Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI

L'obiettivo generale del seguente esperimento è produrre xenon iperpolarizzato ed effettuare misurazioni di NMR e MRI con sensibilità aumentata. Questo risultato si ottiene utilizzando un processo chiamato pompaggio ottico a scambio di spin con vapore di rubidio per raggiungere un'elevata polarizzazione dello spin nucleare del xenon. Come secondo passo, i segnali NMR acquisiti vengono confrontati con quelli di un campione di xenon polarizzato termicamente, il che consente la quantificazione della polarizzazione ottenuta.

Successivamente vengono eseguiti esperimenti di spettroscopia e imaging NMR al fine di dimostrare un'elevata sensibilità e specificità molecolare. I risultati ottenuti mostrano che lo xenon può essere utilizzato come agente di contrasto in NMR, sia in fase gassosa che disciolto in soluzione, sulla base di nuovi schemi di rilevamento come l'iperpolarizzazione. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come l'imaging RM protonico, è che lo xenon può essere rilevato a concentrazioni molto più basse e con un'elevata specificità per il suo ambiente molecolare, grazie alla possibilità di progettare agenti di contrasto funzionalizzati che si legano a una specifica molecola bersaglio.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla diagnosi di varie malattie. Pertanto, questa tecnica può fornire informazioni sull'imaging in fase gassosa di R. Può inoltre essere applicata a esperimenti in stato di soluzione per rilevare determinati analiti.

Generalmente, le persone nuove rispetto a questa tecnica incontreranno difficoltà poiché non esiste una documentazione dettagliata per molti passaggi preparativi. Impedire l'ossidazione del rubidio durante la procedura di caricamento e durante il funzionamento dell'iperpolarizzatore rappresenta un passaggio critico in questo procedimento, necessario per mantenere il rubidio in un'atmosfera inerte. La procedura di caricamento viene eseguita all'interno di una camera a guanti e l'iperpolarizzatore per gas mono-funzione viene mantenuto sotto un'atmosfera protettiva di argon.

Per iniziare questo protocollo, preparare una cella per il pompaggio ottico all'interno di una camera a guanti come descritto nella procedura scritta. Contemporaneamente a questo video, verificare la presenza di ossigeno indesiderato nella camera a guanti accendendo una lampadina con un filamento esposto all'atmosfera: dovrebbe essere sicuro maneggiare il rubidio se non si osserva fumo proveniente dal filamento incandescente. Rompere un'ampolla di rubidio e fondere il metallo alcalino con una pistola termica.

Assorbire un po' di rubidio liquido con una pipetta e iniettarlo nella cella di pompaggio prima di rimuovere la cella dalla camera a guanti. Come indicato nel testo, collegare il dispositivo di riscaldamento alla base della cella e verificare che il dispositivo di riscaldamento, insieme al suo termocoppia, abbia un adeguato contatto termico con essa. Utilizzando un fascio visibile di puntamento, collegare la cella al collettore del polarizzatore, assicurandosi che sia allineata con la traiettoria del fascio laser che illumina la cella durante il processo di pompaggio.

Infine, collegare una termocoppia alla sommità della cella. Espellere l'aria dai collegamenti del tubo fino alle valvole di ingresso e uscita della cella di pompaggio. Dopo aver raggiunto una pressione inferiore a 30 × 10⁻³ mbar.

Svuotare le linee con evacuazione ripetuta di argon e purgare tre volte con il serbatoio di argon aperto all'ingresso della cella di pompaggio. Aprire lentamente la valvola di ingresso e quella di uscita della cella. Aprire con attenzione di un piccolo quantitativo la valvola di uscita del polarizzatore per stabilire un flusso di argon di circa un litro standard al minuto attraverso il collettore, e mantenere questo flusso per due minuti.

Dopo aver chiuso la valvola di uscita del polarizzatore e il collegamento di ingresso al serbatoio di Argonne, accendere il riscaldatore della cella di pompaggio per vaporizzare la goccia di rubidio. Successivamente, aprire il collegamento della miscela di gas xenon al sistema del polarizzatore. Il regolatore del serbatoio deve essere impostato a una pressione relativa di circa 3,5 bar.

Accendere il laser e quindi regolare la sua lunghezza d'onda emessa a circa 794,8 nanometri modificando la temperatura impostata del refrigerante del diodo. Monitorare il profilo del laser mediante uno spettrometro ottico. Accendere il campo magnetico attorno alla cella di pompaggio mentre si monitora il profilo del laser: la trasmissione dovrebbe aumentare immediatamente poiché il campo induce un pompaggio ottico selettivo; attendere che tutte le temperature si stabilizzino.

Il polarizzatore è ora pronto all'uso. Questa animazione riassume la configurazione generale per il pompaggio ottico a scambio di spin. Il fascio laser viene inizialmente aumentato in diametro mediante un espansore di fascio primario e attraversa un cubo divisore di fascio polarizzante, o PBC; la rotazione di questo cubo modifica le intensità relative dei fasci ordinario e straordinario per la posizione di massima trasmissione.

L'asse veloce del PBC è allineato con l'asse di polarizzazione dominante della luce in ingresso. La polarizzazione lineare della luce trasmessa può essere verificata utilizzando un secondo PVC come analizzatore. L'inserimento di una piastra a quarto d'onda converte la polarizzazione lineare in polarizzazione circolare.

Se il suo asse rapido è ruotato di 45 gradi rispetto all'asse rapido del primo PBC, l'intensità della luce trasmessa dovrebbe ora essere indipendente dalla rotazione del secondo cubo. Rimuovendo i componenti analizzatori e sostituendoli con un espansore di fascio secondario, si ottiene il diametro del fascio corretto per illuminare la cella di pompaggio.

Una goccia di rubidio posta in questa cella viene parzialmente vaporizzata. Quando un riscaldatore esterno alla cella viene acceso, la miscela gassosa di xenon che scorre attraverso l'apparato in direzione opposta al fascio laser distribuisce tale vapore in tutta la cella senza l'ausilio di un campo magnetico. Questo provoca una generale eccitazione D1 degli atomi di rubidio e un forte assorbimento della luce laser.

L'attivazione del campo magnetico consente il pompaggio selettivo di una sola transizione tra i sottolivelli magnetici ora definiti. Per prepararsi a una misurazione di NMR, inserire un tubo di prova contenente acqua nella testa della sonda NMR. Eseguire la taratura e l'adattamento del circuito a radiofrequenza (RF) per il canale del protone e quello dello xenon, utilizzando il segnale dell'acqua per l'azzeramento.

Con la procedura automatica di shim dell'interfaccia utente della risonanza magnetica, sostituire il campione di acqua con il fantoccio per flusso di gas. Collegare il tubo dell'uscita del polarizzatore all'ingresso del fantoccio di prova con le sue cinque capillari per iniettare lo xenon e il tubo di sfiato del gas al collegamento con il regolatore di portata massica. Assicurarsi che i regolatori di flusso del gas siano impostati su chiuso e aprire lentamente la valvola dell'uscita del polarizzatore per pressurizzare il fantoccio.

Impostare la portata a circa 0,5 litri standard al minuto. Per avviare un flusso continuo attraverso il fantoccio al fine di determinare la lunghezza necessaria dell'impulso di eccitazione, acquisire una serie di segnali di decadimento libero o segnali FID mediante lo spettrometro NMR. Utilizzare un impulso breve (hard pulse) di circa il 50% della potenza massima consentita per la sonda e diverse lunghezze di eccitazione; in questo caso, si utilizza un impulso breve con attenuazione di 10 decibel.

Inserire i parametri dell'esperimento come indicato nel protocollo scritto allegato a questo video. Dopo aver ridotto il flusso a 0,1 standard leader al minuto e aumentato il tempo di ripetizione a 15 secondi, mantenendo invariati gli altri parametri. Acquisire un insieme di dati con 16 scansioni FID mentre lo xenon iperpolarizzato scorre attraverso il campione.

Eseguire la trasformata di Fourier e misurare l'integrale del picco nello spettro. Annotare la frequenza di risonanza del picco del gas in hertz. Successivamente, evacuare un tubo NMR con pareti spesse dotato di valvola per pressione ridotta e riempirlo con circa due bar di pressione sovraatmosferica di xenon puro.

Svuotare il collettore del gas contenente la provetta NMR e riempire con circa 0,2 bar di ossigeno puro sopra lo xenon all'interno della provetta NMR. Sostituire il fantoccio a flusso di gas precedentemente utilizzato nel magnete NMR con questa provetta NMR a bassa pressione e ripetere la stessa misurazione effettuata con il fantoccio a flusso di gas. Questo fornirà l'intensità di segnale NMR di riferimento per lo Xon ad alta concentrazione polarizzato termicamente.

Per eseguire la spettroscopia in soluzione con xenon, preparare innanzitutto un campione di Khan compreso tra 50 e 200 micromolari, come descritto nel protocollo scritto. Prelevare circa 1,5 millilitri di questa soluzione e versarla nel fantoccio per flusso gassoso, assicurandosi che le cinque capillari in silice fusa permettano un’adeguata insufflazione della soluzione con la miscela gassosa di xenon. Dopo aver preparato il fantoccio all'interno della sonda NMR, utilizzare un'acquisizione FID con un ritardo appropriato.

Impulsi di attivazione provenienti dallo spettrometro per aprire e chiudere i regolatori di portata massica. Eseguire 16 o 32 ripetizioni con una larghezza spettrale di 40 chilohertz centrata a circa 11 chilohertz in campo discendente rispetto alla frequenza di risonanza del gas determinata in precedenza; il tempo di acquisizione del FID dovrebbe essere compreso tra 500 e 1000 millisecondi. Applicare la trasformata di Fourier al FID per ottenere il set spettrale.

Il valore dello spostamento chimico per la fase gassosa, che è il segnale più a destra rispetto allo zero PPM. Riportare la frequenza del segnale intenso in soluzione, che è il segnale più a sinistra, in Hertz e PPM. Annotare inoltre l'offset tra questo segnale a delta soluzione e il segnale dello xenon incapsulato a delta cage.

L'animazione mostrata qui spiega l'effetto sess. Le gabbie di K Khan fungono da ospiti molecolari per intrappolare atomi di xenon, i quali modificano la loro frequenza di risonanza a seguito di questo evento di legame. Rappresentato qui come una transizione dal blu al verde, un primo acquisizione NMR determina la quantità di xenon non legato come segnale di riferimento.

Successivamente, un impulso di saturazione selettivo che interessa solo lo xenon intrappolato distrugge la loro magnetizzazione. Poiché il legame dello xenon è un processo reversibile, un impulso prolungato annulla la magnetizzazione di molti atomi, e una seconda acquisizione NMR rivela una significativa riduzione del segnale proveniente dallo xenon libero rispetto al segnale di riferimento. Dopo aver preparato il campione per NMR come descritto nel protocollo scritto, selezionare una sequenza di imaging a eco planare ad acquisizione singola per un'acquisizione rapida.

Questa sequenza potrebbe essere necessario modificare per includere ritardi e impulsi di attivazione provenienti dallo spettrometro per aprire e chiudere. I regolatori di portata massica permettono circa da 15 a 20 secondi di insufflazione con 0,1 litro standard al minuto e un successivo ritardo di attesa da cinque a otto secondi affinché le bolle scompaiano, seguiti da MRI e rivestimento. Impostare il nucleo di rilevamento allo xenon 1 29 sul canale X e la frequenza dell'osservatore del trasmettitore al valore determinato per il segnale della soluzione.

Utilizzando lo strumento calcolatore dell'impulso RF, convertire i parametri dell'impulso utilizzati nelle misurazioni di spettroscopia nell'eccitazione impiegata nella sequenza di imaging. Aprire il modulo di preparazione CST, un modulo di trasferimento di magnetizzazione modificato per la preparazione del segnale, e abilitare un impulso pre-SAT ad onda continua. Eseguire due scansioni in orientamento trasversale, impostando la frequenza portante di questo impulso di saturazione una volta a delta cage uguale a delta solution meno delta omega e una seconda volta a delta control uguale a delta solution più delta omega.

Utilizzando uno strumento di post-elaborazione delle immagini, generare l'immagine differenziale iper CET sottraendo l'immagine con saturazione al delta cage da quella con saturazione al delta controllo. Il risultato dovrebbe evidenziare esclusivamente le aree in cui era presente l'ospite allo xenon.

La qualità del processo di pompaggio ottico può essere monitorata accendendo e spegnendo il campo magnetico intorno alla cella. A seconda della potenza del laser e della temperatura della cella, si osserva un'assorbimento quasi completo con il campo magnetico spento e una trasmissione di circa il 30% con il campo acceso. Per un sistema di NMR che opera a 9,4 Tesla.

L'amplificamento del segnale dovrebbe essere di circa 16.000 volte confrontando lo xenon termicamente polarizzato con lo xenon iperpolarizzato, il che corrisponde a una polarizzazione di spin di circa il 15%. Lo spettro NMR XENON 1 29 della soluzione A-D-M-S-O contenente 213 micromolare di un ospite molecolare dovrebbe mostrare un segnale di xenon incapsulato con un rapporto segnale-rumore di circa 10 per 16 acquisizioni. Il dataset MRI hyper zest mostra intensità del segnale completa nell'immagine di controllo fuori risonanza e riduzione del segnale nelle aree contenenti la molecola ospite dello xenon. Nell'immagine di saturazione in risonanza, l'immagine della differenza mostra esclusivamente le aree che hanno risposto all'impulso di saturazione.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di garantire un'illuminazione laser adeguata della cella di pompaggio. Questa tecnica può aprire la strada ai ricercatori nel campo dell'imaging NMR per esplorare la rilevazione ad alta sensibilità di analiti biochimici e soluzioni di prova, colture cellulari e potenzialmente animali viventi. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come produrre xon iperpolarizzato per esperimenti NMR.

Non dimenticare che lavorare con il rubidio può essere estremamente pericoloso e che durante tutta questa procedura è sempre necessario adottare precauzioni, come la protezione dall'ossidazione incontrollata.