Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

قياس الاسترخاء تدور شعرية الاعتماد المجال المغناطيسي من فرط الاستقطاب [1-13C] بيروفات

Published: September 13, 2019 doi: 10.3791/59399
Automatic Translation
1, 2, 1,2,3
1Department of Medical Biophysics, Western University, 2Imaging Research Laboratory, Robarts Research Institute, Western University, 3Ontario Institute for Cancer Research

Summary

نقدم بروتوكولا لقياس الاعتماد على المجال المغناطيسي من وقت الاسترخاء تدور شعرية من 13مركبات C المخصب، والاستقطاب المفرط عن طريق الاستقطاب النووي الديناميكي، وذلك باستخدام قياس الاسترخاء بسرعة الميدان دورة. على وجه التحديد، لقد أثبتنا هذا مع[1-13C]pyruvate، ولكن يمكن توسيع البروتوكول إلى ركائز أخرى شديدة الاستقطاب.

Abstract

الحد الأساسي في تطبيقات التصوير في الجسم الحي من المركبات الشديدة الاستقطاب 13C المخصب هو أوقات الاسترخاء تدور شعرية محدودة. عوامل مختلفة تؤثر على معدلات الاسترخاء، مثل تكوين العازلة، ودرجة الحموضة الحل، ودرجة الحرارة، والمجال المغناطيسي. في هذا الصدد الأخير، يمكن قياس وقت الاسترخاء تدور شعرية في نقاط القوة المجال السريري، ولكن في الحقول السفلى، حيث يتم الاستغناء عن هذه المركبات من الاستقطاب ونقلها إلى التصوير بالرنين المغناطيسي، والاسترخاء هو أسرع وصعبة لقياس. للحصول على فهم أفضل لكمية المغناطيسية المفقودة أثناء النقل، استخدمنا سريع الميدان ركوب الدراجات relaxometry، مع الكشف عن الرنين المغناطيسي من 13C النوى في ~ 0.75 T، لقياس تشتت الرنين المغناطيسي النووي لل [سبين-كلتيك] استرخاء وقت من [هبربولّد][1-13[ك][بيروفات]. وقد استخدم الاستقطاب النووي الديناميكي للانحلال لإنتاج عينات شديدة الاستقطاب من البيروفات بتركيز قدره 80 مليمول/لتر والأس الهيدروجيني الفسيولوجي (حوالي 7.8). تم نقل هذه الحلول بسرعة إلى مقياس الاسترخاء سريع الدراجات الميدانية بحيث يمكن قياس الاسترخاء من مغنطة عينة كدالة للوقت باستخدام زاوية الوجه الصغيرة معايرة (3 °-5 °). لتعيين تشتت T1 من C-1 من بيروفات، سجلنا بيانات لمجالات الاسترخاء المختلفة التي تتراوح بين 0.237 mT و 0.705 T. مع هذه المعلومات، حددنا معادلة تجريبية لتقدير الاسترخاء تدور شعرية من الركيزة فرط الاستقطاب ضمن مجموعة المذكورة من المجالات المغناطيسية. ويمكن استخدام هذه النتائج للتنبؤ بكمية الممغنطة المفقودة أثناء النقل ولتحسين التصاميم التجريبية لتقليل فقدان الإشارة.

Introduction

التصوير الطيفي بالرنين المغناطيسي (MRSI) يمكن أن تنتج خرائط مكانية من الأيض الكشف عن طريق التصوير الطيفي، ولكن استخدامه العملي غالبا ما يكون محدودا بسبب حساسيته منخفضة نسبيا. هذه الحساسية المنخفضة في التصوير بالرنين المغناطيسي في الجسم الحي وطرق التحليل الطيفي تنبع من درجة صغيرة من المغناطيسية النووية التي يمكن تحقيقها في درجات حرارة الجسم ونقاط القوة المجال المغناطيسي معقولة. ومع ذلك، يمكن التغلب على هذا القيد باستخدام الاستقطاب النووي الديناميكي (DNP) لتعزيز كبير في المختبر مغنطة من ركائز السائل، والتي يتم حقنها في وقت لاحق للتحقيق في التمثيل الغذائي في الجسم الحي باستخدام MRSI1،2 , 3 , 4.DNP قادرة على تعزيز مغنطة معظم النوى مع تدور النووية غير صفر، وقد استخدمت لزيادة في حساسية MRSI الجسم الحي من 13مركبات C المخصب مثل بيروفات5،6،بيكربونات 7،8، fumarate9، اللاكتات10، الجلوتامين11، وغيرها من قبل أكثر من أربعة أوامر من حجم12. وتشمل تطبيقاته تصوير أمراض الأوعية الدموية13،14،15، ضخ الأعضاء13،16،17،18، السرطان الكشف1،19،20،21،22،تنظيم الورم23،24،والقياس الكمي للاستجابة العلاجية2 , 6 , 23 , 24 , 25 , 26.

الاسترخاء بطيئة تدور شعرية أمر ضروري للكشف في الجسم الحي مع MRSI. تدور شعرية أوقات الاسترخاء(T1ق) في ترتيب عشرات الثواني ممكنة للنوى مع نسب الدوران المغناطيسي منخفضة داخل جزيئات صغيرة في الحل. العديد من العوامل المادية تؤثر على نقل الطاقة بين انتقال تدور النووية وبيئتها (شعرية) مما يؤدي إلى الاسترخاء، بما في ذلك قوة المجال المغناطيسي، ودرجة الحرارة، والمطابقة الجزيئية27. يتم تقليل الاسترخاء ثنائي القطب في جزيئات لمواقف الكربون مع عدم وجود البروتونات المرفقة مباشرة، وdeuteration من وسائل الإعلام حل يمكن أن تقلل من الاسترخاء ثنائي القطب بين الجزيئية. لسوء الحظ، المذيبات المبتورة لديها قدرات محدودة على تمديد في استرخاء الجسم الحي. زيادة الاسترخاء من كاربونيل أو الأحماض الكربوكسيلية (مثل بيروفات) يمكن أن تحدث في نقاط القوة المجال المغناطيسي عالية بسبب عدم التحامل التحول الكيميائي. وجود الشوائب شبه المغناطيسية من مسار السوائل أثناء الانحلال بعد الاستقطاب يمكن أن يسبب الاسترخاء السريع وتحتاج إلى تجنبها أو القضاء عليها باستخدام chelators.

توجد بيانات قليلة جداً للاسترخاء من 13المركبات التي تحتوي على C في الحقول المنخفضة، حيث الاسترخاء تدور شعرية يمكن أن يكون أسرع بكثير. ومع ذلك، من المهم قياس T1 في الحقول المنخفضة لفهم الاسترخاء أثناء إعداد العامل المستخدم في التصوير الحي، حيث أن عوامل التباين شديدة الاستقطاب عادة ما يتم الاستغناء عنها من جهاز DNP بالقرب من الأرض أو في الميدان. عوامل مادية إضافية مثل تركيز الركيزة 13C المخصب، ودرجة الحموضة الحل، والمخازن المؤقتة ودرجة الحرارة تؤثر أيضا على الاسترخاء، وبالتالي يكون لها تأثير على صياغة العامل. كل هذه العوامل ضرورية في تحديد المعلمات الرئيسية في تحسين عملية حل DNP، وحساب حجم فقدان الإشارة التي تحدث في نقل العينة من جهاز DNP إلى مغناطيس التصوير.

