Medición de la dependencia del campo magnético de relajación Spin-Lattice de hiperpolarizado [1-13C]pyruvate
Summary
Presentamos un protocolo para medir la dependencia del campo magnético del tiempo de relajación de la celosía de espín de 13compuestos enriquecidos con C, hiperpolarizados mediante polarización nuclear dinámica, utilizando relaxometría rápida de ciclo de campo. Específicamente, lo hemos demostrado con [1-13C]pyruvate, pero el protocolo podría extenderse a otros sustratos hiperpolarizados.
Abstract
El límite fundamental para las aplicaciones de imágenes in vivo de compuestos enriquecidos con 13C hiperpolarizados son sus tiempos de relajación finita de celosía de espía. Varios factores afectan las tasas de relajación, como la composición del tampón, el pH de la solución, la temperatura y el campo magnético. En este último aspecto, el tiempo de relajación de la celosía de espín se puede medir en las fortalezas clínicas del campo, pero en los campos más bajos, donde estos compuestos se dispensan desde el polarizador y se transportan a la RMN, la relajación es aún más rápida y difícil de medir. Para tener una mejor comprensión de la cantidad de magnetización perdida durante el transporte, utilizamos relajaometría rápida de ciclismo de campo, con detección de resonancia magnética de 13núcleos C a 0,75 T, para medir la dispersión de la resonancia magnética nuclear de la tiempo de relajación de la celosía de la hiperpolarización [1-13C]piruvato. La polarización nuclear dinámica de disolución se utilizó para producir muestras hiperpolarizadas de piruvato a una concentración de 80 mmol/L y pH fisiológico (7,8). Estas soluciones se transfirieron rápidamente a un relajantemetro de ciclo de campo rápido para que la relajación de la magnetización de la muestra pudiera medirse en función del tiempo utilizando un ángulo de volteo pequeño calibrado (3o-5o). Para mapear la dispersión T1 del C-1 de piruvato, registramos datos para diferentes campos de relajación que oscilan entre 0.237 mT y 0.705 T. Con esta información, determinamos una ecuación empírica para estimar la relajación de la celosía de espín del sustrato hiperpolarizado dentro del rango mencionado de campos magnéticos. Estos resultados se pueden utilizar para predecir la cantidad de magnetización perdida durante el transporte y para mejorar los diseños experimentales para minimizar la pérdida de señal.
Introduction
Las imágenes espectroscópicas de resonancia magnética (MRSI) pueden producir mapas espaciales de metabolitos detectados por imágenes espectroscópicas, pero su uso práctico a menudo está limitado por su sensibilidad relativamente baja. Esta baja sensibilidad de los métodos de espectroscopia y imágenes por resonancia magnética in vivo se deriva del pequeño grado de magnetización nuclear alcanzable a temperaturas corporales y a las intensidades razonables del campo magnético. Sin embargo, esta limitación puede superarse mediante el uso de polarización nuclear dinámica (DNP) para mejorar en gran medida la magnetización in vitro de sustratos líquidos, que posteriormente se inyectan en la sonda in vivo metabolismo utilizando MRSI1,2 , 3 , 4. DNP es capaz de mejorar la magnetización de la mayoría de los núcleos con espín nuclear no cero y se ha utilizado para aumentar la sensibilidad IN vivo MRSI de 13compuestos enriquecidos con C como el piruvato5,6, bicarbonato 7,8, fumarato9, lactato10, glutamina11, y otros por más de cuatro órdenes de magnitud12. Sus aplicaciones incluyen imágenes de enfermedad vascular13,14,15, perfusión de órganos13,16,17,18, cáncer detección1,19,20,21,22, estadificación tumoral23,24, y cuantificación de la respuesta terapéutica2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.
La relajación lenta de la celosía de giro es esencial para la detección in vivo con MRSI. Los tiempos de relajación de la celosía de giro(T1s) en el orden de decenas de segundos son posibles para núcleos con relaciones giromagnéticas bajas dentro de moléculas pequeñas en solución. Varios factores físicos influyen en la transferencia de energía entre una transición de giro nuclear y su entorno (celosía) que conduce a la relajación, incluyendo la fuerza del campo magnético, la temperatura y la conformación molecular27. La relajación dipolar se reduce en moléculas para posiciones de carbono sin protones directamente unidos, y la deuteración de los medios de disolución puede reducir aún más la relajación dipolar intermolecular. Desafortunadamente, los disolventes deuterados tienen capacidades limitadas para extender la relajación in vivo. El aumento de la relajación de los carbonilos o ácidos carboxílicos (como el piruvato) puede ocurrir a altas fortalezas del campo magnético debido a la anisotropía de cambio químico. La presencia de impurezas paramagnéticas de la trayectoria del fluido durante la disolución después de la polarización puede causar una rápida relajación y debe evitarse o eliminarse con quelantes.
