose uptake only. 13C magnetic resonance spectroscopy theoretically has certain advantages over FDG-PET, but its inherent low sensitivity has restricted its use mostly to single voxel measurements. We show here a new method of imaging glucose metabolism in vivo that relies on a simple, but robust and efficient, post-processing procedure by the higher dimensional analog of singular value decomposition, tensor decomposition. Using this procedure, we achieve an order of magnitude increase in signal to noise in both dDNP and non-hyperpolarized non-localized experiments without sacrificing accuracy. In CSI experiments an approximately 30-fold increase was observed, enough that the glucose to lactate conversion indicative of the Warburg effect can be imaged without hyper-polarization with a time resolution of 12 s and an overall spatial resolution that compares favorably to 18F-FDG PET.

Motivation: Detection of aminopeptidase (AP) activities related to renin-angiotensin system (RAS) can lead to diagnosis of various diseases. Magnetic resonance imaging utilizing suitable hyperpolarized molecular probes can non-invasively detect in vivo AP activities. However, there have been no hyperpolarized molecular probes for APA, APB, and leucine AP. Goal(s): We aimed to design and develop new hyperpolarized molecular probes for the detection and imaging of RAS related AP activities in vivo. Approach: Based on the previously reported APN probe scaffold, three new hyperpolarized probes were designed. Results: Using the developed probes, target AP activities were successfully detected and visualized in vivo. Impact: This study exhibits a framework that artificially designed hyperpolarized molecular probes can detect in vivo aminopeptidase activities, which is assumed impossible with isotope labeled natural substrates and broadens the possibility of hyperpolarized MR diagnosis based on AP activities.