Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-¹³C]pyruvate

Vogliamo stimare la perdita di polarizzazione di una soluzione iperpolarizzata durante il trasporto dalle apparecchiature iperpolarizzanti allo scanner MRI mentre attraversa diversi campi magnetici. La nostra tecnica stima il tempo di rilassamento spin-reticolo di soluzioni iperpolarizzate a bassi campi magnetici con elevata precisione. Questo metodo non è limitato alla polarizzazione nucleare dinamica e può essere usato per stimare il tempo di rilassamento spin-reticolo di altri metodi di polarizzazione, inclusa la polarizzazione indotta da paraidrogeni.

Quando si esegue questa tecnica, assicurarsi che il campione iperpolarizzato non attraversi o rimanga nell'area a campo zero per un qualsiasi periodo di tempo, altrimenti potrebbe perdere completamente la polarizzazione. Preparare un millilitro di soluzione di acido piruvico arricchito di carbonio-13, ampiamente utilizzata per la ricerca in vivo, composta da 15 millimoli per litro di triarylmethil radicale sciolto in acido piruvico 1-13C. Sull'interfaccia software del polarizzatore nucleare dinamico, fare clic sul pulsante Tempo di recupero per abbassare la temperatura dell'inserto a temperatura variabile a 1,4 kelvin.

Una volta che il DNP ha raggiunto la temperatura desiderata, caricare 10 microlitri della soluzione stock in una tazza campione. Aprire le porte della torretta e inserire la tazza nel VTI utilizzando una bacchetta di inserimento appositamente progettata per questo compito. Estrarre rapidamente la bacchetta e assicurarsi che la tazza sia rilasciata.

Quindi, chiudere le porte della torretta e lasciare che la temperatura del VTI ritorni a 1,4 kelvin. Nel frattempo, preparare il DNP per eseguire una sweep a microonde al fine di trovare la radiofrequenza ottimale per l'iperpolarizzazione della soluzione stock. Alla fine dello sweep a microonde, recuperare il campione.

Quindi, impostare il sistema inattivo e registrare la frequenza ottimale in cui si ottiene la massima polarizzazione. Questa frequenza ottimale è definita come la frequenza di polarizzazione che fornisce la massima polarizzazione. Questa frequenza sarà utilizzata per iperpolarizzare tutte le aliquote ottenute da quella specifica soluzione stock di acido piruvico.

Preparare 250 millilitri di supporto di dissoluzione del materiale come descritto nel protocollo di testo e aggiungere EDTA a una concentrazione di 100 milligrammi per litro per sequestrire qualsiasi contaminazione da ioni metallici. Inoltre, preparare 500 millilitri di soluzione per la pulizia delle scorte costituiti da 100 milligrammi per litro EDTA sciolto in acqua deionizzata. Circa 10 millilitri di questa soluzione detergente vengono utilizzati dopo ogni polarizzazione per pulire il percorso di dissoluzione del DNP.

Raffreddare l'apparato DNP a 1,4 kelvin in preparazione dell'iperpolarizzazione di un campione di acido piruvico 1-13C selezionando il pulsante Tempo di recupero nella finestra principale del DNP. Pesare 30 milligrammi della soluzione di stock di acido piruvico preparata in una tazza di campione. Una volta raggiunta la temperatura VTI desiderata, fare clic su Inserisci campione, selezionare Campione normale e quindi fare clic su Avanti.

Seguendo le precauzioni di sicurezza visualizzate sullo schermo, inserire la tazza nell'apparato DNP freddo utilizzando una bacchetta lunga appositamente progettata per questo compito. Una volta inserita la tazza, rimuovere la bacchetta e chiudere le porte DNP. Nell'interfaccia software DNP fare clic su Avanti e quindi su Fine.

Attendere che la temperatura sia tornata a 1,4 kelvin, quindi fare clic sul pulsante Polarizza campione. Nella nuova finestra popup, impostare il valore di frequenza su quello ottenuto dalla sweep a microonde. Nella stessa finestra, impostare la potenza su 50 milliwatt e il tempo di campionamento su 300 secondi.

Fare clic su Avanti, selezionare la casella Abilita monitoraggio accumulo e quindi fare clic su Fine. Polarizzare fino a quando l'accumulo della magnetizzazione allo stato solido raggiunge almeno il 95% del massimo. Quando si ottiene la polarizzazione desiderata, fate clic su Esegui dissoluzione (Run Dissolution).

In Metodo selezionare Test acido piruvico e quindi fare clic su Avanti. Seguendo le istruzioni sullo schermo, aprire le porte della torretta DNP. Caricare la camera di riscaldamento e pressurizzazione nella parte superiore dell'apparecchio con circa 4,55 millilitri del mezzo di dissoluzione.

Questo produce una concentrazione di 80 millimoli per litro di piruvato al momento della dissoluzione a un pH di 7,75 e una temperatura di 37 gradi Celsius. Posizionare la bacchetta di recupero nella posizione giusta e chiudere le porte della torretta. Sull'interfaccia software DNP, fare clic su Avanti e quindi su Fine.

A quel punto, il supporto di dissoluzione verrà surriscaldato fino a quando la pressione raggiunge 10 bar. Una volta raggiunta la pressione di 10 barre, il piruvato congelato e iperpolarizzato viene automaticamente sollevato dal bagno di elio liquido, rapidamente miscelato e scongelato con il supporto di dissoluzione surriscaldato. La miscela viene quindi espulsa attraverso un tubo capillare in un pallone a forma di pera.

Mentre la miscela iperpolarizzata di piruvato e dissoluzione viene espulsa, ruotare costantemente il pallone per garantire una miscela omogenea. Quando tutta la miscela è stata espulsa, estraggono rapidamente 1,1 millilitri del liquido in una siringa. Trasferire la miscela in un tubo NMR pre-riscaldato di 10 millilitri di diametro e trasportarlo rapidamente al rilassantometro da campo.

Pulire immediatamente il percorso del fluido DNP utilizzando un mezzo di dissoluzione pulito, seguito da etanolo. Quindi, rimuovere la tazza e soffiare gas elio attraverso il percorso del fluido per rimuovere eventuali liquidi di pulizia rimanenti ed eliminare il percorso dell'ossigeno. Pulire tutte le vetrerie.

Dopo ogni misurazione, registrare il pH dei campioni dallo spettrometro da banco. Inoltre, registrare il pH dei campioni sul rilassantometro da campo. Prima della dissoluzione, l'angolo di capovolgimento del rilassantometro deve essere calcolato e il rilassantometro deve essere impostato e pronto per la misurazione della soluzione iperpolarizzata.

Per eseguire misurazioni T-one, assicurarsi che la bobina di shim esterna sia installata ed energizzata. Nel software dello strumento, selezionare la scheda Par principale. Quindi, fare clic sulla cella accanto all'etichetta Esperimento e scorrere verso il basso nella finestra popup per selezionare la sequenza di impulsi HPUB/S.

Ora, imposta i parametri di acquisizione. Impostare l'attenuazione della radiofrequenza su 25 decibel, il T1 massimo su valori compreso tra tre e cinque secondi, il tempo di commutazione a 0,2 secondi, il ritardo di riciclo a zero secondi e il campo di rilassamento nel campo di rilassamento desiderato in megahertz. Selezionare quindi la scheda Parametri di acquisizione, seguita dalla sottoschede Base.

Fare clic sulla cella accanto all'etichetta Nucleus e scorrere verso il basso nella finestra popup per selezionare il carbonio-13. Quindi, impostare la frequenza del sistema su otto megahertz, la larghezza di sweep su un megahertz, la dimensione del blocco su 652 e la larghezza di banda del filtro su 50.000 hertz. Selezionare quindi la sottoschede Configurazione.

Impostare il tempo di larghezza dell'impulso di 90 gradi sul valore precedentemente determinato, il ricevitore inibisce il tempo a 25 microsecondi e il tempo di ritardo di acquisizione su 25 microsecondi. Selezionate la sottoscheta Impulso (Pulse) e impostate l'angolo di capovolgimento dell'impulso RF principale su cinque gradi. Selezionare quindi la sottoschede Numero di dimensioni e impostare il numero di blocchi su 100.

Attendere e prepararsi a ricevere la soluzione iperpolarizzata per avviare l'acquisizione dei dati. Immediatamente prima di inserire il campione nel rilassantometro, avviare manualmente la sequenza di impulsi dalla console per evitare di inserire il campione in un campo magnetico nullo. Per questo motivo, è importante ignorare il primo decadimento a induzione libera, o FID, durante l'analisi dei dati.

È importante iniziare l'acquisizione dei dati prima di introdurre il campione nel rilassantometro per evitare campi magnetici nulli che causeranno una perdita di polarizzazione. Una volta terminata l'acquisizione, salvare i dati facendo clic sul pulsante Salva. Utilizzando il software di analisi, integrare la grandezza di ogni segnale FID per produrre una serie di dati composta da magnetizzazione del campione in funzione del tempo.

Viene mostrato un esempio di sweep a microonde ad alta risoluzione a gamma completa per l'acido piruvico. Per il caso presentato, quella frequenza ottimale delle microonde corrisponde a 94.128 gigahertz. Qui è mostrata una tipica serie di FID in decomposizione mentre viene campiozionata la magnetizzazione iperpolarizzata.

La curva di rilassamento per piruvato iperpolarizzato 1-13C è stata ottenuta dai dati della figura precedente. Ogni punto blu sulla curva rappresenta l'area sotto un FID. Il valore T1 di 53,9 più o meno 0,6 secondi è stato ottenuto da un minimo quadrato non lineare che si adatta all'equazione del segnale ai dati della curva di decadimento, che includeva gli effetti dell'angolo di capovolgimento utilizzato per l'eccitazione.

Vengono mostrati i risultati T1 per tutte le misurazioni 26 su un intervallo da 0,237 millitesla a 0,705 tesla a 37 gradi Celsius. Ogni misura T1 in un dato campo di rilassamento è una dissoluzione iperpolarizzata separata dall'apparato DNP. La linea solida rappresenta la formula e le linee tratteggiate rappresentano le bande di confidenza del 95%.

L'analisi dei risultati ha mostrato che il tempo di rilassamento per il nucleo C-1 è di 46,9 secondi al campo magnetico terrestre, rispetto ai 65 secondi a tre tesla, che rappresenta una diminuzione del 28%È importante installare ed energizzare la bobina di shim esterna e iniziare l'acquisizione subito prima di inserire il campione per evitare campi magnetici nulli e la potenziale perdita di polarizzazione. Seguendo questo metodo, la procedura di campionamento potrebbe essere utilizzata con mezzi di dissoluzione deuterati per estendere i tempi di rilassamento spin-reticolo della soluzione iperpolarizzata.