Medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de Hyperpolarizado [1-13C] piruvato

Summary

Nós apresentamos um protocolo para medir a dependência do campo magnético do tempo do abrandamento da girar-estrutura de ¹³C-compostos enriquecidos, hyperpolarizado por meio da polarização nuclear dinâmica, usando o relaxometry Field-Cycled rápido. Especificamente, temos demonstrado isso com [1-¹³C] piruvato, mas o protocolo pode ser estendido para outros substratos hiperpolarizados.

Abstract

O limite fundamental para as aplicações de imagem in vivo de ¹³C hiperpolarizada-compostos enriquecidos é o seu tempo de relaxamento finito-treliça. Vários fatores afetam as taxas de relaxamento, como composição tampão, pH da solução, temperatura e campo magnético. Neste último aspecto, o tempo de relaxamento da centrifugação pode ser medido em pontos fortes do campo clínico, mas em campos inferiores, onde estes compostos são dispensados do polarizador e transportados para a RM, o relaxamento é ainda mais rápido e difícil de medir. Para ter uma compreensão melhor da quantidade de magnetização perdida durante o transporte, nós usamos a Relaxometria rápida do campo-ciclagem, com deteção da ressonância magnética de núcleos de ¹³C em ~ 0,75 T, para medir a dispersão nuclear da ressonância magnética do Spin-lattice tempo de relaxamento de hiperpolarizada [1-¹³C] piruvato. A polarização nuclear dinâmica da dissolução foi usada para produzir amostras hyperpolarizada do piruvato em uma concentração de 80 mmol/L e do pH fisiológico (~ 7,8). Estas soluções foram transferidas ràpida a um relaxometer rápido do campo-ciclagem de modo que o abrandamento da magnetização da amostra pudesse ser medido em função do tempo usando um ângulo pequeno calibrado da aleta (3 °-5 °). Para mapear a dispersão t₁ do C-1 de piruvato, registramos dados para diferentes campos de relaxamento variando entre 0,237 MT e 0,705 T. Com esta informação, nós determinamos uma equação empírica para estimar o abrandamento da girar-estrutura do substrato hyperpolarizado dentro da escala mencionada de campos magnéticos. Estes resultados podem ser usados para prever a quantidade de magnetização perdida durante o transporte e para melhorar projetos experimentais para minimizar a perda de sinal.

Introduction

A imagem latente espectroscópica da ressonância magnética (MRSI) pode produzir mapas espaciais dos metabolitos detectados pela imagem latente espectroscópica, mas seu uso prático é limitado frequentemente por sua sensibilidade relativamente baixa. Esta baixa sensibilidade da imagem latente de ressonância magnética in vivo e dos métodos da espectroscopia decorre do pequeno grau de magnetização nuclear alcançável em temperaturas de corpo e de forças de campo magnéticas razoáveis. No entanto, essa limitação pode ser superada pelo uso de polarização nuclear dinâmica (DNP) para aumentar consideravelmente a magnetização in vitro de substratos líquidos, que são posteriormente injetados para sondar o metabolismo in vivo usando MRSI^{1,2 , 3. º , 4}. DNP é capaz de melhorar a magnetização da maioria dos núcleos com não-zero nuclear spin e tem sido usado para aumentar in vivo MRSI sensibilidade de ¹³C-compostos enriquecidos, tais como piruvato^{5,6, bicarbonato 7,8,}fumarato⁹, lactato¹⁰, glutamina¹¹e outros por mais de quatro ordens de magnitude¹². Suas aplicações incluem a imagem latente da doença vascular^13,14,15, perfusão do órgão^13,16,17,18, cancro detecção^{1,19,20,21,22}, estadiamento tumoral^23,24e quantificação da resposta terapêutica^{2 , 6} anos de ^{, 23} anos de ^{, 24} de cada ^{, 25} anos de ^, a ²⁶.

O abrandamento lento da girar-estrutura é essencial para a deteção in vivo com MRSI. Os tempos do abrandamento da girar-estrutura (T₁s) na ordem de dez dos segundos são possíveis para núcleos com baixas relações giromagnético dentro das moléculas pequenas na solução. Vários fatores físicos influenciam a transferência de energia entre uma transição de spin nuclear e seu ambiente (lattice) levando ao relaxamento, incluindo a força do campo magnético, a temperatura e a conformação molecular²⁷. O abrandamento dipolar é reduzido nas moléculas para posições do carbono sem os prótons Unidos diretamente, e o deuteração de meios da dissolução pode mais reduzir o abrandamento dipolar intermolecular. Infelizmente, os solventes deuterado têm habilidades limitadas para estender in vivo o abrandamento. O aumento do relaxamento de carbonilos ou ácidos carboxílicos (como o piruvato) pode ocorrer em altas dosagens de campo magnético devido ao deslocamento químico anisotropia. A presença de impurezas paramagnéticas do trajeto fluido durante a dissolução após a polarização pode causar relaxamento rápido e precisa ser evitada ou eliminada usando quelantes.

