מאמר שיטה

פירוק דינמי גרעיני קיטוב Instrumentation מדידות קצב התגובה האנזימטית בזמן אמת על ידי התמ"ג

DOI:

10.3791/53548

⸱

23 בפברואר 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1LCBPT - UMR8601, Institut de Chimie, Université Paris Descartes, 2Institute of Physics of Biological Systems, EPFL, 3PARCC - INSERM U970, Université Paris Descartes

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיפור הרגישות המסופק על ידי קיטוב גרעיני דינמי של פירוק (DNP) מאפשר מעקב אחר תהליכים מטבוליים בזמן אמת על ידי NMR ו-MRI. נדונים המאפיינים והביצועים של מערך DNP ייעודי לפירוק המיועד לחקר תגובות אנזימטיות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המגבלה העיקרית של חקירות מבוססות NMR היא רגישות נמוכה. זו מבקש לזמני רכישה ארוכים, ובכך למנוע מדידות NMR בזמן האמת של טרנספורמציות מטבולית. Hyperpolarization באמצעות פירוק DNP עוקף חלק הרגישות מנפיק הודות המגנטיזציה הגרעיני מחוץ לשיווי משקל הגדול הנובע מהעברת קיטוב אלקטרון אל גרעין ספין. אות התמ"ג הגבוהה המתקבלות ניתן להשתמש כדי לפקח על תגובות כימיות בזמן אמת. החסרון של hyperpolarized NMR מתגורר בחלון הזמן הקצר העומד לרשותם לרכישת אות, שהיא בדרך כלל בסדר גודל של קבוע זמן רגיעת אורך הספין הגרעיני, T 1, או, במקרים חיוביים, על הסדר קבוע הרפית הזמן הקשורים את סינגלט של גרעינים מצמידים, T LLS. ספיגת הסלולר של מולקולות אנדוגני קצב חילוף חומרים יכולה לספק מידע חיוני על התפתחות גידולים ותגובת תרופה. נומחקרים תמ"ג הקודם merous hyperpolarized הוכיחו את הרלוונטיות של פירובט כמו מצע מטבולית לניטור הפעילות האנזימטית in vivo. מחקר זה מספק תיאור מפורט של הגדרת הניסוי ושיטות נדרש לחקר תגובות אנזימטיות, בפרט ההמרה פירובט אל לקטט שיעור בנוכחותו של לקטט דהידרוגנאז (LDH), על ידי התמ"ג hyperpolarized.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

קיטוב גרעיני דינמי (DNP), 1,2 טכניקה שנועדה לשפר את הקיטוב הספין הגרעיני, כלומר, את חוסר האיזון בין "למעלה" ו "למטה" אוכלוסיות ספין (P = [↑ N - N ↓] / [N ↑ + N ↓]), הוצג לראשונה בשנת 1950. ספינים גרעיניים כגון 13 C יכולים להיות מקוטב עד P = 10 -1 בתנאים נוחים, בדרך כלל בטמפרטורה בסדר גודל של 1 K וב שדה המגנטי של 3.357 ט 3,4 פריצת דרך עבור יישומים ביולוגיים הגיעה 2000 מוקדם של עם התפתחות הפירוק DNP אשר מורכב המסת דגימות קפואות מקוטבות שחון מים תוך שמירה על רמת הקיטוב הגרעינית הגבוהה מתקבלת בטמפרטורה נמוכה. 5 האות נוזל מדינת התמ"ג מוגבר על ידי גורם 10 3 -10 4 לעומת מְשׁוּתָףתרמית מקוטב תנאי NMR RT. פירוק DNP ולכן מספק דרך שיעורי תגובה הלא פולשני ביוכימיים מידה באתרו בזמן אמת, ומאפשר דינמיקת ניטור ידי NMR עם רזולוציה זמנית של 1 שניות או פחות - 6. 10 כמו כן ניתן היה לזהות analytes בריכוזים נמוכים מאוד 11.

בין שיטות הדמיה מולקולרית לא פולשנית, hyperpolarized תמ"ג היא הטכניקה היחידה שמאפשרת מדידה בו זמנית מצע ומוצרי מטבולית שלה בזמן אמת. DNP הפירוק התקבל בהתלהבות התחומים מדעיות שונים, החלו במבחנת תמ"ג ל- MRI הקליני 12 ואת היישומים המבטיחים ביותר קשורים הניטור באתרו של חילוף חומרים. 13,14 המגבלה העיקרית של DNP הפירוק היא, שאחרי זמן על הסדר חמש פעמים בזמן הרגיעה האורכת T 1 מתמיד, משופרת קוטבization הולך לאיבוד. לכן, יש להשתמש מולקולות נושאות ספינים גרעיניים מפגין ארוך יחסית T 1. כדי להאריך את תוחלת זמן של שיפור הקיטוב, לאט-מרגיע במצבי ספין גרעיני, המכונה מדינות חיים ארוכים (LLS), ניתן להשתמש 15 -. 17 LLS יהיו רגישים האינטראקציה דיפול דיפול התוך-זוג, כך שלהם זמן הרפיה מאפיין קבוע, T LLS, יכול להיות הרבה יותר זמן מאשר T 1. 18 חיים שלמים המגנטיזציה של עשרות דקות עד שעה 1 יכול אפוא להיות מושגת, 19,20 ו LLS הוצעו שני ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית (MRS) ו- MRI. 21

