Măsurarea Spin-Lattice Relaxare Dependența câmpului magnetic al piruvatului hiperpolarizat 1-13C
rezumat
Prezentăm un protocol pentru măsurarea dependenței de câmp magnetic a timpului de relaxare spin-rețea a compușilor hiperpolarizați îmbogățiți cu 13 C, prin intermediul polarizării nucleare dinamice, utilizând relaxometria rapidă a ciclului de câmp. Mai precis, am demonstrat-o cu piruvatul [1-13 C], dar protocolul ar putea fi extins la alte substraturi hiperpolarizate.
Abstract
Introducere
Relaxarea lentă a rețelei este esențială pentru detectarea in vivo cu MRSI. Timpii de relaxare în spin-lattice (T1s) de ordinul a zeci de secunde sunt posibili pentru nucleele cu raporturi giromagnetice scăzute în molecule mici în soluție. Mai mulți factori fizici influențează transferul de energie între o tranziție de centrifugare nucleară și mediul său (zăbrele), ducând la relaxare, inclusiv intensitatea câmpului magnetic, temperatura și conformația moleculară 27. Relaxarea dipolară este redusă la molecule pentru pozițiile carbonului fără protoni atașați direct, iar deuterizarea mediilor de dizolvare poate reduce și mai mult relaxarea dipolară intermoleculară. Din păcate, solvenții deuterizați au capacități limitate de a prelungi relaxarea in vivo. Relaxarea crescută a carbonililor sau a acizilor carboxilici (cum ar fi piruvatul) poate apărea la forțe mari ale câmpului magnetic datorită anizotropiei de schimbare chimică. Prezența impurităților paramagnetice din calea fluidului în timpul dizolvării după polarizare poate provoca relaxare rapidă și trebuie evitată sau eliminată folosind chelatori.
Există foarte puține date pentru relaxarea compușilor care conțin 13 C în câmpuri joase, unde relaxarea rețelei de centrifugare ar putea fi mult mai rapidă. Cu toate acestea, este important să se măsoare T1 la câmpuri joase pentru a înțelege relaxarea atunci când se prepară agentul utilizat pentru imagistica in vivo, deoarece agenții de contrast hiperpolarizați sunt de obicei livrați de pe dispozitivul DNP apropiat sau din apropiere în câmpul terestru. Alți factori fizici, cum ar fi concentrația de substrat îmbogățit cu 13 C, pH-ul soluției, tampoanele și temperatura influențează, de asemenea, relaxarea și, prin urmare, afectează formularea agentului. Toți acești factori sunt critici în determinarea parametrilor cheie în optimizarea procesului de dizolvare DNP și în calcularea magnitudinii pierderii de semnal care are loc la transportul eșantionului de la dispozitivul DNP la magnetul de imagine.
Măsurătorile de dispersie prin rezonanță magnetică nucleară (RmND), adică măsurătorile T1, în funcție de câmpul magnetic, sunt obținute de obicei folosind un spectrometru RMN. Pentru a obține aceste măsurători, ar putea fi utilizată o metodă de închidere în care proba este transportată mai întâi din spectrometru pentru a se relaxa într-un câmp determinat de poziția sa în câmpul marginal al magnetului 28, 29, 30 și apoi transferat rapid la magnetul RMN în măsurați magnetizarea rămasă. Prin repetarea acestui proces în același punct al câmpului magnetic, dar cu perioade crescute de relaxare, se poate obține o curbă de relaxare, care poate fi apoi analizată pentru a estima T1.
Folosim o tehnică alternativă cunoscută sub numele de relaxometrie 31, 32, 33 cu ciclism rapid pe câmp pentru a obține datele noastre RMN. Am modificat un relaxometru comercial pentru biciclete de teren (vezi Tabel de materiale), pentru măsurătorile T1 ale soluțiilor care conțin nuclee hiperpolarizate de 13 C. Comparativ cu metoda navetei, ciclul de câmp permite acestui relaxometru să dobândească sistematic date RMN într-un interval mai mic de câmpuri magnetice (0,25 mT la 1 T). Acest lucru se realizează prin schimbarea rapidă a câmpului magnetic în sine, nu a locației probei în câmpul magnetic. Prin urmare, un eșantion poate fi magnetizat la o intensitate mare a câmpului, „relaxat” la o intensitate mai mică a câmpului și apoi măsurat prin achiziționarea unei inducții de descompunere liberă la un câmp fix (și frecvența Larmor) pentru a maximiza semnalul. Aceasta înseamnă că temperatura eșantionului poate fi controlată în timpul măsurării, iar sonda RMN nu trebuie setată la fiecare câmp de relaxare, favorizând achiziția automată pe întreaga gamă de câmp magnetic.
Concentrându-ne eforturile asupra distribuției și efectelor de transport ale soluțiilor hiperpolarizate la câmpuri magnetice reduse, această lucrare prezintă o metodologie detaliată pentru a măsura timpul de relaxare spin-rețea a 13-piruvatului hiperpolarizat utilizând relaxometrie de câmp rapid pentru câmpuri magnetice de ordinul a 0,237 mT la 0,705 T. Principalele rezultate ale utilizării acestei metodologii au fost deja prezentate pentru [1-13 C] piruvat 34 și 13 C bicarbonat de sodiu și cesiu 35 îmbogățit unde au fost studiați și alți factori, cum ar fi concentrația radicală și pH-ul dizolvării.
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Protocol
1. Pregătirea probei
NOTĂ: Pașii 1.1-1.8 se efectuează o singură dată
NOTĂ Vă rugăm să consultați tabelul 1 pentru a înțelege mai bine selecția și utilizarea diferiților parametri descriși în pașii următori. Înainte de dizolvare, ar trebui calculat unghiul de răsucire a relaxometrului și relaxometrul ar trebui să fie configurat și gata pentru măsurarea soluției hiperpolarizate (vezi mai jos).
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Rezultate reprezentative
Figura 2 prezintă un exemplu de scanare cu microunde de înaltă rezoluție pentru detectarea acidului piruvic. Pentru cazul prezentat, această frecvență optimă a cuptorului cu microunde corespunde cu 94,128 GHz, accentuată în inserția din figură. Sistemul nostru DNP poate funcționa în mod normal în intervalul 93.750 GHz până la 94.241 GHz cu dimensiunea pasului de 1 MHz, timpul de polarizare de până la 600 s și puterea de până la 100 mW. O gamă completă de frecvențe este studiată numai pentru substraturi noi. Cu toate acestea, pe baza experienței anterioare cu acidul C-piruvic 13, ne-am aștepta ca frecvența optimă să fie de aproximativ 94,127 GHz. Prin urmare, se utilizează în general un interval de analiză între 94,117 GHz până la 94,137 GHz, cu o dimensiune a pasului de 1 MHz și un timp de eșantionare de 300 s cu 50 mW de putere.
Coloana din stânga din figura 3 prezintă rezultatele calibrării unghiului de vârf pentru acidul piruvic [1-13 C], care implică achiziționarea unei serii de măsurători ale semnalului în funcție de o lățime variabilă a impulsului RF liniar pentru a determina lățimea impulsului corespunzătoare unui unghi de rotație de 90 și 180 de grade pentru nucleele de 13 C. Lățimea impulsului care asigură amplitudinea maximă corespunde unui unghi de înclinare de 90 de grade, iar trecerea la nivelul zero corespunde unui unghi de înclinare de 180 de grade. Relația dintre cele două lățimi ale impulsurilor ar trebui să fie un factor de două.