وعادة ما يتم الحصول على قياسات تشتت الرنين المغناطيسي النووي، أي قياسات T1، كدالة للمجال المغناطيسي باستخدام مطياف NMR. للحصول على هذه القياسات، يمكن استخدام طريقة الاغلاق حيث يتم نقل العينة لأول مرة من مطياف للاسترخاء في بعض المجالات التي يحددها موقعها في مجال هامش المغناطيس28،29،30 ثم انتقلت بسرعة مرة أخرى إلى المغناطيس NMR لقياس المغناطيسية المتبقية. من خلال تكرار هذه العملية في نفس النقطة في المجال المغناطيسي ولكن مع فترات متزايدة من الاسترخاء، يمكن الحصول على منحنى الاسترخاء، والتي يمكن تحليلها بعد ذلك لتقدير T1.

نحن نستخدم تقنية بديلة تعرف باسم قياس الاسترخاء السريع للدراجات الميدانية31و32و33 للحصول على بيانات NMRD الخاصة بنا. لقد قمنا بتعديل مقياس الاسترخاء التجاري للدراجات الميدانية (انظر جدول المواد)،لقياسات T1 للحلول التي تحتوي على النوى 13C شديد الاستقطاب. وبالمقارنة مع طريقة المكوك، فإن الدراجات الميدانية تمكن مقياس الاسترخاء هذا من الحصول بشكل منهجي على بيانات NMRD على نطاق أصغر من المجالات المغناطيسية (0.25 مليون متر مربع إلى 1 T). ويتم ذلك عن طريق تغيير بسرعة المجال المغناطيسي نفسه، وليس موقع العينة في المجال المغناطيسي. لذلك، يمكن أن تكون ممغنطة عينة في قوة حقل عالية، "استرخاء" في قوة مجال أقل، ومن ثم قياسها عن طريق الحصول على الحرة التعريفي الاضمحلال في حقل ثابت (وتردد Larmor) لتحقيق أقصى قدر من الإشارة. وهذا يعني أنه يمكن التحكم في درجة حرارة العينة أثناء القياس، ولا يحتاج مسبار NMR إلى ضبطه في كل مجال استرخاء يعزز الاكتساب التلقائي على نطاق المجال المغناطيسي بأكمله.

مع تركيز جهودنا على آثار الاستغناء عن الحلول الشديدة الاستقطاب ونقلها في المجالات المغناطيسية المنخفضة، يقدم هذا العمل منهجية مفصلة لقياس وقت الاسترخاء تدور شعرية من فرط الاستقطاب 13C-بيروفات باستخدام سريع مجال ركوب الدراجات relaxometry للمجالات المغناطيسية في نطاق 0.237 mT إلى 0.705 T. وقد سبق عرض النتائج الرئيسية لاستخدام هذه المنهجية ل[1-13C]pyruvate34 و 13C-المخصب الصوديوم والسيزيوم بيكربونات35 حيث عوامل أخرى مثل التركيز الجذري وحلها درجة الحموضة لديها كما تمت دراستها.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد عينة