עיקרי כי צריך להיות מותאם בקפידה ללימוד שיעורי התגובה האנזימטית ידי NMR hyperpolarized הם: (i) למקסם את הקיטוב מצב מוצק ו (ii) למזער את ההפסד הקיטוב במהלך ההעברה של הפתרון hyperpolarized מןמקטב אל ספקטרומטר התמ"ג. מאמר זה מתאר את התאמת מנגנון DNP פירוק מחוייט הזרקת מערכת ללמוד תגובות אנזימטיות. המאפיינים והביצועים של ההתקנה יהיו הפגינו עם מצע hyperpolarized הידוע ו-בשימוש נרחב [1 13 C] פירובט. הסיבות עיקריות לבחירה זו הן, ראשית, שלה ארוכה טבעי 13 זמן הרגיעה האורך C (T 1> 50 שניות על שדות וטמפרטורות מגנטיים גבוהים מעל 293 K) המאפשרות תגובות ניטור במהלך כמה דקות, ושנית, תפקידה המרכזי מטבוליזם סרטן. 13,14 שימוש פירוק DNP NMR ומערכת הזרקה מותאמת אישית שפותח, החמצון של פירובט מזורזת על ידי לקטט דהידרוגנאז (LDH) ניתן לנטר בנוכחותו של ברכה ראשונית של לקטט נטולות-תווית 9,22 או ללא לקטט נטולות-תווית הוסיף , כפי שמוצג כאן. הוכח כי האות [1- 13 C] לקטט נמדד viVO (כולל בתאים) בעקבות ההזרקה [1- 13 C] פירובט hyperpolarized נובע בעיקר חילוף תווית מהירה בין פירובט ומיניק ולא לייצור חומצת חלב. 6

אנו בזאת להציג את הייצור בזמן אמת של [1- 13 C] לקטט מ hyperpolarized [1- 13 C] פירובט מוזרק לתוך צינור NMR המכיל LDH אבל בתחילה לא לקטט.

תיאור מערכת
ישנם שני חלקים עיקריים בתוך התקנת DNP פירוק (איור 1): מקטב DNP ואת ספקטרומטר התמ"ג. המרכיב העיקרי של מקטב DNP הוא cryostat קירור המדגם לכ 1 K באמבט הליום שאוב. Cryostat מוכנס מגנט superconductive 3.35 T ויש לו גיאומטריה שמבטיחה יש המדגם מקטב על isocenter של המגנט (איור 1). בתוך cryostat, המדגם (א) מוקף סליל NMR (ב), כדי למדוד את b הקיטובuildup, כלול חלל מיקרוגל overmoded (ג). המדגם כולו נשמר בטמפרטורה נמוכה באמבט הליום שאוב (ד) ו- מוקרן עם מיקרוגל דרך מוליך הגל. המערכת כולה מנוהלת באמצעות תוכנת מחוייט (איור 2 ד).

החומרה וציוד קריוגני הדרושים לביצוע DNP והתפרקותה לאחר מכן הם עדיין אתגר טכנולוגי. Cryostat DNP חדש 23,24 פותח ונבדק כדי לקבוע הופעות קריוגני שלה ולאחר מכן אופטימיזציה עבור מגניב למטה מהר, הליום להחזיק במשרה וצריכת הליום מינימלית הכוללת במהלך המבצע.

Cryostat מורכב משני חלקים. החלק הראשון של cryostat הוא דיואר הבידוד (איור 2 א) כי ניתן להפריד בערך חלק עליון (א) הזנב, או מרחב המדגם (ב), ואת תא הוואקום החיצוני (OVC) כל זמן תחת גבוה ואקום הדיור מסכי קרינה (ג). החלק השני של cryostat הוא ראשי בבהלבשה (איור 2 ב), להציב לתוך דיואר בידוד, שבו כל התקנות זרימת מנוהלים. ההליום הנוזלי מאגף דיואר האחסון החיצוני דרך קו ההעברה (א), נמצא בשלב הראשון המרוכז ב המפריד (ב), תא ביניים משמש הוא כדי לשמור על החלק העליון של קור cryostat וכדי להסיר את הליום התאדה במהלך ההעברה. הלחץ המפריד הוא הוריד על ידי שאיבה באמצעות נימים (ג) עטופות סביב החלק העליון של cryostat; זרימת הליום קר נימים זה משמשת כדי לצנן את המתסכל (ד) ומסכי קרינת דיואר הבידוד (OVC). המדגם מושם ומקוטבת במרחב המדגם. חלל המדגם מחובר אל מפריד דרך נימים אחרות (ה), עטוף סביב הזנב של כנס cryostat הראשי. נימי זה יכול להיות פתוח או סגור דרך שסתום מחט פעלו באופן ידני מבחוץ.

