विघटन गतिशील परमाणु ध्रुवीकरण एनएमआर द्वारा वास्तविक समय enzymatic प्रतिक्रिया दर माप के लिए उपकरण
Summary
The sensitivity enhancement provided by dissolution dynamic nuclear polarization (DNP) enables following metabolic processes in real time by NMR and MRI. The characteristics and performances of a dedicated dissolution DNP setup designed for study enzymatic reactions are discussed.
Abstract
एनएमआर आधारित जांच का मुख्य सीमा कम संवेदनशीलता है। यह लंबे समय के अधिग्रहण के लिए संकेत देता है, इस प्रकार चयापचय परिवर्तनों के वास्तविक समय एनएमआर माप को रोकने। DNP विघटन के माध्यम से hyperpolarization संवेदनशीलता का हिस्सा बड़े आउट-ऑफ-संतुलन परमाणु आकर्षण संस्कार इलेक्ट्रॉन नाभिक के लिए स्पिन ध्रुवीकरण हस्तांतरण से उत्पन्न करने के लिए धन्यवाद मुद्दों में गतिरोध उत्पन्न। प्राप्त उच्च एनएमआर संकेत वास्तविक समय में रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर नजर रखने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। Hyperpolarized एनएमआर के नकारात्मक पक्ष यह संकेत अधिग्रहण, जो परमाणु स्पिन अनुदैर्ध्य विश्राम का समय निरंतर, टी 1, या के आदेश पर आम तौर पर है, अनुकूल मामलों में के लिए उपलब्ध सीमित समय खिड़की में रहता है, विश्राम का समय के साथ जुड़े निरंतर के आदेश पर मिलकर नाभिक के स्वेटर राज्य, टी LLS। अंतर्जात अणुओं और चयापचय दर के सेलुलर तेज ट्यूमर के विकास और दवा प्रतिक्रिया पर आवश्यक जानकारी प्रदान कर सकते हैं। परमाणुmerous पिछले hyperpolarized एनएमआर अध्ययनों विवो में enzymatic गतिविधि की निगरानी के लिए एक चयापचय सब्सट्रेट के रूप में पाइरूवेट की प्रासंगिकता का प्रदर्शन किया है। इस काम लैक्टेट डिहाइड्रोजनेज (LDH) की उपस्थिति में पाइरूवेट करने वाली लैक्टेट रूपांतरण दर, hyperpolarized एनएमआर द्वारा विशेष रूप से, प्रयोगात्मक सेटअप और तरीकों एंजाइमी प्रतिक्रियाओं का अध्ययन के लिए आवश्यक का एक विस्तृत विवरण प्रदान करता है।
Introduction
गतिशील परमाणु ध्रुवीकरण (DNP), 1,2 एक तकनीक परमाणु स्पिन ध्रुवीकरण, यानी, 'अप' और 'नीचे' स्पिन आबादी (पी = के बीच असंतुलन बढ़ाने के लिए डिज़ाइन [एन ↑ – एन ↓] / [एन ↑ + N ↓]), पहली बार 1950 में पेश किया गया था। इस तरह के 13 सी के रूप में परमाणु Spins, अनुकूल परिस्थितियों में पी -1 = 10 अप करने के ध्रुवीकरण किया जा सकता आम तौर पर 1 कश्मीर के आदेश पर एक के तापमान पर और टी 3,4 ३.३५७ की एक चुंबकीय क्षेत्र जैविक अनुप्रयोगों के लिए एक सफलता में आया जल्दी अतितापित पानी में जमे हुए ध्रुवीकृत नमूने भंग जबकि कम तापमान पर प्राप्त उच्च स्तर को बनाए रखने में परमाणु ध्रुवीकरण होते हैं जो विघटन DNP के विकास के साथ 2000 के। 5 तरल राज्य एनएमआर संकेत बढ़ाया है एक पहलू से 10 3 -10 4 की तुलना में सामान्यthermally ध्रुवीकरण आरटी एनएमआर की स्थिति। यह भी बहुत कम मात्रा में analytes पता लगाने के लिए संभव हो गया 10 11 – विघटन DNP इसलिए एक तरह से वास्तविक समय में बगल में गैर invasively उपाय के जैव रासायनिक प्रतिक्रिया दरों में, 1 सेकंड या उससे कम की एक अस्थायी समाधान के साथ एनएमआर द्वारा निगरानी की गतिशीलता की अनुमति देता है प्रदान करता है 6।।