ملاحظة: يتم تنفيذ الخطوات 1.1-1.8 مرة واحدة فقط

  1. إعداد 1 مل من المخزون 13C-المخصب محلول حمض البيروفيك، وتستخدم على نطاق واسع في البحوث الحية 1،2،5،6،تتكون من 15 مليمول / لتر من ثلاثي الكريل ميثيل جذرية حل في [1- 13 C] حمض بيروفيك (انظر جدول المواد). Aliquots من هذا الحل الأسهم سوف تستخدم للعينات التي سيتم استقطابها بشكل فردي والخضوع في وقت لاحق relaxometry في مختلف المجالات المغناطيسية. يظهر في الشكل 1تمثيل لجزيء حمض البيروفيك [1-13C].
  2. على واجهة البرمجيات الاستقطاب النووي الديناميكي (انظر جدول المواد)،انقر على زر التبريد لخفض درجة حرارة درجة الحرارة المتغيرة إدراج (VTI) إلى 1.4 K.
  3. مرة واحدة وقد وصلت DNP درجة الحرارة المطلوبة، تحميل 10 درجة مئوية من حل الأوراق المالية في كوب عينة، وفتح الأبواب البرج وإدراج الكأس في VTI باستخدام عصا الإدراج مصممة خصيصا لهذه المهمة.
  4. بعد ذلك، استخراج بسرعة عصا وتأكد من الإفراج عن الكأس. ثم أغلق أبواب البرج واستمر في الخطوات التالية في حين أن درجة حرارة VTI يعود إلى 1.4 K.
  5. إعداد DNP لتشغيل مسح الميكروويف من أجل العثور على تردد الترددات اللاسلكية الأمثل لفرط الاستقطاب من حل الأوراق المالية.
    1. على الكمبيوتر الذي يتحكم في مطياف (جزء من نظام DNP)، قم بإنشاء الاتصال بين مطياف وبرنامج التحكم DNP بالنقر المزدوج على رمز HyperTerminal، الذي تم تكوينه مسبقًا باستخدام الاتصال التسلسلي المناسب معلمات.
    2. بمجرد تأسيس الاتصال، قم بتشغيل برنامج RINMR، اكتب في سطر الأوامر الخاص به . HYPERSENSENMR، ومن ثم اضغط enter.
    3. بعد ذلك، سيتم عرض إطار جديد على الشاشة وعلى ذلك اكتب رقم واحد (1) في الحقل "رقم التكوين". ثم انقر فوق الزر تحديد تكوين.
    4. انقر على زر هل اكتساح الميكروويف. سيتم إطلاق نافذة صغيرة مع عداد تنازلي من الثواني مما يشير إلى أن مطياف جاهز وسوف يكون في انتظار إشارات الزناد الدورية، قادمة من برنامج التحكم DNP، لأخذ عينات من الاستقطاب.
    5. في برنامج التحكم DNP، حدد علامة التبويب معايرة وانقر فوق الزر إنشاء.
    6. باستخدام إطار إعداد المعايرة، أدخل المعلومات التالية: بدء التردد = 94.117 غيغاهرتز، تردد النهاية = 94.137 غيغاهرتز، حجم الخطوة = 1 ميغاهرتز، مدة الخطوة = 300 s، الطاقة = 50 مواط، مستوى الهليوم السائل = 65٪، ودرجة الحرارة = 1.4 K.
    7. انقر على زر إنشاء، والتي سيتم إغلاق إطار الإعداد والعودة إلى علامة التبويب معايرة التي ستعرض عدد الخطوات والوقت اللازم لتنفيذ الاجتياح الميكروويف المطلوب.
    8. بمجرد تحقيق درجة حرارة VTI المطلوبة، انقر فوق الزر تمكين ثم ابدأ في تهيئة عملية مسح الميكروويف.
  6. في نهاية الاجتياح الميكروويف، واستعادة العينة وتسجيل التردد الأمثل حيث يتم تحقيق أقصى قدر من الاستقطاب. ويُعرَّف هذا التردد الأمثل بأنه تردد الاستقطاب الذي يوفر أقصى قدر من الاستقطاب كما هو مبين في الشكل 2. وسوف تستخدم هذه الترددة لفرط الاستقطاب جميع aliquots التي تم الحصول عليها من هذا الحل مخزون معين من حمض البيروفيك.
  7. إعداد 250 مل من الأوراق المالية المتوسطة باستخدام حل 40 مليمول / لتر تريس قاعدة، 50 مليمول / لتر من كلوريد الصوديوم، و 80 مليمول / لتر هيدروكسيد الصوديوم في المياه منزوعة الأيونات. يُضاف حمض الإثيلين ديايمينتيتراتيك (EDTA) بتركيز 100 ملغم/لتر لعزل أي تلوث بأيون معدني. وبالمثل إلى محلول مخزون حمض البيروفيك، سيتم استخدام هذه الوسيلة حل لجميع العينات المختلفة التي سيتم استقطابها. يرجى الرجوع إلى جدول المواد للحصول على مزيد من التفاصيل المحددة بشأن المواد الكيميائية المستخدمة.
  8. أيضا، إعداد 500 مل من محلول تنظيف الأسهم تتكون من 100 ملغ / لتر EDTA المذاب في المياه منزوعة الأيونات. يتم استخدام ما يقرب من 10 مل من هذا الحل التنظيف بعد كل استقطاب لتنظيف مسار حل DNP.
    ملاحظة: يتم تنفيذ الخطوات 1.9-1.27 لكل عينة فردية.
  9. تبريد جهاز DNP إلى 1.4 K في التحضير لفرط الاستقطاب عينة حمض بيروفيك [1-13C] عن طريق الضغط على زر التبريد في النافذة الرئيسية DNP.
  10. إذا كان البرنامج المستخدم لمطياف نشط بالفعل مع تحديد التكوين 1، فتابع الخطوات التالية. وإلا، قم بتنفيذ الخطوات 1.5.1 إلى 1.5.3 ثم تابع مع الخطوات التالية.
  11. بعد التحقق من تحديد التكوين 1 في الإطار الذي يتحكم في مطياف DNP، انقر فوق الزر "بناء الصلبة".
  12. أدخل اسم الملف SSBuilupXXX، حيث "XXX" هو رقم في تسلسل الملفات المخزنة مع بيانات الإنشاء. يتم زيادة هذا الرقم تلقائياً بواسطة البرنامج. ثم انقر فوق موافق. وعلى غرار حالة كنس الموجات الدقيقة، سيتم إطلاق نافذة صغيرة مع عداد تنازلي من الثواني تشير إلى أن مطياف جاهز وسوف ينتظر إشارات الزناد الدورية، القادمة من برنامج التحكم DNP، لأخذ عينات من الاستقطاب .
  13. باستخدام حمض البيروفيك - OX063 حل الأسهم أعدت في الخطوة 1.1، تزن 30 ملغ في كوب عينة.
  14. عندما يتم تحقيق درجة الحرارة VTI المطلوب (1.4 K) انقر على إدراج عينة، ثم حدد نموذج عادي ثم انقر على التالي. بعد احتياطات السلامة المعروضة على الشاشة، أدخل الكوب في جهاز DNP البارد، باستخدام عصا طويلة مصممة خصيصًا لهذه المهمة.
  15. بمجرد إدراج الكأس، تتم إزالة العصا، وأغلقت أبواب DNP، انقر فوق التالي ثم الانتهاء. عند هذه النقطة نظام hyperpolarizer يخفض كوب عينة إلى غرفة التشعيع شغل جزئيا (65٪) مع الهليوم السائل.
  16. انتظر حتى تعود درجة الحرارة إلى 1.4K ثم انقر فوق الزر نموذج الاستقطاب.
  17. في النافذة المنبثقة الجديدة، قم بتعيين قيمة التردد إلى تلك التي تم الحصول عليها من اكتساح الميكروويف في الخطوة 1.6. في نفس الإطار، أيضا تعيين الطاقة إلى 50 mW ووقت أخذ العينات إلى 300 s. انقر على التالي، تحقق من تمكين إنشاء مراقبة مربع، ثم انقر فوق إنهاء.
    ملاحظة: بمجرد بدء الاستقطاب، يقوم برنامج التحكم DNP بإنشاء إشارات الزناد كل 300 s لإرشاد مطياف لأخذ عينات من الاستقطاب باستخدام زاوية طرف صغيرة. وبهذه الطريقة، يضيف برنامج مطياف نقطة عينة إلى منحنى مغنطة الحالة الصلبة، المعروضة الآن في كل من برنامج مطياف وفي برنامج التحكم DNP تحت علامة التبويب الاستقطاب تراكم. بعد العينة الرابعة وكل عينة بعد ذلك، برنامج مطياف يناسب المنحنى لوظيفة النمو الأسي للنموذج:

    S = A * exp (-t/Tp) + y0

    حيث A هو سعة الاستقطاب، في وحدات تعسفية، t هو وقت أخذ العينات، Tp هو ثابت وقت الاستقطاب (في الثواني على حد سواء)، وy0 هو إزاحة. استناداً إلى المعلمات المجهزة، يقوم البرنامج أيضًا بحساب النسبة المئوية للاستقطاب التي تحققت حتى تلك النقطة من الزمن، والتي يتم عرضها أيضًا في علامة التبويب حالة الاستقطاب في DNP.
  18. استقطاب حتى تراكم المغناطيسية الحالة الصلبة تصل إلى ما لا يقل عن 95٪ من الحد الأقصى (ساعة واحدة تقريبا).
  19. في حين أن العينة هي الاستقطاب، وإعداد Fast-Field-ركوب الدراجات Relaxometer كما هو موضح في القسم 2 أدناه.
  20. عندما يتم تحقيق الاستقطاب المطلوب، انقر على تشغيل حل وتحت طريقة،حدد اختبار حمض البيروفيك. ثم انقر فوق التالي.
  21. بعد التعليمات على الشاشة، فتح الأبواب برج DNP وتحميل غرفة التدفئة والضغط في الجزء العلوي من الجهاز مع ~ 4.55 مل من حل المتوسطة أعدت في القسم 1.5 لإنتاج تركيز 80 مليمول / لتر بيروفات على حل عند درجة الحموضة من ~ 7.75 ودرجة الحرارة من ~ 37 درجة مئوية.
  22. ضع عصا التعافي في الموضع الصحيح، وأغلق أبواب البرج، وعند الكمبيوتر انقر على التالي ثم على الانتهاء. عند هذه النقطة سيتم تسخين وسائل الإعلام حل حتى يصل الضغط 10 بار.
  23. بمجرد بلوغ ضغط البار 10، يتم رفع البيروفات المجمدة وفرط الاستقطاب تلقائيا من حمام الهليوم السائل، مختلطة بسرعة، وذاب مع وسائل الإعلام حل ساخنة وطرد من خلال أنابيب الشعرية في قارورة على شكل كمثرى. في حين يتم طرد خليط وسائل الإعلام بيروفات/حل hyperpolarized، دوامة باستمرار قارورة لضمان خليط متجانس.
  24. عندما يتم طرد جميع الخليط، رسم بسرعة 1.1 مل من السائل في حقنة، ونقل إلى أنبوب NMR 10-قطرها قبل تسخينها (37 درجة مئوية)، والنقل بسرعة إلى مقياس الاسترخاء الدراجات الميدانية (انظر الخطوة 2.2.12).
  25. الاستغناء عن aliquot المتبقية من كل انحلال بيروفات في مطياف NMR 0.55-T (انظر جدول المواد)للتحقق من الآثار التجريبية المنهجية المحتملة.
  26. تنظيف مسار السائل DNP على الفور باستخدام حل نظيف المتوسطة تليها الإيثانول. ضربة غاز الهليوم من خلال مسار السوائل لإزالة سوائل التنظيف المتبقية وتطهير مسار الأكسجين. تنظيف جميع الأواني الزجاجية.
  27. بعد كل قياس، تسجيل درجة الحموضة من العينات من كل من مطياف أعلى مقاعد البدلاء ومقياس الاسترخاء الدراجات الميدانية.
    ملاحظة: كل قياس T1 هو انحلال فرط الاستقطاب منفصلة من جهاز DNP، لذلك يلزم الحرص لضمان القياس إلى القياس استنساخ تكوين العينة. ويتم ذلك من خلال وزن جميع العوامل والمذيبات بدقة 0.1 ملغ لضمان إعداد دقيق واستنساخ الحلول النهائية فرط الاستقطاب.

2. قياس الاسترخاء

ملاحظة الرجاء الرجوع إلى الجدول 1 لفهم أفضل لاختيار واستخدام المعلمات المختلفة الموضحة في الخطوات التالية. قبل الانحلال، يجب حساب زاوية الوجه مقياس الاسترخاء ويجب أن يكون مقياس الاسترخاء الإعداد وعلى استعداد لقياس الحل hyperpolarized (انظر أدناه).