כדי להשיג את הטמפרטורה הנמוכה שימוש במהלך יח"צ DNPocess, הליום נוזלי צריך להיות שנאספו במרחב מדגם cryostat והלחץ שלה הוריד לטווח mbar. הפעילות דרושה לפעולה cryostat מבוצעת באמצעות מערכת שאיבה מורכבת למדי עם שלושה סטים של משאבות, פיקוח ומופעלים בנקודות שונות עם מכשירים אלקטרוניים ואלקטרו-מכונאי (איור 2 ג). OVC cryostat צריך להישאב אל ואקום גבוה על ידי מערכת השאיבה הראשונה. מערכת זו מורכבת משאבה טורבו-מולקולרית מגובים על ידי משאבה סיבובית (א). ההליום הנוזלי מועבר מן דיואר אחסון (ב) דרך כניסת קו העברת cryostat אל מפריד cryostat. המפריד יש פורקן ומחובר למכשיר השאיבה השנייה. קבוצה זו מורכבת משאבת קרום 35 מ '3 / hr (ג). קו זה מאפשר הסרת גז הליום מבושל במהלך ההעברה מן דיואר ובמהלך קירור מפריד. ההליום הנוזלי שנאסף מפריד מכן, ניתן להעביר למרחב המדגם דרך הכובעצינורות illary שתוארו לעיל. כדי להעביר הליום נוזלי מן המפריד למרחב המדגם ובהמשך ללחץ מרחב מדגם נמוך יותר mbar טווח, מערכת שאיבה שלישית המורכב 250 מ '3 / שורשים hr משאבה מגובה על ידי המשאבה סיבובית 65 מ 3 / שעה (ד) מחובר cryostat דרך שסתום פרפר ידני (ה).

כל הפעולות במערכת ואקום נשלטים מוסדר על ידי מכשיר מחוייט אלקטרו (f). התקן זה שולט קשרים קו ואקום בין מפריד cryostat (ז) ו- מדגם החלל (ח) שקעים, מערכות שאיבה שנייה / שלישית (ג, ד), בקבוק הליום דחוס (i) וגם מבחוץ. תקשורת בין (ו) ו- מבחוץ עוברת דרך שסתום חד כיווני (j). מכשיר אלקטרו פנאומטי (ו) כמו גם את כל הפרמטרים של המערכת ואת חומרת הפירוק נשלטים ומופעלים על ידי USB ממשק מכשיר האלקטרוני מחוייט עם מחשב משותף. לבסוף כל המערכת, הדרך האלקטרוניתמכשיר, מנוהל באמצעות תוכנה עצמאית מחוייט (איור 2 ד) שבו פעילות רלוונטית משוגרות באמצעות ממשק משתמש כפתורי תוכנה.

כדי לנהל את המדגם ולמדוד תמ"ג אות הצטברות של מצב מוצק סדרה של מוסיף משמשים (איור 3 א). כדי להכין את cryostat עבור קיטוב, למקם את כנס המדגם העיקרי (א), לתוך cryostat. את כנס המדגם העיקרי מסופק עם סליל NMR (ב) ממוקם בתוך חלל מיקרוגל מצופה זהב overmoded. בהקפאה טרום המצע המכיל הפתרון להיות מקוטב (פתרון מקטב) בטמפרטורת חנקן נוזלי במיכל מדגם מתאים ולמקם אותו בתחתית סוף בעל מדגם פיברגלס (ג). החלק את מחזיק המדגם לתוך כנס המדגם העיקרי להגיע isocenter המגנט. הכנס את מוליך גל מצופה זהב (ד) ב בעל מדגם. מוליך גל מאפשר במיקרוגל שנוצר ממקור מיקרוגל חיצוני לנסוע עם t הפסדים מינימלייםo המדגם.

התוכנה מחוייט לניהול cryostat מטפל באופן אוטומטי, לאחר שלחצתי על כפתור ממשק המתאים, פעולות שונות כמו cooldown (הטמפרטורה cryostat הוא הוריד קרוב לטמפרטורת הליום נוזלי), מילוי (את cryostat מתמלא הליום נוזלי לרמה שנקבעה מראש ), צעד נוסף של קירור 1 K ≈ T (באמבטית הליום הנוזלת נשאבת כדי להשיג את הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית), שמירת לחץ קבוע (את cryostat בלחץ מעט מעל לחץ בחדר ב- P = 10-30 mbar לאפשר פתיחת cryostat ללא סיכונים זיהום של cryostat בדרך אוויר) והתפרקות (הליך אוטומטי לפזר מדגם DNP ולהעביר פתרון hyperpolarized וכתוצאה לאתר המדידה, כלומר, ספקטרומטר התמ"ג).