Existen muy pocos datos para la relajación de 13compuestos que contienen C en campos bajos, donde la relajación de la celosía de centrifugado podría ser significativamente más rápida. Sin embargo, es importante medir T1 en campos bajos para entender la relajación durante la preparación del agente utilizado para la toma de imágenes in vivo, ya que los agentes de contraste hiperpolarizados generalmente se dispensan del aparato DNP cerca o en la tierra de la Tierra Campo. Factores físicos adicionales como la concentración de sustrato enriquecido con 13C, el pH de la solución, los tampones y la temperatura también influyen en la relajación, y por lo tanto tienen un efecto en la formulación del agente. Todos estos factores son esenciales en la determinación de parámetros clave en la optimización del proceso de disolución dNP, y el cálculo de la magnitud de la pérdida de señal que se produce en el transporte de la muestra desde el aparato DNP al imán de imagen.
Las mediciones de dispersión de resonancia magnética nuclear (NMRD), es decir, las mediciones T1, en función del campo magnético, normalmente se adquieren utilizando un espectrómetro de RMN. Para adquirir estas mediciones, se podría utilizar un método de cierre donde la muestra se lanza por primera vez fuera del espectrómetro para relajarse en algún campo determinado por su posición en el campo marginal del imán28,29,30 y luego se transfirió rápidamente de nuevo al imán de RMN para medir su magnetización restante. Al repetir este proceso en el mismo punto en el campo magnético pero con períodos crecientes de relajación, se puede obtener una curva de relajación, que luego se puede analizar para estimar T1.
Utilizamos una técnica alternativa conocida como relaxometría rápida de ciclismo de campo31,32,33 para adquirir nuestros datos NMRD. Hemos modificado un relajantemetro comercial de ciclismo de campo (ver Tabla de Materiales),para mediciones T1 de soluciones que contienen núcleos hiperpolarizados de 13C. En comparación con el método de transporte, el ciclismo de campo permite a este relajante adquirir sistemáticamente datos De RMN en una gama más pequeña de campos magnéticos (0,25 mT a 1 T). Esto se logra cambiando rápidamente el campo magnético en sí, no la ubicación de la muestra en el campo magnético. Por lo tanto, una muestra puede ser magnetizada a una alta fuerza de campo, “relajada” a una fuerza de campo más baja, y luego medida por la adquisición de un decaimiento de inducción libre en un campo fijo (y la frecuencia Larmor) para maximizar la señal. Esto significa que la temperatura de la muestra se puede controlar durante la medición, y la sonda NMR no necesita ser sintonizada en cada campo de relajación promoviendo la adquisición automática en todo el rango de campo magnético.
Centrando nuestros esfuerzos en los efectos de la dispensación y el transporte de las soluciones hiperpolarizadas en campos magnéticos bajos, este trabajo presenta una metodología detallada para medir el tiempo de relajación de la celosía de espín de hiperpolarizado 13C-pyruvate usando rápido relaxometría de campo para campos magnéticos en el rango de 0,237 mT a 0,705 T. Los principales resultados del uso de esta metodología se han presentado previamente para [1-13C]piruvato34 y 13C-enriquecido sódico y bicarbonato de cesio35 donde otros factores como la concentración radical y el pH de disolución han también se han estudiado.
Protocol
Representative Results
Discussion
El uso de DNP para mejorar la adquisición de señal es una solución técnica a la insuficiente señal de resonancia magnética disponible a partir de núcleos de 13C a concentraciones limitadas, como las utilizadas en inyecciones de animales, pero presenta otros desafíos experimentales. Cada medición de relajación que se muestra en la Figura 7 representa una medición de una muestra preparada de forma única porque no se puede repolarizar después de la disolución para la re…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer al Instituto de Ontario para la Investigación del Cáncer, el Programa de Traducción de Imágenes y al Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá por financiar esta investigación. También nos gusta reconocer discusiones útiles con Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canadá, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italia, y William Mander, Oxford Instruments, Reino Unido.
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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