Messung der Spin-Lattice Relaxation Magnetfeldabhängigkeit von hyperpolarisiertem [1-13C]pyruvat
Summary
Wir präsentieren ein Protokoll zur Messung der Magnetfeldabhängigkeit der Spin-Gitter-Entspannungszeit von 13C-angereicherten Verbindungen, die mittels dynamischer kernatischer Polarisation mit schneller feldzyklusweiseer Entspannungsometrie hyperpolarisiert werden. Insbesondere haben wir dies mit [1-13C]pyruvat nachgewiesen, aber das Protokoll könnte auf andere hyperpolarisierte Substrate ausgedehnt werden.
Abstract
Die grundlegende Grenze für in vivo-bildgebende Anwendungen von hyperpolarisierten 13C-angereicherten Verbindungen sind ihre endlichen Spin-Gitter-Entspannungszeiten. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Entspannungsraten, wie Pufferzusammensetzung, Lösungs-pH-Wert, Temperatur und Magnetfeld. In letzter Zeit kann die Spin-Gitter-Entspannungszeit an klinischen Feldstärken gemessen werden, aber in unteren Feldern, wo diese Verbindungen vom Polarisator abgegeben und zum MRT transportiert werden, ist die Entspannung noch schneller und schwer zu messen. Um ein besseres Verständnis der Magnetisierungsmenge zu haben, die während des Transports verloren ging, verwendeten wir eine schnelle feld-zyklus-entspannende Entspannungsometrie mit einer Magnetresonanzdetektion von 13C-Kernen bei 0,75 T, um die Kernspinresonanzdispersion der Spin-Gitter-Entspannungszeit von hyperpolarisiertem [1-13C]pyruvat. Die auflösungsdynamische kernatikale Polarisation wurde verwendet, um hyperpolarisierte Pyruvatproben in einer Konzentration von 80 mmol/L und physiologischen pH-Wert (7,8) zu produzieren. Diese Lösungen wurden schnell auf ein schnelles Feld-Zyklus-Relaxometer übertragen, so dass die Entspannung der Probenmagnetisierung als Funktion der Zeit mit einem kalibrierten kleinen Drehwinkel (3°-5°) gemessen werden konnte. Um die T1-Dispersion des C-1 von Pyruvat abzubilden, haben wir Daten für verschiedene Entspannungsfelder zwischen 0,237 mT und 0,705 T aufgezeichnet. Mit diesen Informationen haben wir eine empirische Gleichung ermittelt, um die Spin-Gitter-Entspannung des hyperpolarisierten Substrats innerhalb des genannten Bereichs von Magnetfeldern zu schätzen. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um den Während des Transports verlorenen Magnetisierungsbetrag vorherzusagen und experimentelle Konstruktionen zu verbessern, um Signalverluste zu minimieren.
Introduction
Magnetresonanzspektroskopische Bildgebung (MRSI) kann räumliche Karten von Metaboliten erzeugen, die durch spektroskopische Bildgebung erkannt werden, aber ihre praktische Anwendung wird oft durch ihre relativ geringe Empfindlichkeit eingeschränkt. Diese geringe Empfindlichkeit der in vivo Magnetresonanztomographie und Spektroskopie-Methoden ergibt sich aus dem geringen Grad der Kernmagnetisierung, der bei Körpertemperaturen und vernünftigen Magnetfeldstärken erreichbar ist. Diese Einschränkung kann jedoch durch den Einsatz der dynamischen kernatonischen Polarisation (DNP) überwunden werden, um die In-vitro-Magnetisierung flüssiger Substrate erheblich zu verbessern, die anschließend mit MRSI1,2 in den In-vivo-Stoffwechsel injiziert werden. , 3 , 4. DNP ist in der Lage, die Magnetisierung der meisten Kerne mit Nicht-Null-Kernspin zu verbessern und wurde verwendet, um in vivo MRSI-Empfindlichkeit von 13C-angereicherten Verbindungen wie Pyruvat5,6, Bicarbonat zu erhöhen 7,8, fumarate9, laktat10, glutamin11 ,und andere um mehr als vier Größenordnungen12. Seine Anwendungen umfassen Bildgebung der Gefäßerkrankung13,14,15, Organperfusion13,16,17,18, Krebs Nachweis1,19,20,21,22, Tumor-Staging23,24, und Quantifizierung des therapeutischen Ansprechens2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
Langsame Spin-Gitter-Entspannung ist wichtig für die In-vivo-Erkennung mit MRSI. Spin-Gitter-Entspannungszeiten(T1s) in der Größenordnung von zehn Sekunden sind für Kerne mit niedrigen gyromagnetischen Verhältnissen innerhalb kleiner Moleküle in Lösung möglich. Mehrere physikalische Faktoren beeinflussen den Energietransfer zwischen einem Kernspinübergang und seiner Umgebung (Gitter), was zu Entspannung führt, einschließlich der magnetischen Feldstärke, Temperatur und molekularen Konformation27. Die dipolare Entspannung wird in Molekülen für Kohlenstoffpositionen reduziert, ohne dass Direktprotonen angebracht sind, und die Deuteration von Auflösungsmedien kann die intermolekulare dipolare Entspannung weiter reduzieren. Leider haben deuterated Lösungsmittel begrenzte Fähigkeiten, um in vivo Entspannung zu erweitern. Erhöhte Entspannung von Carbonylen oder Carbonsäuren (wie Pyruvat) kann bei hohen Magnetfeldstärken durch chemische Verschiebungsanisotropie auftreten. Das Vorhandensein paramagnetischer Verunreinigungen aus dem Flüssigkeitsweg während der Auflösung nach der Polarisation kann zu einer schnellen Entspannung führen und muss mit Chelatoren vermieden oder beseitigt werden.