הקיטוב מתבצע irradiating המדגם עם מיקרוגל ב 94 GHz (בשדה מקטב B 0 T DNP, שבו T DNP הפעם הצטברות קיטוב. T DNP הוא מאותו סדר הגודל כמו זמן הרגיעה האורך של גרעיני יעד המצב מוצק בשדה הנתון והטמפרטורה. בכל הניסויים שלנו המדגם היה מקוטב במשך יותר מ 5 T DNP.

בסוף הזמן הקיטוב, המדגם צריך להיות מומסים בתמיסה RT כדי לשמש למדידת הפעילות האנזימטית. במהלך תהליך פירוק, 5 מ"ל של שחון D 2 O מן הדוד של הכנס פירוק (איור 3B) נדחפים על ידי גז הליום דחוס (P = 6-8 בר) להגיע המדגם DNP-משופרת לפזר אותו. פתרון hyperpolarized וכתוצאה מכך נדחף החוצה את כנס הפירוק על ידי גז הליום הדחוס, דרך השקע הכנס פירוק (איור 3 ג-ב 23 הזמן הנדרש להעברת המדגם המקטב DNP לאתר ספקטרומטר התמ"ג הוא כ -3 שניות.

תהליך הפירוק מתבצע באמצעות הוספה של פירוק (איור 3 ב). את כנס הפירוק מורכב של הרכבה אלקטרונית-פנאומטי (א), מקל סיבי פחמן (ב) המכיל צינורות חיבור בין הדוד באסיפת פנאומטי ואת ההלבשה מיכל המדגם (ג), אשר מאפשר צימוד דליפה חזקה עם מדגם מיכל, ובחזרה אל השקע. הרכבת אלקטרו פנאומטי (איור 3 ג) משמשת לייצור ולנסוע שחון D 2 O באמצעות מקל סיבי פחמן למכל המדגם ולאחר מכן לחלץ את פתרון hyperpolarized מן cryostat. הרכבת אלקטרו פנאומטי מורכבת שסתומי פנאומטיים (א) השולטים קשרים בין השיתוףהליום mpressed (P = 6-8 בר) קו (ב), את הדוד (ג) שבו D 2 O מוזרק דרך שסתום (ד), ולשקע (ה) באמצעות המקל סיבי פחמן (f). המערכת תושלם על ידי G לחץ, מדחום ואת חוט התנגדות חימום בדוד (ג), טריגר (ח) וקופסא חיבור (i) המשמשת ממשק המערכת עם בהתקן ניהול האלקטרוני.

Cryostat DNP ואת ספקטרומטר תמ"ג מחוברים באמצעות קו ההעברה, כלומר, צינור PTFE של 2 מ"מ קוטר פנימי בתוך כשהפתרון hyperpolarized נדחף על ידי הליום דחוס (P = 6-8 בר) כאשר פירוק מופעלת.

רצף פירוק מורכב את הפעולות הבאות: ב -300 אלפיות השניה הראשונה, שחון D 2 O נדחקת מיכל מדגם כדי להמיס להמיס הפתרון קפוא hyperpolarized. לאחר מכן, הפתרון hyperpolarized מופק cryostat ידי מתכוון של פרהsurized (P = 6-8 בר) גז הליום ודחף דרך הצינור PTFE בקוטר 2 מ"מ פנימי (איור 3 ג-ה) לאתר המדידה שבו ההזרקה מבוצעת עם באחד הליכים מתוארים שלב 6.2.1 או שלב 6.2 .2.

המרכיב השני של התקנת פירוק DNP NMR הוא ספקטרומטר התמ"ג. ב ההתקנה כפי שיתואר בהמשך, ספקטרומטר תמ"ג פועל בשדה B 0 = 11.7 טסלה. בדיקת NMR 5 מ"מ משמש כדי למדוד את אות hyperpolarized לאחר פירוק. ספקטרומטר תמ"ג מופעל באמצעות קונסולת NMR, המשמש הן מצב מוצק ונוזל-המדינה מדידות תמ"ג, ואת XWinNMR תוכנה המסופקת על המשרד. מדידה טיפוסית מורכבת דופק קשה זווית נמוכה להעיף (מכויל או עבור liquidstate או בלתי מכויל, למדידות מצב מוצק) ואחריו רכישות האות.

מדידות של אות קיטוב תרמית המצב מוצקי נגזרות DNP סיהצטברות gnal מבוצעות באמצעות סליל מחוייט 13 C באתר של מקטב DNP (איור 3Ab) מצמידים את ספקטרומטר תמ"ג. במצב מסוים הזה ספקטרומטר התמ"ג אינו מבצע נעילת אות. כאשר מדידות מצב מוצק מתבצעים, כדי למנוע הפרעות משמעותיות לקיטוב, השהיית הזמן בין הרכישות צריכה להיות ארוכה מספיק, בערך עוד מ -0.5 T DNP.