  1. معايرة زاوية الوجه
    1. إعداد 1 مل من حمض البيروفيك أنيق [1-13C] في أنبوب NMR وإضافة عامل تباين الغادولينيوم للحد من T1 من النوى 13C إلى قيمة أقل من 200 مللي ثانية ولكن أكثر من 50 مللي ثانية.
    2. ختم أنبوب NMR بحيث يمكن استخدامه عدة مرات كمعيار المعايرة.
    3. باستخدام مقياس عمق مقياس الاسترخاء، تعيين عمق الإدراج من أنبوب NMR إلى الارتفاع المناسب لضمان أن العينة سوف تكون موجودة في مركز لفائف RF relaxometer.
    4. ضع علامة على عمق الإدراج لمعيار معايرة البيروفات 13C مع شريط لاصق لضمان التكرار.
    5. ضع سدادة العمق على أنبوب NMR إلى الموضع المشار إليه من قبل الشريط وأدخل معيار المعايرة هذا في تجويف مقياس الاسترخاء في مجال ركوب الدراجات. استخدام الوزن للحفاظ على أنبوب NMR في الموضع.
    6. فتح صمام الهواء الصك ومن لوحة أمامية relaxometer تعيين وحدة تحكم في درجة الحرارة إلى 37 درجة مئوية. وهذا سيحافظ على درجة حرارة العينة عند 37 درجة مئوية (± 0.5 درجة مئوية) باستخدام الهواء الساخن أثناء التجربة.
    7. إعداد مجال ركوب الدراجات relaxometer الأجهزة للحصول على 13C إشارات النوى. ويشمل ذلك تركيب وتنشيط لفائف الشهم الخارجية (انظر جدول المواد)،وضبط ومطابقة لفائف الترددات اللاسلكية إلى 8 ميغاهيرتز (~ 0.75 T للنوى 13C)، واستخدام كابل 1/4 المناسبة.
    8. في برنامج الأدوات، قم بتنفيذ الخطوات التالية:
      1. حدد علامة التبويب الاسمية الرئيسية
      2. انقر على الخلية بجوار تجربة التسمية ومرر لأسفل في النافذة المنبثقة لتحديد تسلسل النبض "13CANGLE. [فّك] ".
      3. تعيين معلمات الاكتساب التالية: RFA = 5; SWT = 0.005، RD = 0.5، BPOL = 30 ميغاهيرتز، TPOL = 0.5.
      4. حدد علامة التبويب Acq. par ثم حدد علامة التبويب الفرعية الأساسية.
      5. انقر على الخلية بجوار العلامة النواة والتمرير لأسفل في النافذة المنبثقة لتحديد 13C.
      6. ثم، قم بتعيين المعلمات التالية: SF = 8 ميغاهرتز، SW = 1000000، BS = 652، FLTR = 100000، MS = 32.
      7. حدد علامة التبويب الفرعية Conf.
      8. تعيين المعلمات التالية: RINH = 25 ACQD = 25.
      9. حدد علامة التبويب الفرعية nDim
      10. تعيين NBLK = 32، BINI = 2، بيند = 62.
      11. حدد علامة التبويب تقييم ثم علامة التبويب الفرعية معلمات.
      12. تعيين المعلمات التالية: EWIP = 10، EWEP = 128، EWIB = 1، EWEB = 32.
      13. ثم انقر فوق رمز البدء في الاكتساب لتشغيل تسلسل النبض.
    9. بمجرد الانتهاء من عملية الشراء، احفظ البيانات، حدد رمز مربع حوار التقييم ومن قائمة التحليل حدد نافذة WAM: الحجم المطلق. ثم حدد ورقة التقريروالرسوم البيانية وملف التصدير وأخيرا انقر على تنفيذ.
    10. في إطار التقرير ابحث عن عرض نبض الترددات اللاسلكية الذي يوفر الحد الأقصى للسعة وصقل القيمة مع مساعدة المؤشر في الرسم البياني المعروض، والذي يشبه المخططات المعروضة في الصف السفلي من الشكل 3. سيتم استخدام عرض النبض هذا للمعلمة PW90 من التجارب التالية.
    11. انقر فوق رمز F1 لضبط التحول التردد من مقياس الاسترخاء.
      ملاحظة: نافذة وام: الحجم المطلق هو إجراء لدمج حجم واحد أو سلسلة من عمليات الاستحواذ على الاضمحلال التعريفي الحر (FIDs) من النقطة التي حددتها EWIP إلى النقطة المحددة من قبل EWEP ومن الكتلة تعريف EWIB إلى الكتلة المحددة من قبل EWEB.
  2. T1- القياسات
    1. تأكد من تثبيت لفائف الشهم الخارجية وتنشيطها.
    2. في برنامج الصك تنفيذ الخطوات التالية:
      1. حدد علامة التبويب الاسمية الرئيسية
      2. انقر على الخلية بجوار تجربة التسمية ومرر لأسفل في النافذة المنبثقة لتحديد تسلسل النبض HPUB/S، والذي يظهر في الشكل 4.
      3. تعيين معلمات الاكتساب التالية: RFA = 25، T1MX = القيم بين 3 و 5; SWT = 0.2، RD = 0، BRLX = حقل الاسترخاء المطلوب في ميغاهيرتز (بروتون Larmor التردد).
      4. حدد علامة التبويب Acq. par ثم حدد علامة التبويب الفرعية الأساسية.
      5. انقر على الخلية بجوار العلامة النواة والتمرير لأسفل في النافذة المنبثقة لتحديد 13C.
      6. ثم، قم بتعيين المعلمات التالية: SF = 8 ميغاهرتز، SW = 1000000، BS = 652، FLTR = 50000.
      7. حدد علامة التبويب الفرعية Conf.
      8. تعيين المعلمات التالية: PW90 يساوي القيمة الموجودة في الخطوة 2.1.10 RINH = 25 ACQD = 25.
      9. حدد علامة التبويب الفرعية Puls وقم بتعيين PW = 5.
      10. حدد علامة التبويب الفرعية nDim وقم بتعيين NBLK = 100.
      11. انتظر واستعد لتلقي الحل شديد الاستقطاب لبدء الحصول على البيانات.
      12. مباشرة قبل إدراج العينة في مقياس الاسترخاء، يدويا بدء تسلسل النبض من وحدة التحكم، لتجنب إدراج العينة في حقل مغناطيسي فارغة. لهذا السبب، من المهم تجاهل الاضمحلال التعريفي الحر الأول (FID) أثناء تحليل البيانات.
      13. بمجرد الانتهاء من عملية الشراء، احفظ البيانات بالنقر فوق الزر حفظ.
    3. باستخدام برنامج التحليل، دمج حجم كل إشارة FID لإنتاج سلسلة بيانات تتألف من مغنطة عينة كدالة للوقت.
    4. استخراج وقت الاسترخاء تدور شعرية من نموذج الأسي ثلاثة معلمة باستخدام معيار غير الخطية أقل المربعات المناسب خوارزمية تنفيذها في برنامج تحليلي تجاري (انظر جدول المواد)على افتراض الترجيح حتى ل جميع البيانات:
      Equation 1
      حيث A هو السعة إشارة الأولية(y-intercept)، T1 هو وقت الاسترخاء تدور شعرية، TR هو وقت التكرار، وهو قيمة معروفة، y0 هو إشارة الإزاحة، والكوس(n-1)(α)هو تصحيح لفقدان المغناطيسية الطولية في قياس ال نلزاوية الوجه، α.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويقدم الشكل 2 مثالاً على عملية مسح عالية الاستبانة للموجات الدقيقة كاملة المدى لحمض البيروفيك. وفيما يتعلق بالحالة المعروضة، فإن تردد الموجات الدقيقة الأمثل هذا يتوافق مع GHz 94,128، الذي تم إبرازه في الشكل. نظام DNP لدينا يمكن أن تعمل عادة في نطاق 93.750 غيغاهرتز إلى 94.241 غيغاهرتز مع حجم الخطوة من 1 ميغاهيرتز، ووقت الاستقطاب تصل إلى 600 s، وقوة تصل إلى 100 مل في الثانية. يتم التحقيق في مجموعة كاملة من الترددات فقط لركائز جديدة. ومع ذلك، استنادا إلى الخبرة السابقة مع 13C-بيروفيك حمض، ونحن نتوقع أن يكون التردد الأمثل حوالي 94.127 غيغاهرتز. ولذلك، فإن نطاق المسح الضوئي بين 94.117 غيغاهرتز و94.137 جيجاهرتز، مع حجم خطوة 1 ميغاهرتز ووقت أخذ العينات من 300 s مع 50 م.م.م.من الطاقة، وعادة ما تستخدم.

يعرض العمود الأيسر من الشكل 3 نتائج معايرة زاوية الطرف لحمض بيروفيك [1-13C]، الذي ينطوي على الحصول على سلسلة من قياسات الإشارة كدالة لفترات نبض التردد الراديوي المتفاوتة خطياً لتحديد النبض عرض المقابلة لزاوية الوجه من 90 درجة و 180 درجة للنوى 13C. يتوافق عرض النبض الذي يوفر الحد الأقصى للسعة مع زاوية انعكاس تبلغ 90 درجة ويتوافق العبور الصفري مع زاوية انعكاس ية تبلغ 180 درجة. يجب أن تكون العلاقة بين عرضي النبض عامل اثنين.

قد تتطلب معلمات الاكتساب لمعايرة زاوية طرف C 13الموضحة أعلاه بعض التعديلات وفقًا لقوة الإرسال لمقياس الاسترخاء في دورة الحقل، وT1 للعينة، وخصائص الضوضاء في النظام. قد تكون هناك حاجة إلى بعض التجربة والخطأ وكذلك للعثور بشكل صحيح على 90 درجة و 180 درجة دون آثار أصداء حفز، تشبع مكبر للصوت، والفقراء SNR.

هذا الإجراء، على الرغم من دقته، عادة ما يستغرق وقتا طويلا لأن SNR الفقراء من المركبات 13C الاستقطاب الحراري يتطلب العديد من المتوسطات. طريقة بديلة وأسرع ينطوي على معايرة زاوية الوجه مع شبح الغادولينيوم مخدر 1H وتوسيع مدة نبض RF 90 درجة ل 13C عن طريق ضرب مدة نبض الترددات اللاسلكية 90 درجة -1H بنسبة نسب الدوران المغناطيسي من 1H /13C، وهو ما يتوافق مع عامل 3.976. بالنسبة لهذه الحالة، يجب أن تكون معلمات الاكتساب القياسية: EXP = ANGLE. FFC, NUC = 1H, TPOL = 0.1 s, BPOL = 30 MHz, SWT = 0.005, BINI = 0 μs, BEND = 15.5 μs, NBLK = 32, MS = 1, RFA = 25, RD = 0.1 s, BS = 652, SW = 1 MHz, FLTR = 100 KHz, SF = 8, RINH = 25, ACQD = 25, EWIP = 10, EWEP = 512, EWIB = 1 ، وEWEB = 32. تظهر نتائج هذه الطريقة البديلة في العمود الأيمن من الشكل 3. وعلى سبيل المقارنة، بالنسبة للحالات المعروضة، كان إجمالي وقت الاقتناء لمعايرة زاوية الطرف لـ 13C 13.5 دقيقة في حين كان 1H 7.1 ثانية.

