Mesurer la dépendance au champ magnétique de relaxation spin-lattice de l'hyperpolarisé [1-13C]pyruvate
Summary
Nous présentons un protocole pour mesurer la dépendance de champ magnétique du temps de relaxation spin-lattice de 13composés C-enrichis, hyperpolarisés au moyen de la polarisation nucléaire dynamique, utilisant la relaxométrie champ-cycle rapide. Plus précisément, nous l’avons démontré avec [1-13C]pyruvate, mais le protocole pourrait être étendu à d’autres substrats hyperpolarisés.
Abstract
La limite fondamentale aux applications d’imagerie in vivo des composés hyperpolarisés 13C-enrichis est leurs temps finis de relaxation spin-lattice. Divers facteurs influent sur les taux de relaxation, tels que la composition tampon, le pH de la solution, la température et le champ magnétique. À cet égard, le temps de relaxation spin-lattice peut être mesuré aux forces cliniques de champ, mais aux champs inférieurs, où ces composés sont distribués du polariseur et transportés à l’IRM, la relaxation est encore plus rapide et difficile à mesurer. Pour avoir une meilleure compréhension de la quantité de magnétisation perdue pendant le transport, nous avons utilisé la relaxométrie rapide de champ-cyclisme, avec la détection de résonance magnétique de 13noyaux de C à 0,75 T, pour mesurer la dispersion de résonance magnétique nucléaire de la temps de relaxation spin-lattice de hyperpolarisé [1-13C]pyruvate. La polarisation nucléaire dynamique de dissolution a été employée pour produire des échantillons hyperpolarisés de pyruvate à une concentration de 80 mmol/L et pH physiologique (7,8). Ces solutions ont été rapidement transférées à un relaxomètre rapide de vélo de champ de sorte que la relaxation de la magnétisation d’échantillon pourrait être mesurée en fonction du temps en utilisant un petit angle de flip calibré (3-5 ‘ . Pour cartographier la dispersion T1 du C-1 du pyruvate, nous avons enregistré des données pour différents champs de relaxation allant de 0,237 mT à 0,705 T. Avec cette information, nous avons déterminé une équation empirique pour estimer la relaxation spin-lattice du substrat hyperpolarisé dans la gamme mentionnée des champs magnétiques. Ces résultats peuvent être utilisés pour prédire la quantité de magnétisation perdue pendant le transport et pour améliorer les conceptions expérimentales pour minimiser la perte de signal.
Introduction
L’imagerie spectroscopique par résonance magnétique (IRM) peut produire des cartes spatiales de métabolites détectés par imagerie spectroscopique, mais son utilisation pratique est souvent limitée par sa sensibilité relativement faible. Cette faible sensibilité des méthodes d’imagerie par résonance magnétique in vivo et de spectroscopie provient du petit degré de magnétisation nucléaire réalisable à la température du corps et des forces raisonnables du champ magnétique. Cependant, cette limitation peut être surmontée par l’utilisation de la polarisation nucléaire dynamique (DNP) pour améliorer considérablement la magnétisation in vitro des substrats liquides, qui sont ensuite injectés pour sonder le métabolisme in vivo en utilisant MRSI1,2 , 3 (en) , 4. DNP est capable d’améliorer la magnétisation de la plupart des noyaux avec spin nucléaire non-zéro et a été utilisé pour augmenter in vivo la sensibilité MRSI de 13composés enrichis en C tels que pyruvate5,6, bicarbonate 7,8, fumarate9, lactate10, glutamine11, et d’autres par plus de quatre ordres de magnitude12. Ses applications incluent l’imagerie de la maladie vasculaire13,14,15, perfusion d’organes13,16,17,18, cancer détection1,19,20,21,22, tumeur staging23,24, et quantification de la réponse thérapeutique2 , 6 Annonces , 23 Ans, états-unis , 24 Ans, états-unis , 25 Annonces , 26.
La relaxation lente de spin-lattice est essentielle pour la détection in vivo avec MRSI. Les temps de relaxation spin-lattice(T1s) de l’ordre de dizaines de secondes sont possibles pour les noyaux avec de faibles rapports gyromagnétiques dans de petites molécules en solution. Plusieurs facteurs physiques influencent le transfert d’énergie entre une transition de spin nucléaire et son environnement (lattice) conduisant à la relaxation, y compris la force du champ magnétique, la température et la conformation moléculaire27. La relaxation dipolaire est réduite en molécules pour les positions de carbone sans protons directement attachés, et la deutération des médias de dissolution peut encore réduire la relaxation dipolar intermoléculaire. Malheureusement, les solvants deuterated ont des capacités limitées pour prolonger la relaxation in vivo. Une relaxation accrue des carbonyles ou des acides carboxyliques (comme le pyruvate) peut se produire à des forces de champ magnétique élevées en raison de l’anisotropie chimique de décalage. La présence d’impuretés paramagnetic du chemin fluide pendant la dissolution après polarisation peut causer la relaxation rapide et doivent être évitées ou éliminées utilisant des chélateurs.
