מדידת רשת ספין-סריג הרפיה השדה המגנטי של היפרקוטב [1-13ג] פיבט

Summary

אנו מציגים פרוטוקול כדי למדוד את התלות בשדה המגנטי של זמן ההרפיה של רשת הסחרור של ¹³C-תרכובות מועשר, היפרקוטביות באמצעות פולריזציה גרעינית דינמית, תוך שימוש במהירות מהירה על אופניים בשדה. באופן ספציפי, הדגמנו את זה עם הפירובט [1-¹³ג], אבל הפרוטוקול יכול להיות מורחב לשני מצעים היפרקוטב אחרים.

Abstract

הגבול הבסיסי לvivo יישומים הדמיה של היפרקוטב ¹³C-תרכובות מועשר הוא זמני ההרפיה הסופיים שלהם ברשת. גורמים שונים משפיעים על שיעורי ההרפיה, כגון הרכב מאגר, ה-pH של התמיסה, הטמפרטורה והשדה המגנטי. בהקשר זה האחרון, זמן הרפיה ספין-סריג ניתן למדוד בעוצמות שדה קליני, אבל בשדות נמוכים יותר, שם תרכובות אלה הם ויתרו מן הקיטוב מועבר ל-MRI, הרפיה היא אפילו מהירה יותר קשה למדוד. כדי לקבל הבנה טובה יותר של כמות המגנטיזציה שאבדו במהלך ההובלה, השתמשנו במהירות מהירה בתחום הרכיבה על אופניים, עם זיהוי תהודה מגנטית של ¹³C גרעינים ב ~ 0.75 T, כדי למדוד את פיזור התהודה המגנטית הגרעינית של ה שעון מרגוע של הרפיה-סריג של היפרקוטב [1-¹³ג] פיבט. קיטוב גרעיני דינמי התפרקות שימש כדי לייצר דגימות היפרקוטב של פירובט בריכוז של 80 mmol/L ו-pH פיסיולוגיים (~ 7.8). הפתרונות הללו הועברו במהירות למטרים מהירים של רכיבת שדות, כך שניתן יהיה למדוד את ההרפיה של המגנטיזציה לדוגמה כפונקציה של זמן תוך שימוש בזווית היפוך קטנה מכויל (3 °-5 °). כדי למפות את הפיזור T₁ של C-1 של פירובט, הקלטנו נתונים עבור שדות הרפיה שונים הנע בין 0.237 mT ו 0.705 T. באמצעות מידע זה, קבענו משוואה אמפירית להערכת הרפיה הספין-סריג של המצע היפרקוטב בתוך הטווח המוזכר של השדות המגנטיים. תוצאות אלה ניתן להשתמש כדי לנבא את כמות המגנטיזציה שאבדו במהלך התחבורה כדי לשפר את העיצובים הניסיוניים כדי למזער את אובדן האות.

Introduction

הדמיה מגנטית ספקטרוסקופית תהודה (MRSI) יכול לייצר מפות מרחבית של מטבוליטים שזוהו על ידי הדמיה ספקטרוסקופית, אבל השימוש המעשי שלה מוגבל לעתים קרובות על ידי רגישות נמוכה יחסית שלה. זו רגישות נמוכה של הדמיה vivo מגנטית ושיטות ספקטרוסקופיה נובעת במידה קטנה של מגנטוטיזציה גרעינית השגה בטמפרטורת הגוף והסבירות שדה מגנטי החוזק. עם זאת, מגבלה זו ניתן להתגבר על ידי שימוש של פולריזציה גרעינית דינמית (dnp) כדי לשפר מאוד את המגנטיזציה מחוץ למבחנה של מצעים נוזליים, אשר מוזרק לאחר מכן לחקור בתוך vivo מטבוליזם באמצעות mrsi^{1,2 ,} מיכל ^{שלוש , 4}. dnp הוא מסוגל לשפר את המגנטיזציה של רוב הגרעינים עם ספין גרעיני שאינו אפס ושימש להגדיל vivo mrsi רגישות של ¹³C-מועשר תרכובות כגון פירובט^5,6, ביקרבונט ^7,8, fumarate⁹, לקטט¹⁰, גלוטמין¹¹, ואחרים על ידי יותר מארבע הזמנות של סדר גודל¹². היישומים שלה כוללים הדמיה של מחלת כלי דם^13,14,15, איברים זלוף^13,16,17,18, סרטן זיהוי^{1,19,20,21,22}, גידול האחסון הזמני^23,24, וכימות התגובה הטיפולית^{2 ,} מיכל בן ^{6 ,} מיכל בן ^{23 ,} בת ^{24 ,} מיכל בן ^{25 ,} . ^{עשרים ושש}

הרפיה ספין-סריג איטית חיונית לאיתור vivo עם MRSI. זמני הרפיה של סריג (T₁s) על סדר עשרות שניות אפשריים עבור גרעינים עם יחסי gyromגנטיות נמוכה בתוך מולקולות קטנות בפתרון. מספר גורמים פיזיים משפיעים על העברת האנרגיה בין מעבר של ספין גרעיני לסביבתו (סריג) המובילה להרפיה, כולל חוזק השדה המגנטי, הטמפרטורה והקונפורמציה המולקולרית²⁷. הרפיה קשר קואורדינטיבי מופחתת במולקולות עבור משרות פחמן ללא פרוטונים המצורפת ישירות, ו הדאוציה של מדיה התפרקות יכול עוד להפחית הרפיה מולקולרית קשר קואורדינטיבי. למרבה הצער, ממיסים מוגבלים יש יכולות מוגבלות להאריך בהרפיה vivo. הרפיה מוגברת של פחמן או חומצות קרבוקסיליות (כגון pyruvate) יכול להתרחש ב החוזק המגנטי של שדה מגנטי עקב משמרת כימית anisotropy. הנוכחות של פאראגנט מזהמים מנתיב הנוזלים במהלך הפירוק לאחר הקיטוב יכול לגרום הרפיה מהירה צריך להימנע או מסולק באמצעות כלטורים.

