Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach NMR i MRI

19.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/4268

⸱

6 września 2012

 ,  ,  ,  , 
1ERC Project BiosensorImaging, Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano proces wytwarzania hiperpolaryzowanego ksenonu za pomocą optycznego pompowania wymiany spinowej (SEOP). Metoda ta pozwala na ok. 10000-krotne zwiększenie polaryzacji spinu jądrowego Xe-129 i znajduje zastosowanie w spektroskopii oraz obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego jąder. Przedstawiono przykłady eksperymentów w fazie gazowej oraz w stanie roztworu.

Streszczenie

Spektroskopia i obrazowanie magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR/MRI) charakteryzują się niską czułością, ponieważ nawet silne zewnętrzne pola magnetyczne o natężeniu ~10 T generują w temperaturze pokojowej jedynie niewielką, wykrywalną namagnesowanie netto próbki 1. W związku z tym większość zastosowań NMR i MRI opiera się na detekcji cząsteczek o stosunkowo wysokim stężeniu (np. wody w obrazowaniu tkanek biologicznych) lub wymaga nadmiernie długiego czasu akwizycji. Ogranicza to możliwość wykorzystania bardzo użytecznej specyficzności molekularnej sygnałów NMR w wielu zastosowaniach biochemicznych i medycznych. W ostatnich latach pojawiły się jednak nowe podejścia: manipulacja wykrywanymi gatunkami spinowymi przed detekcją wewnątrz magnesu NMR/MRI może drastycznie zwiększyć namagnesowanie, a tym samym umożliwić detekcję cząsteczek o znacznie niższym stężeniu 2.

W niniejszej pracy przedstawiamy metodę polaryzacji mieszaniny gazu ksenonowego (2-5% Xe, 10% N2, reszta He) w kompaktowej instalacji, zapewniającą około 16000-krotne wzmocnienie sygnału. Nowoczesne lasery diodowe o zwężonej linii pozwalają na efektywną polaryzację 7 i bezpośrednie wykorzystanie mieszaniny gazowej, nawet jeśli gaz szlachetny nie został oddzielony od pozostałych składników. Omówiono działanie aparatury SEOP oraz zaprezentowano wyznaczanie osiągniętej polaryzacji spinowej w celu kontroli wydajności metody.

Hiperpolaryzowany gaz może być wykorzystywany do obrazowania wolnych przestrzeni, w tym do obrazowania przepływu gazu lub badań dyfuzji na granicach faz z innymi materiałami 8,9. Ponadto sygnał NMR Xe jest niezwykle czuły na otoczenie molekularne 6. Umożliwia to jego zastosowanie jako środka kontrastowego w NMR/MRI po rozpuszczeniu w roztworze wodnym z funkcjonalizowanymi gospodarzami molekularnymi, które tymczasowo zatrzymują gaz 10,11. Bezpośrednią detekcję oraz wysokoczułą detekcję pośrednią takich struktur zaprezentowano zarówno w trybie spektroskopowym, jak i obrazowania.

Wprowadzenie

Agenty hiperpolaryzowane budzą coraz większe zainteresowanie w zastosowaniach NMR/MRI, ponieważ w określonych warunkach mogą rozwiązać problem czułości 2. Obecnie stosuje się trzy główne podejścia (dynamiczną polaryzację jądrową, DNP; polaryzację indukowaną parawodorem, PHIP; oraz optyczne pompowanie wymiany spinowej, SEOP), które polegają na sztucznym zwiększeniu różnicy populacji spinów poza magnesem NMR przed właściwym eksperymentem spektroskopowym lub obrazowym. W niniejszym materiale opisujemy funkcję i działanie układu SEOP, który został zoptymalizowany pod kątem produkcji hiperpolaryzowanego 129Xe wykorzystywanego w eksperymentach w stanie roztworu.

Niezbędnym elementem jest intensywne źródło światła emitujące fotony podczerwieni o długości fali 795 nm. Macierze diod laserowych (LDA) to wygodne urządzenia zapewniające wysoką moc wyjściową > 100 W przy rozsądnym koszcie. W wielu układach LDA emituje światło do światłowodu, który w mniejszym lub większym stopniu zachowuje polaryzację światła laserowego. Aby zagwarantować prawidłowy przebieg procesu SEOP, polaryzacja eliptyczna musi zostać przekształcona w polaryzację kołową o wysokiej czystości. Główne komponenty optyki polaryzacyjnej przedstawiono na Rysunkach 1 i 2, a konfiguracja systemu została wyjaśniona schematycznie w filmie uzupełniającym 1.

Aby uzyskać kołową polaryzację światła, najpierw podłączamy końcówkę włókna do optyki rozszerzającej wiązkę główną (np. kolimatora światłowodowego) w celu zmniejszenia gęstości mocy. Następnie światło przechodzi przez kostkę polaryzacyjnego dzielnika wiązki, generując światło liniowo spolaryzowane. Poprzez obracanie tej kostki możemy za pomocą watometru określić preferowaną oś pozostałej polaryzacji. Maksymalna transmitancja odpowiada sytuacji, w której szybka oś kostki jest wyrównana z główną osią polaryzacji światła. Kostki o wysokich współczynnikach wygaszenia (100 000 : 1 lub lepszych) zapewniają dobrą separację składowych polaryzacji. Można to sprawdzić, używając drugiej kostki dzielnika wiązki jako analizatora, którą obraca się podczas gdy pierwsza jest ustawiona dla maksymalnej transmitancji wiązki nadzwyczajnej.