Existem poucos dados para o relaxamento de ¹³C contendo compostos em campos baixos, onde o relaxamento spin-lattice poderia ser significativamente mais rápido. No entanto, é importante medir a T₁ em campos baixos para compreender o relaxamento durante a preparação do agente utilizado para a imagem in vivo, uma vez que os agentes de contraste hiperpolarizado são geralmente dispensados do aparelho DNP próximo ou na terra Campo. Fatores físicos adicionais, como ¹³C-concentração de substrato enriquecido, pH da solução, buffers e temperatura também influenciam o relaxamento e, consequentemente, têm um efeito sobre a formulação do agente. Todos esses fatores são essenciais para a determinação de parâmetros-chave na otimização do processo de dissolução da DNP, e o cálculo da magnitude da perda de sinal que ocorre no transporte da amostra do aparelho DNP para o ímã de imagem.

Medições de dispersão de ressonância magnética nuclear (NMRD), ou seja, medições de T₁ , como uma função do campo magnético são tipicamente adquiridas usando um ESPECTRÓMETRO de RMN. Para adquirir estas medições, um método de shuttling poderia ser usado onde a amostra é primeiramente shuttled fora do espectrómetro para relaxar em algum campo determinado por sua posição no campo da franja do ímã^28,29,30 e então transferido ràpida de volta no ímã de RMN para medir sua magnetização restante. Ao repetir este processo no mesmo ponto no campo magnético, mas com períodos crescentes de relaxamento, pode-se obter uma curva de relaxamento, que pode então ser analisada para estimar a T₁.

Utilizamos uma técnica alternativa conhecida como Relaxometria de ciclismo de campo rápido^31,32,33 para adquirir os nossos dados nmrd. Modificamos um relaxante de ciclismo de campo comercial (ver tabela de materiais), para medições T₁ de soluções contendo núcleos hiperpolarizados de ¹³C. Comparado com o método do transporte, o campo-ciclagem permite que este relaxometer adquira sistematicamente dados de NMRD sobre uma escala menor de campos magnéticos (0,25 mT a 1 T). Isto é conseguido mudando ràpida o campo magnético próprio, não a posição da amostra no campo magnético. Conseqüentemente, uma amostra pode ser magnetizada em uma força elevada do campo, “relaxed” em uma força mais baixa do campo, e medido então pela aquisição de uma livre-indução-deterioração em um campo fixo (e na freqüência de Larmor) para maximizar o sinal. Isso significa que a temperatura da amostra pode ser controlada durante a medição, e a sonda NMR não precisa ser sintonizada em cada campo de relaxamento promovendo a aquisição automática em toda a faixa de campo magnético.

Concentrando nossos esforços para os efeitos da dispensação e transporte das soluções hiperpolarizada em campos magnéticos baixos, este trabalho apresenta uma metodologia detalhada para medir o tempo de relaxação do spin-lattice de ¹³C hiperpolarizado-piruvato usando rápido Relaxometria campo-ciclismo para campos magnéticos na faixa de 0,237 mT a 0,705 T. Os principais resultados da utilização desta metodologia foram previamente apresentados para [1-¹³c] piruvato³⁴ e ¹³c-enriquecido com sódio e bicarbonato de césio³⁵ onde outros fatores como a concentração radical e pH de dissolução têm também foram estudados.

Protocol

1. preparação da amostra Nota: as etapas 1.1-1.8 são executadas apenas uma vez Prepare 1 ml de solução de ácido pirúvico enriquecido com 13C, amplamente utilizado para a pesquisa in vivo 1,2,5,6, consistindo de 15-mmol/L de radical triarylmethyl dissolvido em [1- 13 anos de C] ácido pirruvico (ver tabela de mat…

Representative Results

A Figura 2 apresenta um exemplo de uma varredura de microondas de alta resolução de gama completa para o ácido pirruvic. Para o caso apresentado, que a freqüência óptima da microonda corresponde a 94,128 gigahertz, realçado na inserção da figura. Nosso sistema de DNP pode normalmente trabalhar na escala de 93,750 gigahertz a 94,241 gigahertz com tamanho da etapa de 1 megahertz, tempo da polarização de até 600 s, e potência de até 100 mW. Uma gama completa de frequências é inv…

Discussion

O uso de DNP para aumentar a aquisição de sinal é uma solução técnica para o sinal de ressonância magnética insuficiente disponível a partir de núcleos de ¹³C em concentrações limitadas, como aqueles utilizados em injeções de animais, mas apresenta outros desafios experimentais. Cada medida de relaxamento mostrada na Figura 7 representa uma medida de uma amostra preparada exclusivamente porque não pode ser repolarizada após a dissolução para a remensuração. Ist…

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