يوضح الشكل 5 السلسلة النموذجية من FIDs المتحللة حيث يتم أخذ عينات من المغناطيسية الشديدة الاستقطاب. كل قياس T1 فيRLX B معين هو انحلال فرط الاستقطاب منفصلة من جهاز DNP. لهذه الحالة بالذات، كان مجال الاسترخاء (Bالاسترخاء)0.2916 mT، مع وقت التكرار من 3.4 ق وزاوية الوجه من 5 درجة. تم التحكم في جميع درجات حرارة العينة إلى 37 درجة مئوية (± 0.5 درجة مئوية).

ويعرض الشكل 6 منحنى الاسترخاء للمستقطبات [1-13C] بيروفات التي تم الحصول عليها من بيانات الرقم السابق. كل نقطة زرقاء على المنحنى تمثل المنطقة تحت FID. تم الحصول على قيمة T1 (53.9 ± 0.6s) بواسطة أقل المربعات غير الخطية تناسب معادلة الإشارة إلى بيانات منحنى الاضمحلال، والتي شملت آثار زاوية الوجه المستخدمة للإثارة. وقد تم تقييم جودة الملاءمة من خلال حساب قيمة R2 (0.9995)، على افتراض الترجيح حتى لنقاط البيانات. يتم عرض المخلفات المناسبة (تناسب البيانات) كمثلثات مفتوحة.

ويعرض الشكل 7 نتائج T1 لجميع القياسات الـ 26 على مدى 0.237 مليون متر مربع و0.705 درجة مئوية عند درجة حرارة 37 درجة مئوية (±0.5 درجة مئوية). وكان T1 عدم اليقين المناسب متوسط ± 0.33 ق لجميع النتائج. وأدى تحليل تشتت القياسات المتكررة في حقل استرخاء معين إلى استنساخ تجريبي أكبر عدة مرات من عدم اليقين الإحصائي المذكور أعلاه، مع T1 من 1.91 s. وقد حُكم بتحفظ على عدم اليقين قدره 2.24 ق بالنسبة لجميع قياسات T1 المحسوبة على أنها مجموع عدم اليقينين المذكورين أعلاه. تتميز بيانات التشتت T1بشكل جيد بالصيغة التجريبية T1 = (3.74 ± 0.52) × سجل10(BRelax)+ (63.0 ± 1.2) s؛ حيث Bالاسترخاء هو مجال الاسترخاء تقاس في تسلا. وتمثل أوجه عدم اليقين المتعلقة بالمعلمات المجهزة انحرافاً معيارياً واحداً. يمثل الخط الصلب على الشكل 7 الصيغة جنبا إلى جنب مع خطوط متقطعة تمثل نطاقات الثقة 95٪. وتراوحت الدرجة الهيدروجينية لهذه العينات بين 7.63 و7.93، بمتوسط درجة الحموضة 7.75 وانحراف معياري قدره 0.09. وأظهر تحليل النتائج أن وقت الاسترخاء لنواة C-1 هو ~ 46.9 ق في المجال المغناطيسي للأرض (0.05 mT) مقارنة مع ~ 65 ق في 3 T، وهو ما يمثل انخفاضا بنسبة 28٪.

Figure 1
الشكل 1 [1-13C]جزيء حمض بيروفيك. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 كامل المدى مسح الميكروويف والتكبير في القسم الذي يظهر تردد الاستقطاب الأمثل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 معايرة زاوية تلميح لعينات 13C (يسار) و 1H (يمين): الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 سلسلة نبض ية (HPUB/S) لقياس وقت استرخاء T1لعينة شديدة الاستقطاب في حقل استرخاء معين (BRLX). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 تسلسل FIDs التي تم الحصول عليها مع تسلسل نبض HPUB/S. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6 إشارة الاسترخاء (النقاط الزرقاء)، منحنى المناسب (الخط الأحمر)، وخطأ المناسب (مثلثات مفتوحة) التي تم الحصول عليها من تسلسل FIDs المقدمة في الشكل 5 تم تعديل هذا الرقم بإذن من Chatgoon وآخرون 201334. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7 NMRD الشخصي من فرط الاستقطاب [1-13C] حمض بيروفيك في المجالات المغناطيسية المنخفضة. تم تعديل هذا الرقم بإذن من Chatgoon وآخرون 201334. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المعلمه وصف مختصر تعليقات وحدات
فى الانجليزية تأخير الاقتناء التأخير اللازم للسماح للمجال المغناطيسي بالوصول إلى حالة ثابتة بعد الانتقال وقبل الحصول على البيانات μs
فى الوقت الواحد حقل الاقتناء محددة بواسطة تردد Larmor H 1 ميغاهيرتز
ينحني قيمة النهاية القيمة النهائية للمعلمة المعدّسة
BINI القيمة الأولية القيمة الأولى للمعلمة المعدّسة
BPOL مجال الاستقطاب محددة بواسطة تردد Larmor H 1 ميغاهيرتز
BRLX الاسترخاء الميداني محددة بواسطة تردد Larmor H 1 ميغاهيرتز
بكالوريوس كتلة الحجم عدد نقاط البيانات في كتلة واحدة
EWEB كتلة النهاية أي عدد صحيح في نطاق عدد الكتل (NBLK). 0 يعني "جميع"
فى هذا العنونة نقطة النهاية أي عدد صحيح في نطاق حجم الكتلة (BS). 0 يعني "جميع"
فى السنوات كتلة أولية من 1 إلى عدد من الكتل (NBLK)
فى هذا العنونة النقطة الأولية من 1 إلى كتلة الحجم (BS)
اكسب التجربه اسم تسلسل النبض الذي سيتم استخدامه
FLTR مراقبة عامل التصفية تردد قطع مرشحات إشارة الصوت هرتز
Ms الحد الأقصى للمسح الضوئي العدد المطلوب من المتوسطات
NBLK عدد الكتل عدد المقاطع للمعلمة المعدّسة. المعلمة المعدّسة هي "PW90" لتسلسلات النبض "13CANGLE" و"ANGLE" و"T1MX" لتسلسل نبض "HPUB/S". PW90 التغييرات بعد كل تكرار ولكن T1MX لا يزال ثابتا.
NUC نواه لهذا البروتوكول 13C أو 1H
الاسبق نبض الترددات اللاسلكية الرئيسية زاوية تلميح درجات (°)
PW90 90deg نبض مدة نبض 90 درجة μs
طريق تأخير إعادة التدوير ما قبل المسح المغناطيسي التبريد الفاصل الزمني S
RFA التوهين RF التوهين استقبال الترددات اللاسلكية Db
فى الرّخ يمنع جهاز الاستقبال التأخير اللازم للسماح باضمحلال رنين لفائف الترددات اللاسلكية μs
Sf تردد النظام تردد Larmor المستخدمة أثناء الاستحواذ ميغاهيرتز
Sw عرض الاجتياح عرض النافذة الطيفي (تردد Nyquist) هرتز
SWT تبديل الوقت الوقت العالمي للتبديل المغناطيسي S
T1MX الحد الأقصى T1 المعلمة المستخدمة من قبل تسلسل نبض HPUB/S لتحديد وقت الاستقطاب أثناء كل تكرار S
TPOL وقت الاستقطاب المعلمة المستخدمة من قبل تسلسل نبض "ANGLE" و "13CANGLE" لتحديد وقت الاستقطاب أثناء كل تكرار S