Po potwierdzeniu liniowej polaryzacji światła przechodzącego, w wiązkę nadzwyczajną wprowadza się płytkę ćwierćfalową (λ/4) zaprojektowaną dla 795 nm, aby przekształcić polaryzację liniową w kołową. W tym celu oś szybką płytki ćwierćfalowej obraca się o 45 ° względem osi szybkiej kostki dzielnika wiązki. (W razie potrzeby, w podobny sposób można uzyskać polaryzację kołową odbitej wiązki zwyczajnej, której oś polaryzacji liniowej jest prostopadła do wiązki nadzwyczajnej).

Jakość polaryzacji kołowej można sprawdzić za pomocą drugiego kostki dzielnika wiązki, która powinna zapewniać stałą transmitancję podczas obrotu. Następnie wtórna optyka rozszerzająca wiązkę (np. dwie soczewki w konfiguracji teleskopu Galileusza) zwiększa średnicę wiązki, aby całkowicie oświetlić cel szklany podczas procesu pompowania wewnątrz komory pieca. Absorpcja światła laserowego przez opary Rb w celi jest monitorowana przez otwór przypływowy za celą pompową na końcu komory: kolimator zbiera osłabioną wiązkę IR w celu analizy za pomocą spektrometru optycznego (patrz Rycina 3 w celu zapoznania się z konfiguracją celi pompowania).

Mechanizm grzewczy znajdujący się na zewnątrz celi pompowania częściowo odparowuje kroplę Rb znajdującą się wewnątrz celi (Rysunek 4a), co powoduje absorpcję światła laserowego. Gęstość pary można regulować za pomocą wartości zadanej grzania w odpowiednim kontrolerze PID. Wysokie temperatury (ok. 190 °C) są korzystne w kompaktowych układach, w których ksenon ma ograniczony czas na zbudowanie polaryzacji. Mieszanina gazów zawierająca Xe, N2 oraz He przepływa przez celę pompowania w kierunku przeciwnym do wiązki lasera (Rysunek 3). Zewnętrzne pole magnetyczne wyrównane z wiązką lasera zapewnia, że fotony IR pompują tylko jedno przejście Rb. Relaksacja stanów elektronowych jest szybka i musi być nieradiacyjna, aby uniknąć emisji fotonów IR o „błędnej” polaryzacji. W tym miejscu N2 pełni rolę gazu wygaszającego. W rezultacie w układzie Rb powstaje nadpopulacja jednego z podpoziomów stanu podstawowego, podczas gdy drugi jest stale opróżniany przez laser (Rysunek 5). Ksenon, wchodząc w bliski kontakt z atomami Rb, ulega oddziaływaniom spin-spin, a polaryzacja spinu elektronowego jest przenoszona na jądra Xe w procesach typu flip-flop.

Hiperpolaryzowany gaz wypływający z komory pompowania zawiera śladowe ilości par Rb, które skraplają się na ściankach rurek w odległości kilku cm od wylotu ze względu na niską temperaturę (podobnie jak na Rysunku 4b). Zastosowania in vivo wymagałyby jednak dodatkowego usunięcia metalu alkalicznego (np. za pomocą pułapki zimna), natomiast eksperymenty in vitro można bezpiecznie przeprowadzać z gazem bezpośrednio po jego opuszczeniu hiperpolaryzatora. Rurki teflonowe łączą wylot polaryzatora z wlotem szklanego aparatu służącego do przeprowadzania eksperymentów NMR na roztworach testowych. Do regulacji ilości Xe przepływającej do układu NMR stosuje się kontrolery przepływu masowego. Są one uruchamiane za pomocą komend w sekwencji impulsów NMR. Po sprawdzeniu osiągniętego wzrostu polaryzacji gaz może być wykorzystany jako środek kontrastowy w badaniach NMR/MRI w stanie roztworu.

Xe wykazuje określoną rozpuszczalność w wodzie (4,5 mM/atm) oraz w innych rozpuszczalnikach. Dzięki temu może on już sam w sobie służyć jako środek kontrastowy do obrazowania rozkładu niektórych cieczy. Możliwe jest jednak również powiązanie jąder aktywnych w NMR z określonymi cząsteczkami, aby pozyskać informacje specyficzne dla danej cząsteczki za pośrednictwem tego w innym wypadku obojętnego gazu. Poprzez zapewnienie gospodarza molekularnego dla rozpuszczonego Xe można nadać sygnałowi Xe NMR specyficzność molekularną. Daje to możliwość zaprojektowania funkcjonalizowanych środków kontrastowych – nazywanych również biosensorami – w przypadku, gdy taka struktura gospodarza zostanie sprzężona z jednostką celującą, która wiąże się ze specyficznymi analitykami o znaczeniu biomedycznym (Rysunek 6).