השיפור במצב מוצק מוגדר figure-introduction-1 אֵיפֹה figure-introduction-2 הוא אות hyperpolarized (שהושג בשלב 3.3) ו figure-introduction-3 הוא האות של מצב מוצק (שהושג בשיווי משקל תרמי בטמפרטורת הליום נוזלי נשאבים פנימה שלב 3.2) (איור 4 א). ד פרמטר זהefines הקיטוב המקסימאלי זמין עבור ניסויי NMR, לפני הפסדים בלתי נמנעים במהלך ההעברה של פתרון hyperpolarized. המדידה מתבצעת עם רצף דופק לרכוש פשוט באמצעות דופק זווית להעיף נמוך un-מכויל. כיול Pulse הוא דילג נפוץ למדידות solidstate.

הליך מקביל ניתן להשתמש כדי לקבוע את שיפור אות hyperpolarized ב-במצב נוזלי. במקרה זה, המדגם להציב צינור ספקטרומטר לפני הזריקה (שלב 6.2) מורכב 500 μl של D 2 O. לאחר פירוק ואת הזריקה, ישנם שני פרמטרים חשובים כדי לפקח. הראשון הוא שיפור hyperpolarized באתר ספקטרומטר תמ"ג, figure-introduction-4 (איור 4B), שם figure-introduction-5 הוא אות רק לאחר הזרקה של Hyper פתרון מקוטב (שהושג בשלב 7.1) ו figure-introduction-6 הוא אות קיטוב התרמי (שהושג בשלב 7.2). השני הוא זמן הרגיעה האורך, 1 T (איור 4 ב ', הבלעה), הקשורים המצע וכל מוצר מטבולית (מתקבל על ידי אותות הולמים מעריכים שהושגו בשלב 7.1). שני פרמטרים אלה מגדירים את ריכוז המצע המינימלי הדרוש כדי לקבל יחס אות לרעש מספיק (SNR) ואת חלון הזמן הפנוי מדידת תמורות מטבולית. היחס בין קיטוב מצב המוצק figure-introduction-7 ואת הקיטוב liquidstate figure-introduction-8 נותן אומדן הפסדי הקיטוב בשל הרפיה במהלך העברת פתרון hyperpolarized. ערךation12 "src =" / files / ftp_upload / 53,548 / 53548equation12.jpg "width =" 80 "/> יש לשים לב בהיעדרו של הפסדים הרפיה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערה: כל ניתוח הנתונים בוצע באמצעות תוכנה מסחרית.

1. מכין את הפתרון המקטב

  1. כן 2 מיליליטר של פירובט נתרן 1.12 M 13 שכותרתו C (Na + [CH 3 -CO- 13 COO] -, מצע) פתרון מסומם עם 33 מ"מ של TEMPOL הרדיקלי (4-הידרוקסי-2,2,6,6- tetramethylpiperidin-1-oxyl, סוכן מקטב) 4 ב 2: 1 D 2 O / D 6 -ethanol עבור 13 תצפיות C. זהירות: הוראות טיפול יש לנקוט בשל אופי הדליק של -ethanol ד 6.
  2. ודא כי ריכוז קיצוני הוא אופטימלי מבחינת הקיטוב מושגת.
    1. שנה את ריכוז קיצוני מעט של הפתרון בשלב 1.1 (למשל, 30 מ"מ או 35 מ"מ).
    2. לקבוע באופן איטרטיבי שיפור מצב מוצק (ראה שלב 3) ולמצוא את הריכוז הקיצוני שמוביל שיפור מקסימלית.

2. Polarizatיוֹן

  1. מנמיכים את הטמפרטורה cryostat DNP בהליך cooldown. לחצו על כפתור ה "הרגעות" על ממשק תוכנה cryostat (איור 2 ד).
  2. אסוף הליום נוזלי ב cryostat DNP בהליך מילוי. לחצו על כפתור 'מילוי' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).
  3. מניחים 300 μl של פתרון מקטב אופטימיזציה משלב 1.1 במיכל מדגם מסופק עם מקטב DNP. להקפיא את מיכל המדגם עם מדגם בתוך ידי טבילה אותו בעדינות באמבט חנקן נוזלי.
  4. לחסל את החנקן הנוזלי שעשוי להיות נוכח בתוך המכל מדגם לאחר הליך ההקפאה (שלב 2.3) על ידי שאיבת המכל מדגם מאמבטית החנקן הנוזלית והסיבוב אותו ההפוך.
    הערה: שלב זה הוא חיוני כדי לקבל פירוק יסודי של המדגם (ראה שלב 5).
  5. הכנס את המדגם לתוך cryostat.
    הערה: זה StEP, מורכב המשנה בשלב הבא, חייב להתבצע במהירות (כלומר, תוך פחות מ 10-20 שניות) כדי למנוע את דוגמא ההיתוך.
    1. הכנס את מיכל מדגם בעל מדגם. הכנס את בעל המדגם של כנס cryostat הראשי. הכנס את מוליך גל מיקרוגל של בעל המדגם.
  6. מנמיכים את הטמפרטורה cryostat ידי שתתחיל בהליך קירור 1 K. לחצו על כפתור 'קירור 1K' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).
  7. סובב את מקור המיקרוגל ועוד מקרין את המדגם. לחצו על כפתור 'MW-ON' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).