Il existe très peu de données pour la relaxation de 13composés contenant des C dans les champs bas, où la relaxation du lattice de spin pourrait être beaucoup plus rapide. Cependant, il est important de mesurer T1 à des champs bas pour comprendre la relaxation lors de la préparation de l’agent utilisé pour l’imagerie in vivo, puisque les agents de contraste hyperpolarisés sont généralement distribués à partir de l’appareil DNP près ou à la terre champ. D’autres facteurs physiques tels que la concentration de substrat enrichie de 13C, le pH de solution, les tampons et la température influencent également la relaxation, et ont par conséquent un effet sur la formulation de l’agent. Tous ces facteurs sont essentiels dans la détermination des paramètres clés dans l’optimisation du processus de dissolution du DNP, et le calcul de l’ampleur de la perte de signal qui se produit dans le transport de l’échantillon de l’appareil DNP à l’aimant d’imagerie.
Les mesures de dispersion de résonance magnétique nucléaire (RmND), c’est-à-à-d., les mesures T1, en fonction du champ magnétique, sont généralement acquises à l’aide d’un spectromètre RMN. Pour obtenir ces mesures, une méthode de fermeture pourrait être utilisée lorsque l’échantillon est d’abord transporté hors du spectromètre pour se détendre à un champ déterminé par sa position dans le champ de frange de l’aimant28,29,30 puis rapidement transféré dans l’aimant RMN pour mesurer sa magnétisation restante. En répétant ce processus au même point dans le champ magnétique, mais avec des périodes croissantes de relaxation, une courbe de relaxation peut être obtenue, qui peut ensuite être analysée pour estimer T1.
Nous utilisons une technique alternative connue sous le nom de relaxométrie rapide de champ-cyclisme31,32,33 pour acquérir nos données de NMRD. Nous avons modifié un relaxomètre commercial de vélo de terrain (voir Tableau des matériaux), pour des mesures T1 de solutions contenant des noyaux hyperpolarisés de 13C. Par rapport à la méthode de la navette, le vélo sur le terrain permet à ce relaxomètre d’acquérir systématiquement des données NMRD sur une plus petite gamme de champs magnétiques (0,25 mT à 1 T). Ceci est accompli en changeant rapidement le champ magnétique lui-même, pas l’emplacement de l’échantillon dans le champ magnétique. Par conséquent, un échantillon peut être magnétisé à une force de champ élevée, « détendu » à une force de champ inférieure, puis mesuré par l’acquisition d’une induction libre-décroissance à un champ fixe (et fréquence de Larmor) pour maximiser le signal. Cela signifie que la température de l’échantillon peut être contrôlée pendant la mesure, et la sonde RMN n’a pas besoin d’être réglée à chaque champ de relaxation favorisant l’acquisition automatique sur toute la plage de champ magnétique.
Concentrant nos efforts aux effets de la distribution et du transport des solutions hyperpolarisées à faible champ magnétique, ce travail présente une méthodologie détaillée pour mesurer le temps de relaxation spin-lattice de 13C-pyruvate hyperpolarisé à l’aide rapide relaxométrie sur le terrain pour les champs magnétiques de l’ordre de 0,237 mT à 0,705 T. Les principaux résultats de l’utilisation de cette méthodologie ont déjà été présentés pour [1-13C]pyruvate34 et 13C enrichi soudsodium et césium bicarbonate35 où d’autres facteurs tels que la concentration radicale et le pH de dissolution ont également été étudié.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’utilisation de DNP pour améliorer l’acquisition du signal est une solution technique à un signal de résonance magnétique insuffisant disponible à partir de 13noyaux C à des concentrations limitées, comme ceux utilisés dans les injections animales, mais présente d’autres défis expérimentaux. Chaque mesure de relaxation présentée à la figure 7 représente une mesure d’un échantillon préparé de façon unique parce qu’il ne peut pas être repolarisé après la disso…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs aimeraient remercier l’Institut ontarien de recherche sur le cancer, le Programme de traduction en imagerie et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada d’avoir financé cette recherche. Nous tenons également à souligner les discussions utiles avec Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canada, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italie, et William Mander, Oxford Instruments, Royaume-Uni.
Materials
| [1-13C]Pyruvic Acid | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 677175 | |
| 10mm NMR Tube | Norell, Inc., Morganton NC, USA | 1001-8 | |
| De-ionized water | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | E5134 | |
| HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Includes the following: "DNP-NMR Polarizer" software used to control and monitor the whole DNP polarizer; "RINMR" used to monitor the solid state polarization levels; "HyperTerminal" used to communicate the DNP software with the RINMR software that monitors the solid state polarization level. Also includes the MQC bench top spectrometer to monitor the liquid state polarization in conjunction with it own RINMR software | |
| MATLAB R2017b | MathWorks, Natick, MA | Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid. | |
| OX063 Triarylmethyl radical | Oxford Instruments, Abingdon, UK | ||
| pH meter – SympHony | VWR International, Mississauga, ON., Canada | SB70P | |
| ProHance | Bracco Diagnostics Inc. | Gadoteridol, Gd-HP-DO3A | |
| Pure Ethanol (100% pure) | Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada | P016EAAN | |
| Shim Coil | Developed in-house | ||
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S7653 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S8045 | |
| SpinMaster FFC2000 1T C/DC | Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy | Includes the software "AcqNMR" that is used to set experimental parameters, monitor the tuning and matching of the RF coil, loading different pulse sequences, calibrate flip angle, data acquisition and curve fitting, among other functions. Also includes a depth gauge, some weights and a depth stopper. | |
| Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T7943 |
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