Dalsze zwiększenie czułości jest wymagane w przypadku, gdy biosensor powinien być wykrywany przy stężeniach niskich dla kontrastów do MR (< 100 μM). Można to osiągnąć za pomocą transferu nasycenia poprzez wymianę chemiczną (CEST). Metoda ta wykrywa biosensor pośrednio poprzez niszczenie namagnesowania zamkniętego Xe i obserwację zmiany sygnału wolnego Xe w roztworze. Ponieważ hiperpolaryzowane jądra są nieustannie zastępowane w odstępach około 10 ms, wiele od 100 do 1000 jąder przenosi informacje do wykrywanej puli i wzmacnia sygnał około 103-krotnie (patrz film 2).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie układu SEOP

Rubid musi zostać wprowadzony do komórki pompowania optycznego, aby umożliwić przekazanie polaryzacji ze światła laserowego na ksenon. Ze względu na wysoką reaktywność proces ten musi przebiegać bez kontaktu Rb z tlenem lub wodą, w przeciwnym razie ulegnie on utlenieniu i nie spolaryzuje Xe. Należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ Rb gwałtownie reaguje z wodą.

  1. Jeśli ogniwo optyczne było wcześniej używane, będzie ono pokryte warstwą Rb i tlenku Rb, co pokazano na Rysunku 4b. Przed użyciem ogniwo musi zostać oczyszczone. Zamknij rurki wlotowe i wylotowe ogniwa optycznego. Przenieś ogniwo do dygestorium, utrzymując w nim nadciśnienie. W dygestorium, stosując odpowiednie środki ochrony osobistej, otwórz ogniwo na atmosferę i odczekaj około jednej godziny, aby powierzchnia Rb uległa utlenieniu.
  2. Ostrożnie wprowadź pipetą czysty izopropanol do ogniwa. Rozpuści to warstwę tlenku Rb, a błyszczące kropelki Rb będą przemieszczać się po powierzchni izopropanolu jak krople wody na płycie grzejnej. Wlej izopropanol (wraz z wszelkimi kropelkami Rb) do zlewki. Powtarzaj czynność do całkowitego usunięcia Rb.
  3. Jeśli to nadal nie usunie całego Rb, przygotuj roztwór 10 % wody i 90 % izopropanolu i powtórz krok 1.2), zwiększając zawartość wody (w krokach co 10 %), aż do całkowitego usunięcia Rb.
  4. Po usunięciu całego Rb przepłucz ogniwo optyczne acetonem.
  5. Przenieś wcześniej ewakuowane, a następnie napełnione argonem ogniwo do pompowania optycznego do komory rękawicowej z atmosferą argonu. Zabierz również ampułkę rubidu, narzędzie do rozbicia ampułki, pipety Pasteura, chusteczki Kimwipes oraz opalarkę. Aby utrzymać suchą atmosferę w komorze rękawicowej, umieść w niej szalkę Petriego z pięciotlenkiem fosforu jako osuszaczem. Obecność niepożądanych śladów tlenu można monitorować za pomocą żarówki, której szklana bańka jest otwarta, aby odsłonić żarnik na atmosferę komory rękawicowej. Warunki są odpowiednie, dopóki po włączeniu światła nie pojawia się dym.
  6. Otwórz port napełniający ogniwa do pompowania, rozbij ampułkę Rb i roztop metal alkaliczny za pomocą opalarki. Pobierz pipetą trochę ciekłego Rb i wstrzyknij go do ogniwa do pompowania.
  7. Zamknij port napełniający po zwiększeniu ciśnienia argonu w komorze rękawicowej, aby utrzymać niewielkie nadciśnienie w ogniwie do pompowania podczas transportu do układu polaryzatora. Wyjmij ogniwo z komory rękawicowej.
  8. Podłącz ogniwo do kolektora polaryzatora, upewniając się, że jest ono wyrównane z linią wiązki lasera oświetlającej ogniwo podczas procesu pompowania (można to zrobić za pomocą wiązki celowniczej światła widzialnego, Rysunek 7) i sprawdź, czy urządzenie grzewcze wraz z termoparą ma odpowiedni kontakt termiczny z ogniwem (jak na Rysunku 4a). Przymocuj termoparę do górnej części ogniwa.
  9. Odsysaj powietrze z połączeń rur aż do zaworu wlotowego i wylotowego ogniwa do pompowania. Po osiągnięciu ciśnienia < 30x10-3 mbar, przedmuchaj linie wysokiej czystości Ar (lub azotem). Powtórz tę czynność trzy razy.
  10. Przy otwartym zbiorniku Ar podłączonym do wlotu ogniwa do pompowania, powoli otwórz zawór wlotowy i wylotowy ogniwa. Ostrożnie otwórz minimalnie zawór wylotowy polaryzatora, aby ustanowić przepływ Ar o wartości ok. 1 SLM przez kolektor. Utrzymuj ten przepływ przez 2 min. Do tego czasu zanieczyszczenia tlenem powinny zostać w znacznej mierze wyeliminowane, aby uniknąć utleniania Rb. Zamknij zawór wylotowy polaryzatora oraz przyłącze wlotowe do zbiornika Ar.
  11. Włącz grzałkę ogniwa do pompowania (ustaw temperaturę na ok. 180-190 °C dla grzałki taśmowej zamontowanej pod ogniwem). Spowoduje to odparowanie części kropelki Rb.
  12. Otwórz przyłącze mieszanki gazu Xe do układu polaryzatora. Regulator zbiornika powinien być ustawiony na nadciśnienie ok. 3,5 bar.
  13. Włącz laser i dostrój jego długość fali emisji do ok. 794,8 nm poprzez regulację ustawionej temperatury chłodziwa diody. Monitoruj profil lasera za pomocą spektrometru optycznego.
  14. Ciągłe odparowywanie Rb powoduje zwiększenie absorpcji lasera. Upewnij się, że profil emisji lasera jest absorbowany symetrycznie (w razie potrzeby ponownie dostosuj temperaturę chłodziwa). Gdy czujnik temperatury na górze ogniwa wskaże ok. 100 °C, powinna zostać zaobserwowana znacznie zredukowana transmitancja lasera (patrz Rysunek 8).
  15. Absorpcja laserowa powoduje również dodatkowe nagrzewanie, zwiększając tym samym ciśnienie w ogniwie. Monitoruj warunki w ogniwie i ostrożnie upuszczaj gaz z wylotu polaryzatora (jak w normalnej pracy), aby zwolnić część ciśnienia, gdy wartość ta zbliża się do limitu, na jaki przystosowane jest ogniwo do pompowania (5 bar abs. w naszym układzie).
  16. Włącz pole magnetyczne (ok. 2-3 mT) wokół ogniwa do pompowania, monitorując profil lasera. Transmitancja powinna natychmiast wzrosnąć, ponieważ pole powoduje selektywne pompowanie optyczne (patrz Rysunek 8).
  17. Odczekaj, aż wszystkie temperatury się ustabilizują. Polaryzator jest teraz gotowy do użycia.

2. Przygotowanie układu NMR

  1. Włóż probówkę z wodą do głowicy sondy NMR, a następnie przeprowadź strojenie i dopasowanie obwodu częstotliwości radiowej (RF) dla kanału protonowego i ksenonowego.
  2. Wykonaj shimowanie w oparciu o sygnał wody, korzystając z automatycznej procedury shimowania w interfejsie użytkownika MRI.

3. Ilościowe określanie hiperpolaryzacji

  1. Podłącz rurkę wylotową polaryzatora do wlotu fantoma testowego z ok. 5 kapilarami w celu wstrzyknięcia Xe, a rurkę odprowadzającą gaz do przyłącza z regulatorem przepływu masy.
  2. Upewnij się, że regulatory przepływu gazu są ustawione na pozycję „zamknięte” i powoli otwórz zawór wylotowy polaryzatora, aby zwiększyć ciśnienie w fantomie. Ustaw natężenie przepływu na ok. 0,5 SLM, aby rozpocząć ciągły przepływ przez fantom. Na podstawie objętości fantoma i natężenia przepływu gazu oszacuj czas potrzebny na całkowitą wymianę objętości gazu. W naszej konfiguracji wynosi on ok. 2 s.
  3. W celu określenia wymaganej długości impulsu wzbudzenia, zarejestruj serię sygnałów swobodnego zaniku indukcji (FID) za pomocą spektrometru NMR, stosując impuls twardy z tłumieniem 10 dB i różnymi długościami wzbudzenia (np. 5-100 μsec). Pozostałe parametry to: szerokość widma sw = 10 kHz, czas akwizycji ta = 1 s oraz czas repetycji TR dłuższy niż czas wymiany obliczony w kroku 3.2. Częstotliwość impulsu wzbudzenia dla gazu Xe przy 9,4 T wynosi ok. 110,683 MHz. FID z najsilniejszym sygnałem pozwoli wyznaczyć prawidłową kombinację mocy i długości impulsu dla maksymalnego sygnału.
  4. Po zmniejszeniu przepływu do 0,1 SLM, zwiększeniu TR do 15 s (aby wynik był porównywalny z krokiem 3.7) i pozostawieniu pozostałych parametrów bez zmian, zarejestruj zestaw danych obejmujący 16 skanów FID podczas przepływu hiperpolaryzowanego Xe przez próbkę. Wykonaj transformację Fouriera i zmierz amplitudę piku w widmie. Jest to intensywność sygnału dla hiperpolaryzowanej mieszaniny gazowej ksenonu. Zanotuj również częstotliwość rezonansową piku gazu w Hz.
  5. Odsysaj powietrze z grubościennej rurki NMR wyposażonej w zawór do uszczelniania niskociśnieniowego, a następnie napełnij ją czystym ksenonem do nadciśnienia ok. 2 bar.
  6. Odsysaj powietrze z kolektora gazowego, w którym znajduje się rurka NMR, a następnie wprowadź do rurki NMR ok. 0,2 bar czystego tlenu ponad Xe (tj. dostosowując ciśnienie O2 do nadciśnienia 2,2 bar). Tlen przyspieszy relaksację namagnesowania Xe po wzbudzeniu RF (pozwala to na pracę z TR = 15 s; w przeciwnym razie proces wymagałby bardzo długiego TR, jeśli gaz nie jest wymieniany przed kolejnym wzbudzeniem, jak w kroku 3.4).
  7. Zastąp wcześniej używany fantom przepływu gazu w magnesie NMR tą niskociśnieniową rurką NMR i wykonaj sekwencję impulsów NMR tak jak w punkcie 3.4. Pozwoli to uzyskać intensywność sygnału NMR dla termicznie spolaryzowanego Xe o wysokim stężeniu.
  8. Porównaj intensywności sygnałów Xe termicznie i hiperpolaryzowanego, a następnie oblicz wzmocnienie sygnału, uwzględniając różne stężenia i ciśnienia. Oblicz polaryzację spinową w następujący sposób:

W pierwszej kolejności należy wyznaczyć termiczną polaryzację spinową Pth jako wartość odniesienia. Jest ona definiowana jako różnica populacji dwóch stanów spinowych podzielona przez sumę populacji, t.j.,

Równanie analizy statystycznej, wzór na obliczanie P, pokazane symbole N+ i N-.
W temperaturze pokojowej wartość ta jest określona przez przybliżenie dla wysokich temperatur, a stosunek populacji R jako

Równanie równowagi statycznej; P= (1-R)/(1+R), R=exp(-γBc/kT); formuła matematyczna.
(k to stała Boltzmanna, T temperatura bezwzględna, a γ stosunek gyromagnetyczny). Ponieważ energia termiczna kT jest zdecydowanie dominującym czynnikiem, R jest bliskie 1, t.j. 0,999982232 dla Xe przy B0 = 9,4 T. Daje to Pth (9,4 T) = 8,9 10-7.

Następnie należy obliczyć znormalizowany współczynnik wzmocnienia sygnału ε z proporcji sygnału hiperpolaryzowanego Shp i sygnału z polaryzacji termicznej Sth (przy założeniu, że wszystkie parametry sekwencji impulsów NMR były identyczne dla obu zastosowań):

Wzór na wydajność; analiza termodynamiczna; zwięzły zapis naukowy.
gdzie c i p reprezentują odpowiednio stężenie Xe w mieszaninie gazów (w %) oraz ciśnienie mieszaniny gazów dla obu eksperymentów z Xe termicznie i hiperpolaryzowanym. Osiągnięta hiperpolaryzacja jest następnie określona przez iloczyn εPth.

4. Funkcjonalizowana spektroskopia w stanie ciekłym ksenonu

  1. Przygotować roztwór (funkcjonalizowanego) gospodarza ksenonu o stężeniu 50-200 μM (np. kryptofan-A z jednostką celującą). W zależności od hydrofobowości konstrukcji klatki, dodać do wody jako rozpuszczalnika odpowiednią ilość DMSO. W naszym przykładzie z klatką kwasowym monoestrem kryptofanu-A najprościej jest zastosować czysty DMSO. Odmierzyć ok. 1,5 ml tego roztworu i wlać do fantomu przepływu gazu, upewniając się, że 5 kapilar z topionej krzemionki umożliwia odpowiednie bąbelkowanie roztworu mieszaniną gazu Xe. Przeprowadzić test bąbelkowania poza magnesem NMR przy przepływie 0,1 SLM i sprawdzić, czy nie występuje niepożądane, nadmierne pienienie.
  2. Wprowadzić fantom do głowicy NMR, dostroić i dopasować oba kanały (protonowy oraz X) i przeprowadzić automatyczne shimowanie zgodnie z krokiem 2.2.
  3. Zastosować akwizycję FID z odpowiednimi opóźnieniami i impulsami wyzwalającymi ze spektrometru w celu otwierania i zamykania sterowników przepływu masy. Pozostawić roztwór na ok. 15-20 s bąbelkowania przy 0,1 SLM, a następnie zastosować 5-8 s opóźnienia w oczekiwaniu na zniknięcie pęcherzyków, po czym wykonać wzbudzenie RF i odczyt FID.
  4. Wykonać 16 lub 32 powtórzeń (w zależności od stężenia klatki) z sw = 40 kHz, wycentrowanych ok. 11 kHz w kierunku pola silniejszego (downfield) od częstotliwości rezonansu gazu wyznaczonej w kroku 3.4. Odczyt FID powinien wynosić 500-1 000 m. Przekształcić FID za pomocą transformaty Fouriera w celu uzyskania widma.
  5. Ustawić wartość przesunięcia chemicznego dla sygnału położonego najbardziej po prawej stronie (faza gazowa) na 0 ppm. Zapisać częstotliwość intensywnego sygnału roztworu (sygnał najbardziej po lewej stronie) w Hz i ppm. Odnotować również offset między tym sygnałem przy δsolution a sygnałem inkapsulowanego Xe przy δcage ~ 60 - 80 ppm w ppm. Offset ten nazywamy Δω (patrz również reprezentatywne wyniki).

