高速走査電子常磁性共鳴イメージング生理学的に重要なパラメータのための新しい道を開きます。インビボ

Rapid Scan Electron 常磁性イメージング(RSEPRI)の全体的な目標は、生物医学研究に役立つ酸素濃度、pH、酸化還元状態、シグナル伝達分子の濃度に関する定量的情報を提供することです。EPRIは、腫瘍環境に関するがん研究における重要な質問に答えるために使用できるツールです。ラピッドスキャンESRイメージングの主な利点は、連続波またはCW ESRイメージングと比較して、より多様なプローブ分子を使用して、はるかに高速により多くの情報を取得できることです。

酸化還元の状態やpHに敏感な分子は、ラピッドスキャンEPRIが真価を発揮する良い例です。この手順は、テキストプロトコルで決定されたラピッドスキャン実験条件の計算から開始します。ラピッドスキャンの重要な部分の1つは、信号が共振器の帯域幅とスキャン周波数の掃引幅などの実験条件に依存することを理解することです。

実験を本当に最適化するには、3つすべてを理解する必要があります。ラピッドスキャンコイルドライバには2つのアンプがあります。コンデンサを選択するときは、コンデンサボックスの両側で等しい静電容量でコンデンサボックスのバランスをとる必要があります。

両側は直列です。コンデンサボックスの上部カバーを緩め、決定された値に等しいコンデンサを両側に挿入します。コンデンサボックスの上部を元に戻し、ねじ込んでオンのままになるようにします。

共振コイルドライバーのフロントパネルを使用して、正弦波が最大振幅になるまで出力周波数を調整します。ラジカルを調製するには、N-15 PDTを冷凍庫から取り出し、容器を室温に戻します。分析天びんを使用して1.4ミリグラムのN-15 PDTを計量します。

1.4ミリグラムのN-15 PDTを15ミリリットルの脱イオン水に加えると、最終濃度が0.5ミリモルになります。次に、50ミリのBMPOと5ミリリットルの水を16ミリ石英の石英照射管に混ぜ合わせます。100マイクロリットルの300ミリモル過酸化水素を追加します。

16ミリ石英照射管に中圧450ワット紫外線ランプを5分間照射します。ガラス製トランスファーピペットを使用して、照射したBMPO-OH溶液の2点5ミリリットルを石英照射管から取り出し、3ミリメートルの仕切りを備えた16ミリリミッター石英サンプルチューブの片側に移します。照射したBMPO-OHの残りの2点5ミリリットルを、仕切りで石英サンプルチューブの反対側に移します。

2つ目の重要なステップは、電力飽和曲線を理解することです。スキャンレートが上がると、信号が飽和する前に、より高い電力とより大きな信号振幅にアクセスできるようになります。信号振幅を大きくすることも、集録時間を短縮する方法です。

まず、水中の0.5ミリモルN-15PDTの15ミリリットルサンプルを16ミリメートルの石英電子常磁性共鳴管に挿入して、ニトロキシドラジカルの水性サンプルで共振器を調整します。石英管をクロスループラピッドスキャン電子常磁性共鳴またはRSEPR共振器の検出側に挿入します。サンプルを含む検出側の周波数と一致するまで、測定器ソースの周波数を変更します。

次に、励起側の周波数を、実験ソースの周波数と共振器の検出側の周波数に合わせて変更します。励起側の周波数を変更するには、共振器キャビティ内の可変コンデンサを回転させます。装置コンソールとメインマグネットを設定するには、分光器の電源を入れ、横軸に経時的なデータを記録する実験を選択します。

pHまたは酸化還元ステータスに敏感なラジカルを調べるために使用されるのと同じ実験条件下で、標準的なニトロキシドラジカルサンプルでパワー飽和曲線を実行します。システムのセットアップが完了すると、グラジエントは手動またはイメージング実験用のコンピュータープログラムを介して適用されます。ESR信号強度は、共振器のマイクロ波場に正比例し、スピンを1つのエネルギーレベルから次のエネルギーレベルに移動します。

このマイクロ波フィールドの名前は B1 です。B1はマイクロ波電力の平方根に比例します。マイクロ波の電力が4倍になると、B1は2倍になります。この図では、電力は 8 ミリワットから 32 ミリワットに 4 倍になり、B1 は 18 ミリガウスから 36 ミリガウスに倍

電力飽和曲線は、マイクロ波電力の平方根の関数として相対振幅をプロットするか、共振器の効率がわかっている場合はB1をプロットすることで作成できます。この曲線の線形領域は、ESR 信号が飽和または歪んでいない電力領域を示しています。ラピッドスキャン実験の利点の1つは、黒色の点で表される通常のCW実験と比較して、色付きのドットで表される線形電力範囲が拡張されることです。ここに示されているのは、BMPO-OH付加体を3ミリメートル間隔で5マイクロモルの濃度で形成したファントムの2次元スペクトル空間画像です。

画像のスライスは、250メガヘルツのスペクトル形状を示しています。この画像は、1点5mmの厚さの壁が2つのサンプルチャンバーを隔てるファントムでin vivoで一酸化窒素をトラップするために使用できるN-14ニトラニルラジカルを示しています。250メガヘルツのスペクトル形状をここに示します。

pH感受性トリアリールメチルラジカルの2次元画像は、リン酸緩衝液のpHが7ポイントゼロに等しい場合、またはpHが7ポイント4に等しい場合のスペクトル特性の違いを反映しています。この画像は、10mmスペーサーを備えた2コンパートメントファントム内のN-15ジニトロキシドを示しています。最初に、両方のコンパートメントには0.5ミリモルプローブが含まれています。

ジニトロキシドにグルタチオンを付加すると、還元リンカー領域が切断され、2つのモノニトロキシドが生成され、その変化が2次元画像に反映されます。ラピッドスキャンESRの開発は、不対電子を持つ分子を研究する能力における完全なパラダイムシフトです。今日はin vivo ESRへの応用を見てきましたが、金属を含む化合物の低温研究や、他の多くの種類のシステムにも大きな可能性を秘めています。

これまでに調査したすべてのサンプルで、少なくとも1桁、場合によってはそれ以上のS/N比の改善が見られました。