الجدول 1: وصف البارامترات المستخدمة من قبل مقياس الاسترخاء للدراجات الميدانية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

استخدام DNP لتعزيز اكتساب إشارة هو حل تقني لعدم كفاية إشارة الرنين المغناطيسي المتاحة من النوى 13C بتركيزات محدودة، مثل تلك المستخدمة في حقن الحيوانات، ولكن يطرح تحديات تجريبية أخرى. ويمثل كل قياس للاسترخاء المبين في الشكل 7 مقياساً لعينة معدة بشكل فريد لأنه لا يمكن إعادة استقطابها بعد الانحلال لإعادة قياسها. وهذا يؤدي حتما إلى تباين تجريبي بسبب اختلافات طفيفة في إعداد العينة أثناء وزن العينة وتفكك وسائل الإعلام أو الاختلافات في عملية الانحلال نفسها، مثل استخراج غير مكتملة وخلط شامل للعينة مع وسائل الإعلام حل. ويمكن تقييم هذا التغير جزئيا عن طريق قياس الـ الحموضة لكل محلول بيروفات بعد قياس الاسترخاء. بغض النظر عن الوزن الدقيق للمخزون بيروفات / خليط جذري وهلام الانحلال المتوسط قبل الإدراج في جهاز DNP إلى أفضل من مليغرام، في تجاربنا تراوحت النقاط الهيدروجينية من 5.5 إلى 8.3. لقد اخترنا رفض أي بيانات T1 خارج نطاق الـ pH 7.6 إلى 8.0.

وكما ذُكر أعلاه، كان مستوى الاستقطاب في الحالة الصلبة لكل عينة 95 في المائة على الأقل، تم الحصول عليه في حوالي ساعة واحدة. ولم يُقدَّر الاستقطاب في الحالة السائلة لكل عينة؛ ومع ذلك، أدى ضمان الجودة الدوري لنظام DNP، باستخدام نفس إعداد العينة، إلى مستويات استقطاب الحالة السائلة بحوالي 15٪.

أثناء إعداد العينة، قد يحدث تلوث أيون المعادن من الاتصال بين وسيط ة الانحلال ومسار السائل انحلال DNP. واستلزم تَعَلْم هذا الاحتمال إضافة حمض الإثيلين ديامينتيتانيتيك الصوديوم (EDTA) لعزل أي من التلوث بأيون معدني والحفاظ على الاسترخاء تدور شعرية.

مقارنة طريقة shuttling المستخدمة في المرجع28 وركوب الدراجات في مجال سريع المقدمة في هذا البروتوكول، يمكننا أن نقول أن طريقة shuttling غير ممكن إلا عندما يكون وقت المكوك صغيرة بالمقارنة مع وقت الاسترخاء. خلاف ذلك، فإن متوسط المجالات المغناطيسية التي شهدت خلال وقت الاغلاق قد يكون لها تأثير كبير. مع مقياس الاسترخاء الدراجات حقل سريع استخدمنا، المستخدم هو في السيطرة الكاملة على وقت التبديل، والتي يمكن أن تذهب منخفضة مثل 3 مللي ثانية ومع ذلك، لركائز hyperpolarized، مطلوب وقت التبديل بطيئة للحفاظ على adiabaticity وليس لتدمير الاستقطاب من عينة خلال التحولات المودعة. في تجربتنا، لفرط الاستقطاب 13C-بيروفيك حمض، وقت التحول منخفضة يصل إلى 50 مللي ثانية لا الحفاظ على الاستقطاب، ولكن لاحظنا نتائج أكثر اتساقا باستخدام وقت التحول من 100 أو 200 مللي ثانية هذا الوقت الانتقال الصغيرة من الاسترخاء إلى الاسترخاء الاستحواذ والعودة إلى حقول الاسترخاء لا يكاد يذكر بالمقارنة مع Tقياس1 مرات وليس له تأثير منهجي على هذه القياسات. ونحن نعتبر أن هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتحديد حدود adiabaticity من ركائز مختلفة فرط الاستقطاب في مختلف المجالات المغناطيسية.

وثمة فرق هام آخر بين الطريقتين هو مجموعة من المجالات المغناطيسية، وهو 2 mT إلى 18.8 T لطريقة shuttling و 0.237 mT إلى 0.705 T لمقياس الاسترخاء الدراجات الميدانية. وفي هذا الصدد، يمكننا أن نرى أن الطريقتين متكاملتان فيما بينهما. ومع ذلك، لدراسات في الجسم الحي مع المركبات شديدة الاستقطاب، والمجالات المغناطيسية تصل إلى 3 T هي أكثر شيوعا.

في نقاط القوة الميدانية أقل من 1 mT، لوحظ أن الحقول المغناطيسية الضالة من الأجسام المحيطة لها تأثير منهجي على قياسات الاسترخاء لدينا. للقضاء على هذه الحقول، قمنا بتصميم وإضافة الشيم المغناطيسي مخصص حول المغناطيس مجال ركوب الدراجات. وبالمقارنة، تستخدم طريقة الاغلاق التدريع الأسطواني المعدني الذي ينتج تغيراً مفاجئاً في المجال المغناطيسي من حوالي 2 مليط إلى 0.2 متر مربع.

وكان التحكم في درجة الحرارة للعينة مهما ً بسبب فترات الاقتناء الطويلة نسبياً التي تتطلب 300 إلى 510 ق لالتقاط منحنى الاضمحلال بأكمله. نحن قبل تسخين أنابيب NMR قبل الاستغناء عن محلول hyperpolarized ومن ثم الحفاظ على درجة حرارة العينة عن طريق تهب الدافئة، وتنظيم درجة الحرارة (37 درجة مئوية) الهواء على الأنابيب أثناء relaxometry. هذا هو ميزة هامة من مقياس الاسترخاء في مجال ركوب الدراجات على طريقة shuttling لأن درجة حرارة العينة يمكن التحكم فيها بدقة لأن العينة ثابتة أثناء القياسات.