Für die Entspannung von 13C-haltigen Verbindungen auf niedrigen Feldern, bei denen die Spingitterentspannung deutlich schneller sein könnte, liegen nur sehr wenige Daten vor. Es ist jedoch wichtig, T1 bei niedrigen Feldern zu messen, um die Entspannung während der Vorbereitung des für die In-vivo-Bildgebung verwendeten Mittels zu verstehen, da die hyperpolarisierten Kontrastmittel in der Regel aus dem DNP-Gerät in der Nähe oder an der Erdoberfläche abgegeben werden. feld. Zusätzliche physikalische Faktoren wie 13C-angereicherte Substratkonzentration, Lösungs-pH-Wert, Puffer und Temperatur beeinflussen ebenfalls die Entspannung und wirken sich somit auf die Formulierung des Mittels aus. All diese Faktoren sind wesentlich für die Bestimmung der Schlüsselparameter bei der Optimierung des DNP-Auflösungsprozesses und die Berechnung der Größe des Signalverlustes, die beim Transport der Probe vom DNP-Gerät zum Bildmagneten auftritt.
Kernspinresonanzdispersionsmessungen (NMRD), d.h. T1-Messungen, als Funktion des Magnetfeldes werden typischerweise mit einem NMR-Spektrometer erfasst. Um diese Messungen zu erfassen, könnte eine Abschaltmethode verwendet werden, bei der die Probe zuerst aus dem Spektrometer geshuttlet wird, um sich an einem Feld zu entspannen, das durch seine Position im Randfeld des Magneten bestimmt wird28,29,30 und dann schnell wieder in den NMR-Magneten übertragen, um seine verbleibende Magnetisierung zu messen. Durch die Wiederholung dieses Prozesses an der gleichen Stelle im Magnetfeld, aber mit zunehmenden Entspannungsperioden kann eine Entspannungskurve erreicht werden, die dann analysiert werden kann, um T1zu schätzen.
Wir verwenden eine alternative Technik, die als schnelle Feldrad-Relaxometrie31,32,33 bekannt ist, um unsere NMRD-Daten zu erfassen. Wir haben ein kommerzielles Feld-Zyklus-Relaxometer (siehe Tabelle der Materialien) für T1 Messungen von Lösungen modifiziert, die hyperpolarisierte 13C-Kerne enthalten. Im Vergleich zur Shuttle-Methode ermöglicht das Field-Cycling diesem Relaxometer die systematische Erfassung von NMRD-Daten über einen kleineren Bereich von Magnetfeldern (0,25 mT bis 1 T). Dies wird durch eine schnelle Änderung des Magnetfeldes selbst erreicht, nicht durch die Probenposition im Magnetfeld. Daher kann eine Probe mit einer hohen Feldstärke magnetisiert, bei einer niedrigeren Feldstärke “entspannt” und dann durch Erfassung eines Freiinduktionszerfalls an einem festen Feld (und Larmor-Frequenz) gemessen werden, um das Signal zu maximieren. Das bedeutet, dass die Probentemperatur während der Messung gesteuert werden kann und die NMR-Sonde nicht an jedem Entspannungsfeld abgestimmt werden muss, was eine automatische Erfassung über den gesamten Magnetfeldbereich fördert.
Mit der Konzentration unserer Bemühungen auf die Auswirkungen der Abgabe und des Transports der hyperpolarisierten Lösungen bei niedrigen Magnetfeldern präsentiert diese Arbeit eine detaillierte Methodik zur Messung der Spin-Gitter-Entspannungszeit von hyperpolarisiertem 13C-Pyruvat mit Feld-Rad-Relaxometrie für Magnetfelder im Bereich von 0,237 mT bis 0,705 T. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Methode wurden zuvor für [1-13C]pyruvat34 und 13C-angereichertes Natrium und Cäsiumbicarbonat35 vorgestellt, wo andere Faktoren wie die radikale Konzentration und der Auflösungs-pH-Wert auch untersucht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Verwendung von DNP zur Verbesserung der Signalerfassung ist eine technische Lösung für unzureichende Magnetresonanzsignale, die von 13C-Kernen in begrenzten Konzentrationen zur Verfügung stehen, wie sie in Tierinjektionen verwendet werden, stellt aber andere experimentelle Herausforderungen dar. Jede in Abbildung 7 dargestellte Entspannungsmessung stellt eine Messung einer einzigartig vorbereiteten Probe dar, da sie nach auflösungsbedingt erwidert werden kann. Dies führt …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken dem Ontario Institute for Cancer Research, Imaging Translation Program und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada für die Finanzierung dieser Forschung. Wir möchten auch nützliche Gespräche mit Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Kanada, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italien, und William Mander, Oxford Instruments, UK, anerkennen.
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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