מעט מאוד נתונים קיימים עבור הרפיה של ¹³C-תרכובות המכילות בשדות נמוכים, שם הרפיה ספין-סריג יכול להיות מהיר יותר באופן משמעותי. עם זאת, חשוב למדוד T₁ בשדות נמוכים כדי להבין הרפיה במהלך הכנת הסוכן בשימוש הדמיה vivo, מאז סוכני ניגודיות היפרקוטב בדרך כלל ויתרו ממנגנון dnp ליד או על כדור הארץ שדה. גורמים פיזיים נוספים כגון ¹³ג-ריכוז מצע מועשר, pH הפתרון, מאגרים וטמפרטורה גם להשפיע על הרפיה, וכתוצאה מכך יש השפעה על הניסוח של הסוכן. כל הגורמים הללו חיוניים לקביעת פרמטרים מרכזיים במיטוב תהליך הפירוק DNP, ואת החישוב של הגודל של אובדן האות המתרחשת בהובלה של המדגם ממנגנון DNP למגנט הדמיה.

פיזור התהודה המגנטית הגרעינית (NMRD) מדידות, כלומר, T₁ מדידות, כפונקציה של השדה המגנטי נרכשים בדרך כלל באמצעות ספקטרומטר nmr. כדי לרכוש מדידות אלה, ניתן יהיה להשתמש בשיטת הלוך ושוב במקום שבו המדגם הוא הראשון דילג מתוך ספקטרומטר להירגע בשדה מסוים שנקבע על ידי מיקומו בשדה שוליים של המגנט^28,29,30 ואז במהירות הועבר חזרה למגנט NMR כדי למדוד את המגנטיזציה הנותרים. על ידי חזרה על תהליך זה באותה נקודה בשדה המגנטי אבל עם הגדלת תקופות של הרפיה, עקומת הרפיה ניתן להשיג, אשר לאחר מכן ניתן לנתח כדי להעריך T₁.

אנו משתמשים בטכניקה חלופית המכונה מהירות האופניים להרפמטריה^31,32,33 לרכוש נתונים NMRD שלנו. שנינו שינו משטח מסחרי להרגעת האופניים (ראה טבלת חומרים), עבור מדידות T₁ של פתרונות המכילים היפרקוטב ¹³C גרעינים. בהשוואה לשיטת ההסעות, השדה-רכיבת אופניים מאפשר מדידת מרפה זו לרכוש באופן שיטתי נתונים NMRD על פני מגוון קטן יותר של שדות מגנטיים (0.25 mT עד 1 T). זה מתבצע על ידי שינוי מהיר של השדה המגנטי עצמו, לא את המיקום לדוגמה בשדה המגנטי. לכן, מדגם יכול להיות ממוגנט בחוזק שדה גבוה, “רגוע” בחוזק שדה נמוך יותר, ולאחר מכן נמדד על-ידי רכישת השראה בשדה קבוע (ותדר לרמור) כדי למקסם את האות. משמעות הדבר היא כי הטמפרטורה לדוגמה יכול להיות נשלט במהלך המדידה, ואת הבדיקה NMR לא צריך להיות מכוון על כל שדה הרפיה קידום רכישה אוטומטית מעל טווח שדה מגנטי כולו.

מיקוד המאמצים שלנו להשפעות של מעביר והובלת פתרונות היפרקוטב בשדות מגנטיים נמוכים, עבודה זו מציגה מתודולוגיה מפורטת כדי למדוד את זמן הרפיה הספין-סריג של היפרקוטב ¹³ג-פירובט באמצעות מהיר שדה-אופניים להרפמטריה עבור שדות מגנטיים בטווח של 0.237 mT ל 0.705 T. התוצאות העיקריות של שימוש במתודולוגיה זו הוצגו בעבר עבור [1-¹³ג] pyruvate³⁴ ו ^-13C-מועשר נתרן ו צסיום ביקרבונט³⁵ שבו גורמים אחרים כגון ריכוז רדיקלי ו-pH התפרקות יש גם נחקרו.

Protocol

1. הכנה לדוגמא הערה: שלבים 1.1-1.8 מתבצעים רק פעם אחת הכינו 1 מ ל של מלאי 13ג מועשר החומצה פירובט, המשמש באופן נרחב ב vivo מחקר1,2,5,6, המורכב של 15 ממול/L של triarylmethyl תיל מומס רדיקלי ב [1- מיכל בן 13 ג] …

Representative Results

איור 2 מציג דוגמא לניקוי מיקרוגל ברזולוציה גבוהה לחומצה פירווית. עבור המקרה המוצג, כי תדר מיקרוגל אופטימלי תואם 94.128 GHz, מודגש בהכנסת הדמות. מערכת DNP שלנו יכול בדרך כלל לעבוד בטווח של 93.750 GHz כדי 94.241 GHz עם גודל השלב של 1 MHz, זמן פולריזציה של עד 600 s, והכוח של עד 100 mW. מגוון רחב של תדרים…

Discussion

השימוש ב-DNP כדי לשפר את רכישת האותות הוא פתרון טכני לאות תהודה מגנטית מספקת הזמינה מ- ¹³הגרעינים בריכוזים מוגבלים, כמו אלה המשמשים זריקות בעלי חיים, אך מציג אתגרים ניסיוניים אחרים. כל מידת הרפיה המוצגת באיור 7 מייצגת מדידה של מדגם שהוכן באופן ייחודי, משום שהיא אינה יכול?…

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