गैर इनवेसिव आणविक इमेजिंग तौर तरीकों के बीच, hyperpolarized एनएमआर केवल तकनीक है कि एक साथ एक सब्सट्रेट और वास्तविक समय में अपने चयापचय उत्पादों को मापने की अनुमति देता है। विघटन DNP विभिन्न वैज्ञानिक इन विट्रो एनएमआर से नैदानिक एमआरआई 12 और सबसे होनहार आवेदन को लेकर क्षेत्रों में उत्साह के साथ स्वागत चयापचय के बगल में निगरानी से संबंधित हैं की गई थी। 13,14 विघटन DNP की मुख्य सीमा यह है कि, एक समय के बाद पांच बार अनुदैर्ध्य विश्राम का समय निरंतर टी 1 के आदेश, ध्रुवीय बढ़ायाization खो दिया है। इसलिए यह असर अपेक्षाकृत लंबे टी 1 का प्रदर्शन करते परमाणु स्पिन अणुओं का उपयोग करने के लिए आवश्यक है। ध्रुवीकरण बढ़ाने की समय अवधि का विस्तार करने के लिए, धीरे-आराम परमाणु स्पिन राज्यों, लंबे समय रहते राज्यों (LLS) के रूप में जाना जाता है, का इस्तेमाल किया जा सकता है 15 -। 17 LLS तो उनके, इंट्रा-जोड़ी द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय बातचीत करने के लिए असंवेदनशील हैं विशेषता विश्राम का समय निरंतर, टी LLS, मिनट के दसियों की एक संस्कार जीवन भर टी 1 से ज्यादा लंबे समय तक हो सकता है। 18 और 1 घंटा अप करने के लिए इसलिए प्राप्त किया जा सकता है, 19,20 और LLS दोनों चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए प्रस्तावित किया गया है (श्रीमती) और एमआरआई। 21
मुख्य बिंदुओं को ध्यान से hyperpolarized एनएमआर द्वारा enzymatic प्रतिक्रिया दरों के अध्ययन के लिए अनुकूलित करने की आवश्यकता है कि कर रहे हैं: (i) ठोस राज्य के ध्रुवीकरण को अधिकतम और (ii) से hyperpolarized समाधान के स्थानांतरण के दौरान ध्रुवीकरण नुकसान को कमएनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर के लिए polarizer। यह लेख एक कस्टम बनाया विघटन DNP तंत्र और इंजेक्शन प्रणाली के अनुकूलन का वर्णन एंजाइमी प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए। विशेषताओं और सेटअप के प्रदर्शन को अच्छी तरह से जाना जाता है और व्यापक रूप से इस्तेमाल hyperpolarized सब्सट्रेट [1- 13 सी] पाइरूवेट साथ प्रदर्शन किया जाएगा। जो कई मिनट के दौरान निगरानी प्रतिक्रियाओं की अनुमति देता है, और, दूसरी, में अपनी केंद्रीय भूमिका इस चुनाव के लिए मुख्य कारण हैं, पहला, अपने स्वाभाविक रूप में लंबे समय के 13 सी अनुदैर्ध्य विश्राम का समय (उच्च चुंबकीय क्षेत्र और 293 कश्मीर से ऊपर तापमान पर टी 1> 50 सेकंड) कैंसर चयापचय। 13,14 विघटन DNP एनएमआर और एक कस्टम विकसित इंजेक्शन प्रणाली, लैक्टेट डिहाइड्रोजनेज (LDH) द्वारा उत्प्रेरित पाइरूवेट के ऑक्सीकरण का उपयोग unlabelled लैक्टेट 9,22 के एक प्रारंभिक पूल या कोई लेबल नहीं किया गया लैक्टेट के साथ जोड़ा उपस्थिति में नजर रखी जा सकती है यहाँ के रूप में दिखाया गया है। यह दिखाया गया है कि [1- 13 सी] लैक्टेट संकेत छठी में मापा जाता हैVO (कोशिकाओं में सहित) hyperpolarized [1- 13 सी] पाइरूवेट के इंजेक्शन के बाद मुख्य रूप से पाइरूवेट और लैक्टेट के बीच बजाय लैक्टेट उत्पादन करने के लिए एक तेजी से लेबल विनिमय की वजह से है। 6
हम साथ साथ hyperpolarized [1- 13 सी] पाइरूवेट LDH युक्त एक एनएमआर ट्यूब, लेकिन शुरू में कोई लैक्टेट में इंजेक्शन से [1- 13 सी] लैक्टेट का वास्तविक समय पर उत्पादन उपस्थित थे।
प्रणाली या व्यवस्था विवरण