وبالإضافة إلى ذلك، لم يكن من العملي التحكم في تعرض العينة لدرجة الحرارة المحيطة والمجال المغناطيسي خلال فترة الانتقال القصيرة بين المستقطب ومقياس الاسترخاء. تم قياس T1 من العينات في المجالات المغناطيسية المعروفة ودرجة الحرارة التي تسيطر عليها مقياس الاسترخاء، لذلك كان للنقل تأثير محدود. الظروف أثناء النقل يمكن أن تؤثر فقط على كمية فرط الاستقطاب الذي يبقى للقياس في مقياس الاسترخاء. تم تطوير مغناطيس حقل عقد المحمولة (10 mT) لنقل الحل hyperpolarized إلى المغناطيس التصوير أو مقياس الاسترخاء. ومع ذلك، لم يكن استخدامه جديراً بالاهتمام في هذه التجربة نظراً لوقت النقل القصير ولكنه قد يكون مفيداً للسوائل الأخرى شديدة الاستقطاب مع أكبر T1-تشتتفي المجالات المغناطيسية السفلى. ومن شأن حقل عقد من 0.01 T زيادة T1 من محلول بيروفات بنسبة 18٪ تقريبا أثناء النقل؛ ومع ذلك، مع وقت نقلنا القصير نسبيا من 8 s، تشير هذه القياسات إلى أنه سيتم ملاحظة زيادة بنسبة 2.3٪ فقط في الإشارة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ أي كشف.

Acknowledgments

ويود المؤلفون أن يشكروا معهد أونتاريو لبحوث السرطان وبرنامج ترجمة التصوير ومجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية في كندا على تمويل هذا البحث. كما نود أن نعترف بالمناقشات المفيدة مع ألبرت تشين، جنرال إلكتريك للرعاية الصحية، تورونتو، كندا، جياني فيرانتي، ستالار s.r.l.، إيطاليا، ووليام ماندر، أكسفورد للأدوات، المملكة المتحدة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
[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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis. Cancer Research. 66 (22), 10855-10860 (2006).
  2. Witney, T. H., Brindle, K. M. Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).
  3. Kurhanewicz, J., et al. Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research. Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).
  4. Golman, K., et al. Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).
  5. Golman, K., in 't Zandt, R., Thaning, M. Real-time metabolic imaging. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).
  6. Day, S. E., et al. Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging. Magnetic Resonance in Medicine. 65 (2), 557-563 (2011).
  7. Gallagher, F. A., et al. Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate. Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).
  8. Wilson, D. M., et al. Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo. Journal of Magnetic Resonance. 205 (1), 141-147 (2010).
  9. Gallagher, F. A., et al. Production of hyperpolarized [1,4-13C2]malate from [1,4-13C2]fumarate is a marker of cell necrosis and treatment response in tumors. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 106 (47), 19801-19806 (2009).
  10. Chen, A. P., et al. Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies. Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).
  11. Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Day, S. E., Lerche, M., Brindle, K. M. 13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine. Magnetic Resonance in Medicine. 60 (2), 253-257 (2008).
  12. Ardenkjaer-Larsen, J. H., et al. Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10158-10163 (2003).
  13. Ishii, M., et al. Hyperpolarized 13C MRI of the pulmonary vasculature and parenchyma. Magnetic Resonance in Medicine. 57 (3), 459-463 (2007).
  14. Lau, A. Z., Chen, A. P., Cunningham, C. H. Integrated Bloch-Siegert B(1) mapping and multislice imaging of hyperpolarized (1)(3)C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 67 (1), 62-71 (2012).
  15. Lau, A. Z., et al. Rapid multislice imaging of hyperpolarized 13C pyruvate and bicarbonate in the heart. Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1323-1331 (2010).
  16. Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. Molecular imaging with endogenous substances. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).
  17. Johansson, E., et al. Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C. Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).
  18. Johansson, E., et al. Perfusion assessment with bolus differentiation: a technique applicable to hyperpolarized tracers. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1043-1051 (2004).
  19. Albers, M. J., et al. Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading. Cancer Research. 68 (20), 8607-8615 (2008).
  20. Chen, A. P., et al. Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience. Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1099-1106 (2007).
  21. Lupo, J. M., et al. Analysis of hyperpolarized dynamic 13C lactate imaging in a transgenic mouse model of prostate cancer. Magnetic Resonance Imaging. 28 (2), 153-162 (2010).
  22. von Morze, C., et al. Imaging of blood flow using hyperpolarized [(13)C]urea in preclinical cancer models. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).
  23. Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Magnetic Resonance in Medicine. 66 (2), 505-519 (2011).
  24. Park, I., et al. Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (6), 1284-1290 (2011).
  25. Bohndiek, S. E., et al. Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy. Molecular Cancer Therapeutics. 9 (12), 3278-3288 (2010).
  26. Witney, T. H., et al. Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate. British Journal of Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).
  27. Levitt, M. H. Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance. , John Wiley & Sons. (2001).
  28. Mieville, P., Jannin, S., Bodenhausen, G. Relaxometry of insensitive nuclei: optimizing dissolution dynamic nuclear polarization. Journal of Magnetic Resonance. 210 (1), 137-140 (2011).
  29. Redfield, A. G. Shuttling device for high-resolution measurements of relaxation and related phenomena in solution at low field, using a shared commercial 500 MHz NMR instrument. Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 753-768 (2003).
  30. Grosse, S., Gubaydullin, F., Scheelken, H., Vieth, H. -M., Yurkovskaya, A. V. Field cycling by fast NMR probe transfer: Design and application in field-dependent CIDNP experiments. Applied Magnetic Resonance. 17 (2), 211-225 (1999).
  31. Kimmich, R., Anoardo, E. Field-cycling NMR relaxometry. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 44 (3-4), 257-320 (2004).
  32. Guðjónsdóttir, M., Belton, P., Webb, G. Magnetic Resonance in Food Science: Challenges in a Changing World. , The Royal Society of Chemistry. 65-72 (2009).
  33. Anoardo, E., Galli, G., Ferrante, G. Fast-field-cycling NMR: Applications and instrumentation. Applied Magnetic Resonance. 20 (3), 365-404 (2001).
  34. Chattergoon, N., Martinez-Santiesteban, F., Handler, W. B., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Scholl, T. J. Field dependence of T1 for hyperpolarized [1-13C]pyruvate. Contrast Media & Molecular Imaging. 8 (1), 57-62 (2013).
  35. Martínez-Santiesteban, F. M., Dang, T. P., Lim, H., Chen, A. P., Scholl, T. J. T1 nuclear magnetic relaxation dispersion of hyperpolarized sodium and cesium hydrogencarbonate-13C. NMR in Biomedicine. 30 (9), 3749 (2017).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 151، البيروفات، الاسترخاء تدور شعرية، الاستقطاب النووي الديناميكي، قياس الاسترخاء في مجال ركوب الدراجات، تشتت الاسترخاء المغناطيسي النووي (NMRD)، هايبربولواريس
قياس الاسترخاء تدور شعرية الاعتماد المجال المغناطيسي من فرط الاستقطاب [1-<sup>13</sup>C] بيروفات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, S., Martinez-Santiesteban, F.,… More

Kim, S., Martinez-Santiesteban, F., Scholl, T. J. Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate. J. Vis. Exp. (151), e59399, doi:10.3791/59399 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter