Måle spin-gitter avslapning magnetisk felt avhengighet av Hyperpolarized [1-13C] pyruvat

Summary

Vi presenterer en protokoll for å måle magnetfeltet avhengighet av Spin-gitter avslapning tid på ¹³C-beriket forbindelser, hyperpolarized ved hjelp av dynamisk kjernefysisk polarisering, ved hjelp av raske felt-syklet relaxometry. Nærmere bestemt har vi demonstrert dette med [1-¹³C] pyruvat, men protokollen kan utvides til andre hyperpolarized underlag.

Abstract

Den grunnleggende grense for in vivo Imaging anvendelser av hyperpolarized ¹³C-beriket forbindelser er deres endelig spin-gitter avslapning ganger. Ulike faktorer påvirker avslapping priser, for eksempel buffer sammensetning, oppløsning pH, temperatur og magnetfelt. I denne siste aktelse, spin-gitter avslapping tid kan måles på klinisk felt styrker, men på lavere felt, hvor disse forbindelsene er utlevert fra polarisator og transportert til MRI, er avslapning enda raskere og vanskelig å måle. Å ha en bedre forståelse av mengden av magnetization tapt under transport, vi brukte rask felt-sykling relaxometry, med magnetisk resonans deteksjon av ¹³C kjerner på ~ 0,75 T, for å måle kjernefysisk magnetisk resonans dispersjon av spin-gitter avslapning tid for hyperpolarized [1-¹³C] pyruvat. Oppløsning dynamisk kjernefysisk polarisering ble brukt til å produsere hyperpolarized prøver av pyruvat ved en konsentrasjon av 80 mmol/L og Fysiologiske pH (~ 7,8). Disse løsningene ble raskt overført til et raskt felt-sykling relaxometer slik at avslapping av prøven magnetization kan måles som en funksjon av tid ved hjelp av en kalibrert liten flip vinkel (3 °-5 °). For å kartlegge T₁ dispersjon av C-1 av pyruvat, registrerte vi data for ulike avslapping felt som spenner mellom 0,237 mT og 0,705 T. Med denne informasjonen, bestemte vi en empirisk ligning å anslå spin-gitter avslapning av hyperpolarized underlaget innenfor de nevnte utvalg av magnetiske felt. Disse resultatene kan brukes til å forutsi mengden av magnetization som går tapt under transport og for å forbedre eksperimentell design for å minimere signaltap.

Introduction

Magnetisk resonans spektroskopiske Imaging (MRSI) kan produsere romlige kart over metabolitter oppdages av spektroskopiske Imaging, men praktisk bruk er ofte begrenset av sin relativt lav følsomhet. Denne lave følsomheten av in vivo magnetisk resonans imaging og spektroskopi metoder stammer fra den lille graden av kjernefysiske magnetization oppnåelig ved kropps temperaturer og rimelig magnetfelt styrker. Imidlertid kan denne begrensningen overvinnes ved bruk av dynamiske kjernefysiske polarisering (DNP) for å øke betraktelig i vitro magnetization av flytende underlag, som senere injiseres for å granske in vivo metabolisme bruker MRSI^{1,2 , 3} andre priser ^{, 4}. DNP er i stand til å forbedre magnetization av de fleste kjerner med ikke-Zero Nuclear spin og har blitt brukt til å øke in vivo MRSI følsomhet på ¹³C-beriket forbindelser som pyruvat^5,6, bikarbonat ^7,8, fumarat⁹, melkesyre¹⁰, glutamin¹¹, og andre med mer enn fire størrelsesordener¹². Dens anvendelser omfatter bildebehandling av vaskulær sykdom^13,14,15, orgel^-13,16,17,18, kreft deteksjon^{1,19,20,21,22}, tumor staging^23,24, og kvantifisering av terapeutisk respons^{2 , 6} andre priser ^{, 23} andre ^{, 24} priser og ^{, 25} priser og ^, og ²⁶.

Langsom spin-gitter avslapping er viktig for in vivo deteksjon med MRSI. Spin-gitter avslapping ganger (T₁s) på rekkefølgen av titalls sekunder er mulig for kjerner med lav gyromagnetic prosenter innen små molekyler i løsningen. Flere fysiske faktorer påvirker overføring av energi mellom en kjernefysisk spin overgang og dens miljø (gitter) fører til avslapping, inkludert magnetfeltet styrke, temperatur og molekylær konformasjon²⁷. Dipolar avslapping er redusert i molekyler for karbon posisjoner uten protoner direkte festet, og deuteration av oppløsning Media kan ytterligere redusere Intermoleylære Dipolar avslapping. Dessverre, deuterert løsemidler har begrensede evner til å forlenge in vivo avslapping. Økt avslapping av karbonyl eller kar bok syls syrer (som pyruvat) kan forekomme ved høye magnetfelt styrker på grunn av kjemiske Skift anisotropien. Tilstedeværelsen av spinn urenheter fra væske banen under oppløsning etter polarisering kan føre til rask avslapping og må unngås eller elimineres ved hjelp av chelater.

Svært lite data finnes for avslapning av ¹³C-inneholder forbindelser på lave felt, der spin-gitter avslapping kan være betydelig raskere. Det er imidlertid viktig å måle T₁ ved lave felt for å forstå avslapping under utarbeidelse av agenten brukes til in vivo Imaging, siden hyperpolarized kontrast agentene er vanligvis utlevert fra DNP apparatet nær eller på jordens Feltet. Ytterligere fysiske faktorer som ¹³C-beriket substrat konsentrasjon, oppløsning pH, buffere og temperatur også påvirke avslapping, og følgelig ha en effekt på formuleringen av agenten. Alle disse faktorene er avgjørende i fastsettelse av viktige parametre i å optimalisere DNP oppløsning prosessen, og beregning av omfanget av signaltap som oppstår i transport av prøven fra DNP apparatet til Imaging magnet.

Kjernefysisk magnetisk resonans dispersjon (NMRD) målinger, dvs. T₁ målinger, som en funksjon av magnetfelt er vanligvis ervervet ved hjelp av en NMR spektrometer. For å oppnå disse målingene, kan en skytteltrafikk metode brukes der prøven først skytteltrafikk ut av spektrometer å slappe av på noen felt bestemmes av sin posisjon i utkanten feltet av magnet^28,29,30 og deretter raskt overført tilbake til NMR magnet for å måle sin gjenværende magnetization. Ved å gjenta denne prosessen på samme punkt i det magnetiske feltet, men med økende perioder med avslapping, kan en avslapping kurve fås, som deretter kan analyseres for å anslå T₁.

Vi bruker en alternativ teknikk kjent som fast Field-sykling relaxometry^31,32,33 å erverve våre NMRD data. Vi har endret et kommersielt felt-sykling relaxometer (se tabell over materialer), for T₁ målinger av løsninger som inneholder hyperpolarized ¹³C kjerner. Sammenlignet med shuttle-metoden, gjør felt sykling dette relaxometer å systematisk erverve NMRD data over et mindre utvalg av magnetiske felt (0,25 mT til 1 T). Dette gjøres ved raskt å endre det magnetiske feltet selv, ikke prøven sted i det magnetiske feltet. Derfor kan en prøve være magnetisert på et høyt feltstyrke, “avslappet” på et lavere feltstyrke, og deretter målt ved oppkjøp av en fri induksjon-forråtnelse på et fast felt (og Larmor frekvens) for å maksimere signalet. Dette betyr at prøvetemperaturen kan styres under målingen, og NMR-proben trenger ikke å stilles inn på hvert rekreasjons felt for å fremme automatisk anskaffelse over hele det magnetiske feltområdet.

Fokusering vår innsats til virkningene av utlevering og transport av hyperpolarized løsninger ved lave magnetiske felt, dette arbeidet presenterer en detaljert metodikk for å måle spin-gitter avslapning tid på hyperpolarized ¹³C-pyruvat bruker rask felt-sykling relaxometry for magnetiske felt i størrelsesområdet 0,237 mT til 0,705 T. De viktigste resultatene av å bruke denne metodikken har vært tidligere presentert for [1-¹³C] pyruvat³⁴ og ¹³c-beriket natrium og cesium bikarbonat³⁵ der andre faktorer som radikal konsentrasjon og oppløsning pH har også blitt studert.

Protocol

1. prøveforberedelse Merk: trinn 1.1-1.8 utføres bare én gang Forbered 1 ml lager 13C-beriket pyruvic yre løsning, mye brukt for in vivo Research1,2,5,6, bestående av 15-mmol/L av triarylmethyl radikale oppløst i [1- 13 på alle C] pyruvic yre (se tabell over materialer). Alikvoter fra denne lagerløsnin…

Representative Results

Figur 2 presenterer et eksempel på en høyoppløselig full-Range mikrobølgeovn feie for pyruvic syre. For det presenterte tilfellet, at optimal mikrobølgeovn tilsvarer 94,128 GHz, uthevet i figuren setter inn. Våre DNP systemet kan normalt fungere i størrelsesklasse av 93,750 GHz til 94,241 GHz med trinn størrelse på 1 MHz, polarisering tid på opp til 600 s, og kraft av opptil 100 mW. Et bredt spekter av frekvenser er undersøkt kun for romanen underlag. Men, basert på tidligere erf…

Discussion

Bruk av DNP å forbedre signalet oppkjøpet er en teknisk løsning for utilstrekkelig magnetisk resonans signal tilgjengelig fra ¹³C kjerner ved begrensede konsentrasjoner, som de som brukes i dyre injeksjoner, men presenterer andre eksperimentelle utfordringer. Hver måling av avslapping vist i figur 7 representerer en måling av et unikt forberedt prøve fordi det ikke kan repolarized etter oppløsning for ved ny måling. Dette fører uunngåelig til eksperimentell variasjon på…

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