DNP polarizer और एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर: वहाँ (चित्रा 1) एक विघटन DNP सेटअप में दो मुख्य भागों रहे हैं। DNP polarizer के मुख्य तत्व एक पंप हीलियम स्नान में लगभग 1 कश्मीर के लिए नमूना ठंडा करने के लिए एक cryostat है। Cryostat एक टी 3.35 superconductive चुंबक में डाला जाता है और एक चुंबक ज्यामिति (चित्रा 1) के isocenter पर ध्रुवीकरण नमूना है गारंटी देता है कि है। cryostat के अंदर, नमूना (क) एक एनएमआर का तार (बी) के द्वारा, घिरा हुआ है मापने के लिए ध्रुवीकरण खuildup, एक overmoded माइक्रोवेव गुहा (ग) में निहित। पूरे नमूना एक पंप हीलियम स्नान (घ) में कम तापमान पर रखा और waveguide के माध्यम से माइक्रोवेव के साथ विकिरणित है। पूरी व्यवस्था कस्टम बनाया सॉफ्टवेयर (चित्रा 2 डी) द्वारा किया जाता है।
हार्डवेयर और क्रायोजेनिक उपकरण DNP प्रदर्शन करने की जरूरत है और इसके बाद के विघटन अभी भी एक तकनीकी चुनौती है। एक नया DNP cryostat 23,24 विकसित और उसके क्रायोजेनिक प्रदर्शन को निर्धारित करने के लिए परीक्षण और उसके बाद तेजी से ठंडा-नीचे, हीलियम पकड़ समय और ऑपरेशन के दौरान कुल मिलाकर कम से कम हीलियम की खपत के लिए अनुकूलित किया गया था।
cryostat दो हिस्से होते हैं। Cryostat के पहले भाग इन्सुलेशन देवर (2A चित्रा) कि मोटे तौर पर शीर्ष भाग में विभाजित किया जा सकता है (एक) पूंछ, या नमूना अंतरिक्ष (ख), और बाहरी निर्वात चैम्बर (OVC) उच्च वैक्यूम और आवास के तहत रखा है विकिरण स्क्रीन (ग)। cryostat के दूसरे भाग में मुख्य हैSert (चित्रा 2 बी), इन्सुलेशन देवर, जहां सभी प्रवाह नियमों में कामयाब रहे हैं में रखा। तरल हीलियम हस्तांतरण लाइन (क) के माध्यम से बाहरी भंडारण देवर से आ रहा है, पहले चरण विभाजक (ख) में सघन में है, एक मध्यवर्ती चैम्बर cryostat ठंड के शीर्ष भाग में रखने के लिए और हीलियम सुखाया दूर करने के लिए दोनों का इस्तेमाल किया स्थानांतरण के दौरान। विभाजक दबाव एक केशिका (ग) cryostat के शीर्ष भाग के चारों ओर लिपटा के माध्यम से पंप से कम है; इस केशिका में ठंड हीलियम के प्रवाह को चकरा (घ) और इन्सुलेशन देवर (OVC) में विकिरण स्क्रीन शांत करने के लिए प्रयोग किया जाता है। नमूना रखा गया है और नमूना अंतरिक्ष में ध्रुवीकृत है। नमूना अंतरिक्ष में एक और केशिका (ई) के माध्यम से विभाजक, मुख्य cryostat डालने की पूंछ के चारों ओर लिपटा से जुड़ा है। इस केशिका खोला जा सकता है या बंद एक सुई वाल्व मैन्युअल बाहर से संचालित के माध्यम से।
कम DNP जनसंपर्क के दौरान इस्तेमाल किया तापमान को प्राप्त करने के लिएocess, तरल हीलियम cryostat नमूना अंतरिक्ष में एकत्र होने की जरूरत है और उसके दबाव मिलीबार श्रृंखला के लिए उतारा। संचालन cryostat संचालन के लिए आवश्यक पंप, निगरानी और इलेक्ट्रॉनिक और विद्युत मैकेनिक उपकरण (चित्रा 2 सी) के साथ विभिन्न बिंदुओं में संचालित की तीन सेट के साथ एक नहीं बल्कि जटिल पम्पिंग प्रणाली के माध्यम से प्रदर्शन कर रहे हैं। cryostat OVC पहले पम्पिंग प्रणाली द्वारा उच्च वैक्यूम के लिए पंप की जरूरत है। इस प्रणाली के एक टर्बो आणविक पंप एक रोटरी पंप (क) द्वारा समर्थित से बना है। तरल हीलियम भंडारण देवर (ख) cryostat विभाजक के लिए cryostat हस्तांतरण लाइन प्रवेश के माध्यम से स्थानांतरित कर रहा है। विभाजक दूसरी पंपिंग सेट से जुड़ा एक दुकान है। इस सेट में एक 35 मीटर 3 / घंटा झिल्ली पंप (ग) से बना है। इस लाइन हीलियम गैस से देवर और विभाजक ठंडा करने के दौरान स्थानांतरण के दौरान उबला हुआ हटाने की अनुमति देता है। तरल विभाजक में एकत्र हीलियम तो टोपी के माध्यम से नमूना अंतरिक्ष में स्थानांतरित किया जा सकता हैillary ट्यूबों के ऊपर वर्णित है। नमूना अंतरिक्ष के लिए और बाद में कम नमूना अंतरिक्ष दबाव के विभाजक से तरल हीलियम हस्तांतरण करने के लिए सीमा, एक तिहाई पंप एक 250 मीटर 3 / घंटा की रचना की जड़ें प्रणाली एमबार करने के लिए एक 65 मीटर 3 / घंटा रोटरी पंप (घ) द्वारा समर्थित पंप एक मैनुअल तितली वाल्व (ई) के माध्यम से cryostat से जुड़ा है।