5. Obrazowanie Hyper-CEST

  1. W celu przetestowania zdolności cząsteczki gospodarza ksenonu do działania jako środek kontrastowy można przeprowadzić eksperyment z wykorzystaniem fantomu dwukomorowego. Aby to zrobić, należy pobrać ok. 50% roztworu testowego z sekcji 4 i wlać go do probówki NMR 5 mm. Wstaw tę probówkę do układu bąbelkowania 10 mm z sekcji 4. Wypełnij komorę zewnętrzną samym rozpuszczalnikiem (bez klatki) do tego samego poziomu co w komorze wewnętrznej. Wprowadź 3 kapilary bąbelkujące do komory zewnętrznej, a 2 kapilary do komory wewnętrznej.
  2. Ponownie podłącz przewody do układu bąbelkowania i powtórz krok 4.2.
  3. Wybierz sekwencję EPI typu single-shot dla szybkiego obrazowania. Sekwencja ta może wymagać modyfikacji w celu uwzględnienia opóźnień i impulsów wyzwalających ze spektrometru do otwierania i zamykania przepływomierzy masowych. Zapewnij ok. 15 - 20 s bąbelkowania przy 0,1 SLM, a następnie 5 - 8 s przerwy w celu zniknięcia pęcherzyków, po czym przeprowadź kodowanie MRI.
  4. Ustaw jądro detekcji na 129Xe w kanale X oraz częstotliwość nadajnika/obserwatora na wartość wyznaczoną dla sygnału roztworu w kroku 4.5. Używając narzędzia do obliczania impulsów RF, przekonwertuj parametry impulsu (amplitudę i czas trwania) z kroku 3.3 na pobudzenie stosowane w Twojej sekwencji obrazowania.
  5. Geometria obrazowania w naszym przykładzie jest następująca: grubość warstwy 10 - 20 mm, orientacja poprzeczna; pole widzenia 20 x 20 mm; rozmiar macierzy 32x32; podwójne próbkowanie (aby uniknąć artefaktów) oraz współczynnik częściowego kodowania Fouriera ustawiony na 1,68 dla przyspieszonych akwizycji (tzn. faktycznie pozyskiwanych jest tylko 19 z 32 kroków kodowania fazowego).
  6. Otwórz moduł CEST (zmodyfikowany moduł transferu namagnesowania) do przygotowania sygnału i włącz impuls presaturacji cw (parametry, np. czas trwania 2 s, amplituda 5 μT). Wykonaj 2 skany w orientacji poprzecznej, ustawiając częstotliwość nośną tego impulsu saturacji raz na δcage = δsolution - Δω, a raz na δcontrol = δsolution + Δω.
  7. Używając narzędzia do postprocesingu obrazów, wygeneruj obraz różnicowy Hyper-CEST poprzez odjęcie obrazu z saturacją przy δcage od obrazu z saturacją przy δcontrol. Wynik powinien wyróżniać jedynie obszary, w których obecny był gospodarz Xe (patrz również wyniki reprezentatywne).

6. Reprezentatywne wyniki

Absorpcyjne tłumienie lasera można monitorować poprzez włączanie i wyłączanie pola magnetycznego wokół kuwety. W zależności od mocy lasera i temperatury kuwety, w przypadku wyłączonego pola magnetycznego obserwuje się niemal całkowitą absorpcję, natomiast przy włączonym polu transmisja wynosi ok. 30% (porównanie przedstawiono na Rysunku 8).

Dla systemu NMR pracującego przy 9.4 T (400 MHz dla 1H, 110 MHz dla 129Xe), wzmocnienie sygnału powinno być ok. 16000-krotne przy porównaniu ksenonu spolaryzowanego termicznie z ksenonem hiperpolaryzowanym. Zgodnie z krokiem 3.8, odpowiada to polaryzacji spinowej na poziomie ok. 15%. Wartości > 10% powinny być osiągalne przy zastosowaniu lasera diodowego o zwężonej linii z mocą wyjściową cw > 100 W.

Widmo 129Xe NMR roztworu DMSO zawierającego 213 μM gospodarza molekularnego powinno wykazywać sygnał ksenonu uwięzionego w klatce z raportem sygnału do szumu wynoszącym ok. 10 dla 16 akwizycji (Rycina 9; w temperaturze pokojowej zastosowano poszerzenie linii o 10 Hz).

Zbiór danych MRI Hyper-CEST wykazuje pełną intensywność sygnału dla obrazu kontrolnego poza rezonansem oraz spadek sygnału w obszarach zawierających cząsteczkę gospodarza Xe na obrazie nasycenia w rezonansie. Obraz różnicowy wyświetla wyłącznie obszary, które zareagowały na impuls nasycenia (Rysunek 10).

Schemat układu optycznego z expanderami wiązki i płytką falową do badania wzbudzenia fotonicznego.
Rycina 1. Widok z boku komponentów optycznych służących do uzyskania światła spolaryzowanego kołowo. Światło laserowe jest wprowadzane do układu za pomocą światłowodu po lewej stronie. Zarówno polaryzacyjny dzielnik wiązki w kostce (PBC), jak i płytka falowa λ/4 są zamontowane na uchwytach obrotowych w celu regulacji osi szybkich dla uzyskania światła spolaryzowanego kołowo (patrz film 1). Wiązka zwykła odbita od PBC może zostać skierowana za pomocą lustra do pochłaniacza wiązki (beam dump, nie pokazano).

Układ optyczny z rozszerzaczem wiązki, kostką polaryzacyjną i płytką falową; używany do analizy wiązki i termopar.
Rysunek 2. Widok z góry komponentów optycznych służących do uzyskania światła spolaryzowanego kołowo. Widok ten obejmuje pochłaniacz wiązki dla wiązki zwykłej. W ramach środków bezpieczeństwa termopary monitorują temperaturę głównego rozszerzacza wiązki, pochłaniacza wiązki oraz kostki polaryzacyjnego dzielnika wiązki.

Laserowy układ optyczny z cewkami Helmholtza; przepływ gazu dla wzbudzenia optycznego; schemat spektroskopowy.
Rycina 3. Widok z boku komory pompowania z otwartą ścianą boczną obudowy pieca. Światło laserowe wpada do obudowy z lewej strony przez równoległe okno szklane. Otwór pinhole na prawym końcu tłumi transmitowaną moc lasera, aby chronić spektrometr optyczny, który odbiera światło poprzez kolimator i światłowód. Mieszanina gazu Xe przemieszcza się w kierunku przeciwnym do wiązki lasera: wprowadzana jest do komory przez prawą odnogę i wyprowadzana lewą stroną.

Eksperyment termiczny z termoparą, grzałką krzemową i kroplą Rb; analiza wzbudzenia optycznego.
Rysunek 4. a) Powiększenie kropli Rb wewnątrz celi pompowania. Pomarańczowa grzałka krzemowa (sterowana przez regulator PID) jest przymocowana do dna szklanej celi. Termopara na górze monitoruje temperaturę celi. b) Powiększenie obszaru wlotu gazu w celi pompowania w średnim wieku z narastającym osadem kondensatu na szklanej ściance. c) Pozostała kropla Rb w tej samej celi pompowania co w b), widoczna po oświetleniu celi od tyłu i przy krótkim czasie naświetlania, aby ograniczyć widoczność powłoki na szklanej ściance.

Wzbudzenie Rb D1, schemat poziomów Zeemana; selektywne pompowanie optyczne, analiza wpływu pola B.
Rycina 5. Przejścia energetyczne w parze metali alkalicznych. a) Bez zewnętrznego pola B podpoziomy magnetyczne nie są zdefiniowane (ilustracja w kolorze szarym); w związku z czym każdy atom w stanie podstawowym pochłania światło. b) Włączenie zewnętrznego pola definiuje poziomy Zeemana i powoduje pompowanie tylko jednego przejścia zgodnie z regułami wyboru dipolowego. Prowadzi to do akumulacji atomów na jednym z podpoziomów, podczas gdy mniejsza liczba atomów na drugim podpoziomie stanu podstawowego pochłania światło laserowe.

Schemat celowania molekularnego z enkapsulowanym ksenonem, łącznikiem i jednostką celującą dla specyficznego wiązania.
Rysunek 6. Funkcjonalizowana klatka kryptofanowa do detekcji specyficznego celu o znaczeniu biochemicznym. Sygnał NMR Xe ulegnie zmianie po wystąpieniu zdarzenia wiązania specyficznej jednostki celującej.

Układ komórki pompowania do wzbudzenia optycznego w spektroskopii; widoczna kropla Rb i uchwyt otworu.
Rysunek 7. Widoczna wiązka celownicza (światło czerwone) służąca do ustawienia komórki pompowania w celu zapewnienia pełnego oświetlenia objętości pompowania.

Wykres widma, absorpcja optyczna, znormalizowana intensywność, pole B, długość fali, badania fizyczne.
Rycina 8. Profile laserowe dla różnych warunków w komórce pompowania. W przypadku zimnej komórki (temperatura pokojowa), przy braku oparów Rb, nie obserwuje się absorpcji. Odnotowano dwie linie emisyjne z użytego lasera diodowego (z szerokością FWHM wynoszącą 0,5 nm, co mieści się w specyfikacji producenta). Gdy komórka osiągnie zadaną temperaturę (180 °C) i pole magnetyczne zostanie wyłączone, ogólne wzbudzenie D1 powoduje niemal całkowitą absorpcję światła laserowego. Włączenie pola magnetycznego indukuje selektywne pompowanie tylko jednego przejścia i zwiększa intensywność transmisji.

Spektroskopia NMR Xe; diagram przesunięcia chemicznego; enkapsulacja w klatce molekularnej; analiza danych spektralnych.
Rysunek 9. Widmo NMR 129Xe roztworu DMSO zawierającego mono kwas kryptofanu-A (przedstawiono również strukturę) jako klatkę dla Xe. Pik gazu odniesiono do 0 ppm. Wolny Xe w roztworze pojawia się przy δsolution = 245,7 ppm, a Xe w klatce przy δcage = 79,2 ppm. W eksperymencie Hyper-CEST impuls nasycania został raz ustawiony na δcage, aby umożliwić transfer nasycania w celu zmniejszenia piku roztworu, a raz na δcontrol = 412,2 ppm, aby zebrać sygnał referencyjny do odjęcia. Parametry eksperymentalne: 213 μM klatki w DMSO w 295 K, 16 akwizycji z szerokością pasma 32,3 kHz, odczyt FID 772 ms, Xe bąbelkowany do roztworu z przepływem 0,1 SLM przez 20 s.

Nasycenie wzbudzenia optycznego, schemat: a) poza rezonansem, b) w rezonansie, c) analiza wyniku różnicowego.
Rycina 10. Obrazy MR 129Xe ksenonu rozpuszczonego w DMSO. Fantom składa się z dwóch oddzielnych komór, z których tylko komora wewnętrzna zawiera mono-kwas kryptofanu-A (w stężeniu 50 μM). Przed wykonaniem każdego obrazu EPI stosowany jest 5 μT impuls nasycenia falą ciągłą przez 2 sec. a) Impuls nasycenia znajduje się przy δcontrol, t.j. poza rezonansem z pikiem Xe@cage, co skutkuje obserwowaniem silnego sygnału z obu komór. b) Nasycenie znajduje się w rezonansie z pikiem Xe@cage przy δcage, co niemal całkowicie niszczy sygnał z komory wewnętrznej. Obraz różnicowy a) - b) ujawnia lokalizację cząsteczki gospodarza Xe. Obrazy pozyskano przy FOV 20 x 20 mm, grubości warstwy 10 mm i rozdzielczości 32 x 32 piksele. Następnie poddano je progowaniu i interpolacji do 256 x 256 pikseli.