3. מדידות מצב מוצק תמ"ג

  1. נתק את הכבל הקואקסיאלי של ערוץ זיהוי קונסולת NMR מן סליל ספקטרומטר ידי סיבוב נגד כיוון השעון מחבר ידי 90 ° ומשיכתו. חבר את הכבל הקואקסיאלי של ערוץ זיהוי למחבר קואקסיאליים של cryostatסליל NMR. כנס מחבר הזכר של כבל מסוף תמ"ג המחבר נקבה של סליל NMR cryostat, בשים לב סיכת האורינטציה; ולחץ בחוזקה וסובב את השעון מחבר ידי 90 °.
  2. מדוד את אות תמ"ג תרמית מצב מוצק באתר cryostat באמצעות רצף הדופק לרכוש פשוטה עם פולסים להעיף זווית נמוכה un-מכויל חזר בהפרש של דקות T = 5. לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על מקש המקלדת 'Enter'. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.
  3. מדוד את אות התמ"ג המשופרת DNP. ניתוחים חוזרים של צעד 3.2 לאחר התחלת תהליך DNP כמתואר בסעיף 2.
  4. נתק את כבל קואקסיאלי ערוץ זיהוי קונסולת NMR מן סליל NMR cryostat ידי סיבוב נגד כיוון השעון מחבר ידי 90 ° ומשיכתו. חבר את הכבל הקואקסיאלי של Deteערוץ ction למחבר קואקסיאליים של סליל ספקטרומטר. כנס מחבר הזכר של כבל מסוף תמ"ג המחבר נקבה של סליל ספקטרומטר, בשים לב סיכת האורינטציה; ולחץ בחוזקה וסובב את השעון מחבר ידי 90 °.

4. מטב את ההומוגניות של שדה המגנט הראשי ( 'shimming')

  1. מניחים את ספקטרומטר צינור המכיל 500 μl של תערובת מיוצר בניסויים קודמים (כלומר, לאחר שלב 6.2).
  2. בצע shimming ספקטרומטר תמ"ג ידי שינוי הזרם הסליל שיפוע shimming מחפש את המקסימום "לנעול" אות של דאוטריום. בחר את סליל shimming הרלוונטי על ידי לחיצה על הכפתור המתאים על קונסולת NMR.
    1. סובב את הידית על קונסולת התמ"ג כדי לקבוע את הכיוון הסיבוב המגביר את אות המנעול. המשך לסובב עד האות מגיע לשיא. בחר אחר סליל shimming וחזור על האו"ם מקסוםtil מקסימום מקומי לכלל סלילי shimming נמצא. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוספים. בסוף, להסיר את המדגם המשמש נעילה.

5. פירוק

  1. הכנס 5 מ"ל של D 2 O בדוד הכנס פירוק. לחצים ולחמם את D 2 O באמצעות חוט התנגדות עד להשגת 180-200 מעלות צלזיוס ≈ T. לחץ על כפתור ה "כן המחמם 'על ממשק תוכנת cryostat (איור 2 ד).
  2. לאחר השלמת הליך הקיטוב מדגם (למשל, לאחר 3 T DNP), לחצים על cryostat מעט מעל הלחץ בחדר. לחצו על כפתור ה "SS תפעול 'על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד). הסר את מדריך מיקרוגל מן הכנס פירוק.
  3. חלק את כנס הפירוק (איור 3B) למטה לתוך מחזיק המדגם (איור 3 א-ג). את הכנס פירוק יש להגיע לתחתית של בעל המדגם חייב להיות דחף בחוזקה כדי ליצור חיבור leaktight עם מיכל מדגם על מנת למנוע D 2 O דולף ב cryostat.
  4. לחץ על הדק החומרה (איור 3 ג-ח) כדי להתחיל את רצף הפירוק, רצף מתוזמן מראש של פעולות שסתומי פנאומטיים.

6. הזרקה

  1. לפני פירוק במקום צינור NMR 5 מ"מ, המכיל 500 מדגם μl (למשל, D 2 O עבור figure-protocol-1 המדידה בתמיסה שלב 7 או LDH משלב 8 למדידות הפעילות האנזימטית בשלב 9), ב isocenter של ספקטרומטר 11.74 T NMR (ראה שלב 4).
  2. רק לאחר פירוק (שלב 5), לערבב 500 μl של פתרון hyperpolarized עם המדגם להציב ספקטרומטר תמ"ג שלב 6.1.
    1. הזרקה ידנית: לאסוף את hyperpolarizedפתרון בסוף צינור העברה ארוכה 2.5 מ בכוס זכוכית להציב קרוב מגנט ספקטרומטר התמ"ג. באופן ידני להזריק 500 μl של פתרון hyperpolarized בצינור מדגם NMR באמצעות מערכת נימי בהתאמה אישית.
    2. הזרקה אוטומטית: לפני תהליך הפירוק, לחבר את העברת הצינור להתקן הזרקה אוטומטית בהתאמה אישית שמפריד פתרון hyperpolarized מגז הליום המשמש להעברה. המכשיר מספק אוטומטית 500 μl של פתרון hyperpolarized לתוך הצינור המדגם.

7. מדידת NMR נוזלית-מדינה

  1. לאחר פירוק, למדוד את אות hyperpolarized NMR מן המדגם ב ספקטרומטר על ידי סדרה של 10 ° רצפים-לרכוש דופק זווית להעיף במרווחים על ידי 1.5 שניות לבצע את ההתקדמות של המגנטיזציה של מצע (א) לבין מוצר (B). לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על & #39; מקש Enter במקלדת. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.
  2. לאחר המגנטיזציה הוא רגוע לחלוטין (כלומר, לאחר T = 10 T 1), למדוד את אות תמ"ג תרמית על ידי סדרה של 90 מעלות זווית להעיף הדופק לרכוש רצפים במרווחים על ידי T = 3 T 1 ≈ 3 דקות. לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על מקש המקלדת 'Enter'. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.

הכנת 8. דוגמאות אנזימים המכילים (ספציפית עבור טרנספורמציה פירובט אל לקטט)

  1. הכן את החיץ תגובה עם המתכון הבא: 50 מ"מ מופחת dinucleotide אדנין nicotinamide (NADH), 1 מ"מ חומצה אתילן-diaminetetraacetic (EDTA), 0.1 מ"מ dithiothreitol (DTT) ב 0.1 M חיץ פוספט, pH =7.0.
  2. כן פתרון LDH ארנב שריר 1 U / ml מוכן טרי חיץ תגובה עם 20 מיקרוגרם / מיליליטר אלבומין בסרום שור, BSA.
  3. מערבבים 478 חיץ התגובה μl (שלב 8.1), 20 μl D 2 O כדי לאפשר ייצוב שדה ספקטרומטר ( "נעילה") ו -2 μl פתרון LDH (שלב 7.2).
  4. מניחים את נפח פתרון 500 μl מוכן בשלב 8.3 לתוך צינור NMR 5 מ"מ ומקם את הצינור לתוך ספקטרומטר תמ"ג 500 MHz.

9. קצב התגובה האנזימטית להשלים הליך מדידה

  1. הכן את המדגם המקטב (שלב 1) ומקצינות זה (שלב 2).
  2. בצע shimming על ספקטרומטר (שלב 4) ולהכין מדגם אנזימטי (שלב 8).
  3. בצע את הפירוק (שלב 5) ואת הזריקה (שלב 6).
  4. מדוד סדרה של אותות מן המדגם hyperpolarized עם 10 מעלות רכישות פולסים זווית להעיף במרווחים על ידי 1.5 שניות (שלב 7). שלב זה מאפשר מדידת hyperpolarizedריקבון אות ואת הצטברות האות של מטבוליטים.

התאמה 10.

  1. עבור כל קשת רכשה בשלב 9.4, לזהות את פסגות המתאימים למצע (א) לבין מוצר (B) בהתאמה ולשלב אותם (לקבוע את האזור של פסגות). אינטגרלים פסגות לתת אותות כמובן המגנטיזציה זמן (M (A, B) (t), ראו משוואה 2).
  2. השימוש בפתרון של המשוואה (2), לקבוע את הערך של F = (R A + K EFF מ) בכושר מעריכים פשוט של אות המצע משולב שלב 10.1.
  3. בעזרת ערך F = (EFF R A + K 10.2 נקבע) בשלב, לקבוע EFF k ו- R B מ בהתקף של B M אות המוצר (t) עם הפונקציה מתקבל על ידי שילוב המשוואה (2). ראה גם סעיף נציג תוצאות (Enzymatic פעילות ומדידות מטבולית) לפרטים על דוגמנות תגובה, ראוי ולא rf התיקון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

רווחי אות תמ"ג באמצעות DNP פירוק
השפעת DNP מורכבת בהעברת הקיטוב הגבוה של ספיני אלקטרונים מזווגים, בדרך כלל ממולקולות רדיקליות יציבות, כדי גרעיני NMR-פעילים, תחת קרינת מיקרוגל של מדגם. רדיקלים חופשיים בדרך כלל בשימוש הם TAM (OXO63) ו TEMPOL. 4 נהלים קיטוב באמצעות TEMPOL יכול להיות מותאם על ידי 'חוצה-הקיטוב'. 25

אופטימיזציה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

את הנקודות קריטיות של ניסוי פירוק DNP התמ"ג הם: (i) רמת הקיטוב מושגת עבור המצע, אשר קובע את ריכוז המוצר הנמוך ביותר הדרושה עבור ניסויים כמו גם מספר רכישות אות שניתן לבצע וכן (ii) את תקופות חיים המגנטיזציה, לעומת משך ההעברה בין הקיטוב ואת אתרי איתור לשיעור שינוי מצע. מערכת ההזרקה של התקנת DNP הפירוק המתוארים כאן מאפשרת העברת מדגם קטן כמו 3-4 שניות. למרות ההעברה לא הייתה מהירה כמו השיטה המוצעת על ידי ס בואן ו ג Hilty, 26 פסדי קיטוב עבור פירובט הוגבלו בשל ההרפיה האורך...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

החוקרים מצהירים כי הם לא היו מתחרים אינטרסים כלכליים

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים ד"ר ג'יי ג'יי ואן דר קלינק על הסיוע בבחירת והרכבה של ציוד, כמו גם ד"ר פ Kateb וד"ר ג Bertho לדיונים מועילים. AC נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע השויצרי (להעניק PPOOP2_157547). אנו מכירים מימון מפריז הסורבון סיטה (NMR @ Com, Analytics DIM, Ville de Paris, מגט de la משוכלל ונדיר Medicale (FRM ING20130526708), ואת Parteneriat הוברט Curien ברנקוזי 32662QK. הצוות שלנו הוא חלק תוכניות Equipex פריז-אן-תהודה ו CACSICE.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
DNP מקטבVanderklink s.a.r.l (שוויץ)קריוסטט וציוד אלקטרוני לקיטוב מדגם
רכיבי מערכת ואקוםואקום אדוארדס (צרפת)מגוון

- מערך שאיבה טורבו-מולקולרי

- מערך שאיבת ממברנה

- מערכת שאיבת שורשים בקיבולת גבוהה

- אביזרי ואקום ורכיבים

DNP 3.35T מגנטברוקר (צרפת)
ספקטרומטר NMR 500 מגה-הרץברוקר (צרפת)
Origin 8.0OriginLab (ארה"ב)תוכנת ניתוח נתונים
<חזק>כימיקלים
נתרן פירובט-1-13C, 99 אטום % 13Cסיגמא אולדריץ' (צרפת)490709
אתנול-D6, נטול מים, 99.5 אטום % Dסיגמא אולדריץ' (צרפת)186414
  4-הידרוקסי-טמפו 97%סיגמא אולדריץ' (צרפת)176141
תחמוצת דאוטריוםסיגמא אולדריץ' (צרפת)151882
ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד מחוזר (NADH)סיגמא אולדריץ' (צרפת)
אתילן-דיאמין-חומצה טראצטית (EDTA)סיגמא אולדריץ' (צרפת)
דיתיותרייטול (DTT)סיגמא אולדריץ' (צרפת)
מאגר פוספט, pH =  7.0סיגמא אולדריץ' (צרפת)
אנזים LDH ב סיגמא אולדריץ' (צרפת)בקר L-2500
, BSAסיגמא אולדריץ' (צרפת)
אלבומין סרום

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Overhauser, A. W. Polarization of Nuclei in Metals. Phys. Rev. 92 (2), 411-415 (1953).
  2. Abragam, A., Goldman, M. Principles of dynamic nuclear polarisation. Rep. Prog. Phys. 41 (3), 395(1978).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Comment, A., Merritt, M. E. Hyperpolarized Magnetic Resonance as a Sensitive Detector of Metabolic Function. Biochem. 53 (47), 7333-7357 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Vasos, P. R., Comment, A., et al. Long-lived states to sustain hyperpolarized magnetization. PNAS. 106 (44), 18469-18473 (2009).
  18. Claytor, K., Theis, T., Feng, Y., Warren, W. Measuring long-lived 13C2 state lifetimes at natural abundance. JMR. 239, 81-86 (2014).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Balzan, R. Methods for Molecular Magnetic Resonance Imaging and Magnetic Resonance Spectroscopy using Hyperpolarized Nuclei. 5966, EPFL - EDPY. Available from: http://infoscience.epfl.ch/record/190351/files/EPFL_TH5966.pdf 1-140 (2013).
  25. Bornet, A., Melzi, R., et al. Boosting Dissolution Dynamic Nuclear Polarization by Cross Polarization. JPC Letters. 4 (1), 111-114 (2013).
  26. Bowen, S., Hilty, C. Rapid sample injection for hyperpolarized NMR spectroscopy. PCCP. 12 (22), 5766-5770 (2010).
  27. 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).
  28. Ahuja, P., Sarkar, R., Vasos, P. R., Bodenhausen, G. Long-lived States in Multiple-Spin Systems. Chem. Phys. Chem. 10 (13), 2217-2220 (2009).
  29. 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).
  30. Sarkar, R., Comment, A., et al. Proton NMR of 15N-Choline Metabolites Enhanced by Dynamic Nuclear Polarization. JACS. 131 (44), 16014-16015 (2009).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

DNPNMRNMRNMR

מאמרים קשורים