सभी वैक्यूम सिस्टम के संचालन को नियंत्रित और एक electropneumatic कस्टम बनाया डिवाइस (एफ) द्वारा विनियमित रहे हैं। इस डिवाइस cryostat विभाजक (G) और नमूना अंतरिक्ष (ज) के आउटलेट, दूसरे / तीसरे पम्पिंग सिस्टम (ग, घ), एक संकुचित हीलियम बोतल (i) और बाहर के बीच वैक्यूम लाइन कनेक्शन को नियंत्रित करता है। (च) और बाहर के बीच संचार एक एक तरह से वाल्व (जे) के माध्यम से गुजरता है। विद्युत वायवीय डिवाइस (च) के साथ-साथ सभी मापदंडों प्रणाली और विघटन हार्डवेयर नियंत्रित और एक आम पीसी के साथ एक कस्टम निर्मित इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस interfaced USB द्वारा संचालित कर रहे हैं। अंत में सभी सिस्टम, इलेक्ट्रॉनिक माध्यम सेडिवाइस, कस्टम बनाया स्टैंडअलोन सॉफ्टवेयर (चित्रा 2 डी) जहां प्रासंगिक संचालन सॉफ्टवेयर बटन का उपयोग कर एक इंटरफेस के माध्यम से शुरू कर रहे हैं द्वारा प्रबंधित किया जाता है।
नमूना का प्रबंधन और ठोस राज्य सम्मिलित करता है की एक श्रृंखला के लिए उपयोग किया जाता है (चित्रा 3 ए) में एनएमआर संकेत बिल्ड-अप को मापने के लिए। ध्रुवीकरण के लिए cryostat तैयार करने के लिए, मुख्य नमूना डालने (क), cryostat में जगह है। मुख्य नमूना सम्मिलित एक एनएमआर का तार (ख) एक overmoded सोना चढ़ाया माइक्रोवेव गुहा के अंदर रखा के साथ प्रदान की जाती है। पूर्व फ्रीज सब्सट्रेट समाधान युक्त एक उपयुक्त नमूना कंटेनर में ध्रुवीकरण किया जा करने के लिए तरल नाइट्रोजन के तापमान पर (ध्रुवीकरण समाधान) और शीसे रेशा नमूना धारक (ग) के अंत तल पर जगह है। मुख्य नमूना डालने में नमूना धारक स्लाइड चुंबक isocenter तक पहुंचने के लिए। नमूना धारक में सोना चढ़ाया waveguide (घ) डालें। waveguide एक बाहरी स्रोत से उत्पन्न माइक्रोवेव माइक्रोवेव कम से कम नुकसान के साथ यात्रा करने की अनुमति देता है टीओ नमूना।
cryostat प्रबंधन के लिए कस्टम बनाया सॉफ्टवेयर स्वचालित रूप से संभालती है, इसी इंटरफेस बटन पर क्लिक करने पर, विभिन्न कार्यों cooldown की तरह (cryostat तापमान करीब तरल हीलियम के तापमान से कम है), भरने (cryostat एक पूर्व निर्धारित स्तर के लिए तरल हीलियम से भरा हुआ है ), (तरल हीलियम स्नान सबसे कम तापमान संभव प्राप्त करने के लिए पंप है) टी ≈ 1 कश्मीर को ठंडा, दबाव के एक अतिरिक्त कदम (cryostat थोड़ा पी पर कमरे के दबाव के ऊपर दबाव है = 10-30 मिलीबार जोखिम के बिना cryostat खोलने की अनुमति देने के ) हवा से cryostat के प्रदूषण और विघटन (DNP नमूना भंग करने और माप साइट है, यानी, एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर) के परिणामस्वरूप hyperpolarized समाधान हस्तांतरण करने के लिए स्वत: प्रक्रिया की।
ध्रुवीकरण एक ध्रुवीकरण क्षेत्र में बी 0 (94 गीगा पर माइक्रोवेव के साथ नमूना irradiating किया जाता है </sयूबी> = 3.35 टी)। एक नमूना पूरी तरह से के बाद 3 टी DNP, जहां टी DNP ध्रुवीकरण buildup समय है। टी DNP भी क्षेत्र और तापमान पर ठोस राज्य में लक्ष्य नाभिक के अनुदैर्ध्य विश्राम का समय के रूप में एक ही परिमाण के आदेश की है ध्रुवीकरण माना जाता है। हमारे सभी प्रयोगों में नमूना अधिक से अधिक 5 टी DNP के लिए ध्रुवीकरण हो गया।
ध्रुवीकरण समय के अंत में, नमूना के क्रम में एक आर टी समाधान में भंग किए जाने की enzymatic गतिविधि की माप के लिए इस्तेमाल किया जा रहा है। विघटन की प्रक्रिया के दौरान, अतितापित डी 2 विघटन डालने (चित्रा 3 बी) के बायलर से O के 5 मिलीलीटर संकुचित हीलियम गैस (पी = 6-8 बार) से धकेल रहे हैं DNP-बढ़ाया नमूना तक पहुँचने और इसे भंग करने के लिए। जिसके परिणामस्वरूप hyperpolarized समाधान संकुचित हीलियम गैस से विघटन डालने के बाहर धकेल दिया है विघटन डालने के आउटलेट के माध्यम से, (चित्रा -3 सी-बी </strong>), एक 2 मिमी भीतरी व्यास Teflon हस्तांतरण ट्यूब। समय विघटन की प्रक्रिया के लिए आवश्यक 300 मिसे समय एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर साइट के लिए DNP polarizer से नमूना हस्तांतरण के लिए आवश्यक है। 23 के बारे में 3 सेकंड है।
विघटन की प्रक्रिया एक विघटन डालने (चित्रा 3 बी) का उपयोग किया जाता है। विघटन सम्मिलित एक इलेक्ट्रॉनिक वायवीय विधानसभा से बना है (एक), एक कार्बन फाइबर छड़ी (ख) वायवीय विधानसभा में बॉयलर और नमूना कंटेनर लॉकर (ग) है, जो नमूने के साथ रिसाव से तंग युग्मन की अनुमति देता है के बीच संबंध नलियों युक्त कंटेनर, और वापस आउटलेट के बाहर। विद्युत वायवीय विधानसभा (चित्रा -3 सी) का उत्पादन और नमूना कंटेनर के लिए कार्बन फाइबर छड़ी के माध्यम से अतितापित डी ओ 2 ड्राइव और फिर cryostat से hyperpolarized समाधान निकालने के लिए प्रयोग किया जाता है। विद्युत वायवीय विधानसभा साँस का वाल्व (एक) है कि सीओ के बीच कनेक्शन पर नियंत्रण से बना हैmpressed हीलियम (पी = 6-8 बार) लाइन (ख), बॉयलर (ग) जहां डी 2 ओ के माध्यम से वाल्व (घ) इंजेक्ट किया जाता है, और आउटलेट (ई) कार्बन फाइबर छड़ी के माध्यम से (च)। प्रणाली एक दबाव जी, एक थर्मामीटर और बॉयलर (ग) में एक हीटिंग प्रतिरोधक तार, एक ट्रिगर (ज) और एक कनेक्शन बॉक्स (i) इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस के साथ प्रबंधन प्रणाली इंटरफेस करने के लिए प्रयोग किया जाता है के साथ पूरा हुआ।
DNP cryostat और एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर एक हस्तांतरण लाइन, यानी, 2 मिमी भीतरी व्यास जो अंदर hyperpolarized समाधान दबाव हीलियम से धक्का दिया है (पी = 6-8 बार) जब विघटन शुरू हो रहा है की एक PTFE ट्यूब से जुड़े हुए हैं।
, पहले 300 मिसे में अतितापित डी 2 हे आदेश पिघला और hyperpolarized जमे हुए समाधान भंग करने के लिए नमूना कंटेनर के लिए धक्का दिया है: विघटन अनुक्रम निम्नलिखित कार्यों से बना है। बाद में, hyperpolarized समाधान दबाव का मतलब द्वारा cryostat से निकाला जाता हैsurized (पी = 6-8 बार) हीलियम गैस और 2 मिमी भीतरी व्यास PTFE ट्यूब के माध्यम से धक्का दे दिया (चित्रा -3 सी-ए) माप साइट है जहाँ इंजेक्शन प्रक्रियाओं चरण में वर्णित दोनों में से किसी के साथ किया जाता है करने के लिए 6.2.1 या 6.2 कदम .2।
विघटन DNP एनएमआर सेटअप के दूसरे घटक एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर है। यहाँ बताया सेटअप में, एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर एक क्षेत्र बी 0 = 11.7 टेस्ला पर चल रही है। एक 5 मिमी एनएमआर जांच विघटन के बाद hyperpolarized संकेत को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है। एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर एनएमआर सांत्वना के माध्यम से चलाया जा रहा है, दोनों राज्य के ठोस और तरल राज्य एनएमआर माप के लिए इस्तेमाल किया, और फर्म-प्रदान की सॉफ्टवेयर XWinNMR। एक ठेठ माप एक कम फ्लिप कोण कठिन नाड़ी से बना है संकेत अधिग्रहण के बाद (या तो liquidstate या संयुक्त राष्ट्र calibrated, ठोस राज्य के मापन के लिए के लिए calibrated,)।
ठोस राज्य थर्मल ध्रुवीकरण संकेत और DNP व्युत्पन्न si की मापgnal बिल्ड-अप DNP polarizer (चित्रा 3AB) एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर के लिए युग्मित के स्थल पर कस्टम बनाया 13 सी का तार का उपयोग किया जाता है। इस विशेष स्थिति में एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर संकेत ताला प्रदर्शन नहीं करता है। जब ठोस राज्य माप बाहर किया जाता है, ध्रुवीकरण करने के लिए महत्वपूर्ण perturbations से बचने के लिए, अधिग्रहण के बीच के समय में देरी काफी देर तक होना चाहिए, मोटे तौर पर अब 0.5 टी DNP से।
राज्य के ठोस वृद्धि के रूप में परिभाषित किया गया है 
कहा पे 
hyperpolarized संकेत (3.3 कदम में प्राप्त) है और 
ठोस राज्य संकेत (3.2 चरण में पंप तरल हीलियम के तापमान पर थर्मल संतुलन पर प्राप्त) (चित्रा 4 ए) है। यह पैरामीटर घअधिक से अधिक ध्रुवीकरण एनएमआर प्रयोगों के लिए उपलब्ध है, hyperpolarized समाधान के स्थानांतरण के दौरान अपरिहार्य घाटा से पहले efines। माप एक साधारण पल्स-अधिग्रहण अनुक्रम एक संयुक्त राष्ट्र calibrated कम फ्लिप कोण नाड़ी का उपयोग कर के साथ किया जाता है। पल्स अंशांकन सामान्यतः solidstate मापन के लिए छोड़ दिया है।
एक अनुरूप प्रक्रिया तरल अवस्था में hyperpolarized संकेत वृद्धि निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इस मामले में, नमूना इंजेक्शन से पहले स्पेक्ट्रोमीटर ट्यूब में रखा (6.2 कदम) डी 2 ओ के 500 μl से बना है विघटन और इंजेक्शन के बाद, वहाँ की निगरानी के लिए दो महत्वपूर्ण मानकों हैं। पहला, एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर स्थल पर hyperpolarized वृद्धि है 
(चित्रा 4 बी), जहां 
संकेत सिर्फ हाइपर के इंजेक्शन के बाद है ध्रुवीकृत समाधान (7.1 चरण में प्राप्त) और 
थर्मल ध्रुवीकरण संकेत (7.2 चरण में प्राप्त) है। दूसरी अनुदैर्ध्य विश्राम का समय, टी 1 (चित्रा 4 बी, इनसेट), सब्सट्रेट और प्रत्येक चयापचय उत्पाद (घातीय फिटिंग चरण में 7.1 से प्राप्त संकेतों से प्राप्त) के साथ जुड़े है। इन दो मापदंडों न्यूनतम सब्सट्रेट एकाग्रता एक पर्याप्त संकेत करने वाली शोर अनुपात (SNR) और चयापचय परिवर्तनों की माप के लिए उपलब्ध समय खिड़की प्राप्त करने के लिए आवश्यक परिभाषित करते हैं। ठोस राज्य के ध्रुवीकरण के बीच का अनुपात 
और liquidstate ध्रुवीकरण 
hyperpolarized समाधान स्थानांतरण के दौरान विश्राम के कारण ध्रुवीकरण घाटे का अनुमान देता है। एक मूल्यation12 "src =" / files / ftp_upload / 53548 / 53548equation12.jpg "चौड़ाई =" 80 "/> छूट नुकसान के अभाव में मनाया जाना चाहिए।
Protocol
Representative Results
Discussion
विघटन DNP एनएमआर प्रयोग के महत्वपूर्ण बिंदु हैं: (i) सब्सट्रेट के लिए प्राप्त ध्रुवीकरण का स्तर है, जो सबसे कम उत्पाद एकाग्रता प्रयोगों के लिए आवश्यक के रूप में अच्छी तरह से संकेत अधिग्रहण किया जा सकता है ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों डॉ जे जे वान डेर Klink चुनाव और उपकरणों की विधानसभा में सहायता के लिए, साथ ही डॉ एफ Kateb और डॉ जी Bertho के रूप में उपयोगी विचार विमर्श के लिए धन्यवाद। एसी स्विस राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (PPOOP2_157547 अनुदान) द्वारा समर्थित किया गया। हम पेरिस सोरबोन तलब (एनएमआर @ कॉम, मंद एनालिटिक्स, विल डी पेरिस, Fondation डी ला Recherche MEDICALE (एफ आर ING20130526708), और Parteneriat हुबर्ट Curien Brancusi 32662QK से वित्तपोषण स्वीकार करते हैं। हमारी टीम Equipex कार्यक्रमों पेरिस-एन-प्रतिध्वनि का हिस्सा है और CACSICE।
Materials
| DNP polarizer | Vanderklink s.a.r.l (Switzerland) | /// | Cryostat and electronic equipment for sample polarization |
| Vacuum system components | Edwards vacuum (France) | Various |
– turbomolecular pumping setup – membrane pumping setup – high capacity roots pumping system – vacuum fittings and components |
| DNP 3.35T Magnet | Bruker (France) | ||
| 500MHz NMR Spectrometer | Bruker (France) | ||
| Origin 8.0 | OriginLab (US) | Data analysis software | |
| Chemicals | |||
| SODIUM PYRUVATE-1-13C, 99 ATOM % 13C | Sigma Aldrich (France) | 490709 | |
| ETHANOL-D6, ANHYDROUS, 99.5 ATOM % D | Sigma Aldrich (France) | 186414 | |
| 4-Hydroxy-TEMPO 97% | Sigma Aldrich (France) | 176141 | |
| Deuterium oxide | Sigma Aldrich (France) | 151882 | |
| reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) | Sigma Aldrich (France) | ||
| ethylene-diaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich (France) | ||
| dithiothreitol (DTT) | Sigma Aldrich (France) | ||
| phosphate buffer, pH = 7.0 | Sigma Aldrich (France) | ||
| LDH enzyme in | Sigma Aldrich (France) | L-2500 | |
| bovine serum albumin, BSA | Sigma Aldrich (France) |
References
- Overhauser, A. W. Polarization of Nuclei in Metals. Phys. Rev. 92 (2), 411-415 (1953).
- Abragam, A., Goldman, M. Principles of dynamic nuclear polarisation. Rep. Prog. Phys. 41 (3), 395 (1978).
- Wolber, J., Ellner, F., et al. Generating highly polarized nuclear spins in solution using dynamic nuclear polarization. Nuc. Inst. Met. Phys. Res. Sec. A. 526 (1-2), 173-181 (2004).
- Cheng, T., Capozzi, A., Takado, Y., Balzan, R., Comment, A. Over 35% liquid-state 13C polarization obtained via dissolution dynamic nuclear polarization at 7 T and 1 K using ubiquitous nitroxyl radicals. PCCP. 15 (48), 20819-20822 (2013).
- Ardenkjaer-Larsen, J. H., Fridlund, B., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. PNAS. 100 (18), 10158-10163 (2003).
- Day, S. E., Kettunen, M. I., et al. Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy. Nat. Med. 13 (11), 1382-1387 (2007).
- Keshari, K. R., Wilson, D. M., et al. Hyperpolarized [2-13C]-Fructose: A Hemiketal DNP Substrate for In Vivo Metabolic Imaging. JACS. 131 (48), 17591-17596 (2009).
- Zeng, H., Lee, Y., Hilty, C. Quantitative Rate Determination by Dynamic Nuclear Polarization Enhanced NMR of a Diels−Alder Reaction. An. Chem. 82 (21), 8897-8902 (2010).
- Harrison, C., Yang, C., et al. Comparison of kinetic models for analysis of pyruvate-to-lactate exchange by hyperpolarized 13C NMR. NMR in Biom. 25 (11), 1286-1294 (2012).
- Allouche-Arnon, H., Gamliel, A., Sosna, J., Gomori, J. M., Katz-Brull, R. In vitro visualization of betaine aldehyde synthesis and oxidation using hyperpolarized magnetic resonance spectroscopy. Chem. Comm. 49 (63), 7076-7078 (2013).
- Lerche, M. H., Meier, S., et al. Quantitative dynamic nuclear polarization-NMR on blood plasma for assays of drug metabolism. NMR in Biom. 24 (1), 96-103 (2011).
- Nelson, S. J., Kurhanewicz, J., et al. Metabolic Imaging of Patients with Prostate Cancer Using Hyperpolarized [1-13C]Pyruvate. Sci. Trans. Med. 5 (198), 198ra108 (2013).
- Kurhanewicz, J., Vigneron, D. B., et al. Analysis of Cancer Metabolism by Imaging Hyperpolarized Nuclei: Prospects for Translation to Clinical Research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
- Comment, A., Merritt, M. E. Hyperpolarized Magnetic Resonance as a Sensitive Detector of Metabolic Function. Biochem. 53 (47), 7333-7357 (2014).
- Carravetta, M., Johannessen, O. G., Levitt, M. H. Beyond the T-1 limit: Singlet nuclear spin states in low magnetic fields. PRL. 92 (15), 153003 (2004).
- Carravetta, M., Levitt, M. H. Theory of long-lived nuclear spin states in solution nuclear magnetic resonance. I. Singlet states in low magnetic field. J. Chem. Phys. 122 (21), 214505 (2005).
- Vasos, P. R., Comment, A., et al. Long-lived states to sustain hyperpolarized magnetization. PNAS. 106 (44), 18469-18473 (2009).
- Claytor, K., Theis, T., Feng, Y., Warren, W. Measuring long-lived 13C2 state lifetimes at natural abundance. JMR. 239, 81-86 (2014).
- Pileio, G., Carravetta, M., Hughes, E., Levitt, M. H. The long-lived nuclear singlet state of N-15-nitrous oxide in solution. JACS. 130 (38), 12582-12583 (2008).
- Stevanato, G., Hill-Cousins, J. T., et al. A Nuclear Singlet Lifetime of More than One Hour in Room-Temperature Solution. Ange. Chem. Int. Ed. 54 (12), 3740-3743 (2015).
- Ghosh, R. K., Kadlecek, S. J., et al. Measurements of the Persistent Singlet State of N(2)O in Blood and Other Solvents-Potential as a Magnetic Tracer. MRM. 66 (4), 1177-1180 (2011).
- Harris, T., Eliyahu, G., Frydman, L., Degani, H. Kinetics of hyperpolarized 13C1-pyruvate transport and metabolism in living human breast cancer cells. PNAS. 106 (43), 18131-18136 (2009).
- Comment, A., van den Brandt, B., et al. Design and performance of a DNP prepolarizer coupled to a rodent MRI scanner. Conc. Mag. Res. B. 31 (4), 255-269 (2007).
- Balzan, R. . Methods for Molecular Magnetic Resonance Imaging and Magnetic Resonance Spectroscopy using Hyperpolarized Nuclei. 5966, 1-140 (2013).
- Bornet, A., Melzi, R., et al. Boosting Dissolution Dynamic Nuclear Polarization by Cross Polarization. JPC Letters. 4 (1), 111-114 (2013).
- Bowen, S., Hilty, C. Rapid sample injection for hyperpolarized NMR spectroscopy. PCCP. 12 (22), 5766-5770 (2010).
- Cavadini, S., Vasos, P. R. Singlet states open the way to longer time-scales in the measurement of diffusion by NMR spectroscopy. Conc. Mag. Res. A. 32 (1), 68-78 (2008).
- Ahuja, P., Sarkar, R., Vasos, P. R., Bodenhausen, G. Long-lived States in Multiple-Spin Systems. Chem. Phys. Chem. 10 (13), 2217-2220 (2009).
- Ahuja, P., Sarkar, R., Jannin, S., Vasos, P. R., Bodenhausen, G. Proton hyperpolarisation preserved in long-lived states. Chem. Comm. 46 (43), 8192-8194 (2010).
- Sarkar, R., Comment, A., et al. Proton NMR of 15N-Choline Metabolites Enhanced by Dynamic Nuclear Polarization. JACS. 131 (44), 16014-16015 (2009).