Film 1. Animacja montażu układu do SEOP. Wiązka laserowa jest najpierw rozszerzana przez pierwotny ekspander wiązki, a następnie przechodzi przez polaryzacyjny dzielnik wiązki w kostce (PBC). Obrót tej kostki zmienia względne natężenia wiązki zwykłej i nadzwyczajnej. Dla pozycji z maksymalną transmisją oś szybka PBC jest wyrównana z dominującą osią polaryzacji wpadającego światła. Polaryzację liniową transmitowanego światła – zależną od jakości i współczynnika ekstynkcji PBC – można sprawdzić, używając drugiego PBC jako analizatora. Wyrównanie jego osi szybkiej z osią szybką pierwszej kostki powinno zapewnić maksymalną transmisję, natomiast dalszy obrót o 90 ° powinien skutkować zerową transmisją i całkowitym odbiciem. Wstawienie płytki ćwierćfalowej λ/4 przekształca polaryzację liniową w kołową, jeśli jej oś szybka zostanie obrócona o 45 ° względem osi szybkiej pierwszego PBC. Natężenie transmitowanego światła powinno być teraz niezależne od obrotu drugiej kostki. Usunięcie elementów analizujących i zastąpienie ich wtórnym ekspanderem wiązki pozwala uzyskać odpowiednią średnicę wiązki do oświetlenia celi pompowania. Kropla rubidu znajdująca się w tej celi zostaje częściowo odparowana po włączeniu grzałki znajdującej się na zewnątrz celi. Mieszanina gazu ksenonowego przepływająca przez układ w kierunku przeciwnym do wiązki laserowej rozprowadza tę parę po całej celi. Wobec braku pola magnetycznego powoduje to ogólne wzbudzenie linii D1 atomów Rb i silną absorpcję światła laserowego. Włączenie pola magnetycznego umożliwia selektywne pompowanie tylko jednego przejścia pomiędzy teraz zdefiniowanymi podpoziomami magnetycznymi. W konsekwencji tylko ograniczona liczba atomów absorbuje światło laserowe, a transmisja ponownie wzrasta. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.

Film 2. Animacja wyjaśniająca efekt CEST. Klatki kryptofanu służą jako gospodarze molekularne do pułapkowania atomów Xe, które zmieniają swoją częstotliwość rezonansową w wyniku tego zdarzenia wiązania (przejście niebieski -> zielony). Pierwsza akwizycja NMR określa ilość niezwiązanego Xe jako sygnał referencyjny. Następnie selektywny impuls nasycenia, oddziałujący tylko na atomy uwięzione w klatkach, niszczy ich magnetyzację. Ponieważ wiązanie Xe jest procesem odwracalnym, długi impuls znosi magnetyzację wielu atomów, a druga akwizycja NMR wykazuje znaczny spadek sygnału wolnego Xe w porównaniu z sygnałem referencyjnym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić film.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Kluczowymi aspektami przygotowania hiperpolaryzowanego ksenonu są zanieczyszczenia tlenem w układzie gazowym, w tym w komórce pompowania, oraz odpowiednie oświetlenie komórki światłem spolaryzowanym kołowo. Wspomniany test z żarówką jest prostym sposobem na wykrycie szkodliwych stężeń tlenu podczas przenoszenia rubidu. Metal alkaliczny może utracić błyszczącą powierzchnię do czasu zainstalowania komórki w polaryzatorze. Niemniej jednak, wystarczające odparowanie nieutlenionego Rb można monitorować poprzez zmniejszenie tr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Niniejszy projekt badawczy otrzymał finansowanie z Europejskiej Rady Badawczej w ramach Wspólnoty Europejskiej Siódmy Program Ramowy (FP7/2007-2013) / umowa o grant ERC nr ° 242710 oraz otrzymał dodatkowe wsparcie z Programu Human Frontier Science Program oraz Programu Emmy Noether niemieckiej Fundacji Badań (SCHR 995/2-1).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Sztabka RbSigma-Aldrich276332-1G
P4O10Sigma-Aldrich79610-500G
ArPraxair
XeSigma-Aldrich00472-1EA
O2Sigma-Aldrich00476-1EA
System laserowyQPC Lasers/Laser OperationsBrightlock 50
System próżniowyPfeifferHiCube
TermoparyNewport OmegaSA2F-KI-3M
Grzałka krzemowaNewport OmegaFMA5514
Przetwornik ciśnieniaNewport OmegaPR 33X-V-10
Miernik procesowyNewport OmegaINFCP-100B
Sterowniki przepływu masowegoNewport OmegaMFC
Regulatory PIDNewport OmegaCN7800
Oprogramowanie sterująceNewport OmegaDasyLab
Akwizycja danychNewport OmegaDaqboard 3000
Czujnik próżniOerlikonTTR91
Sterownik próżniVacomMVC-3
Kolimator wiązkiThorlabsF810SMA-780
Kostka polaryzacyjnego dzielnika wiązkiThorlabsGL15-B
Płytka ćwierćfalowa λ/4ThorlabsWPQ10M-780
Soczewki rozszerzające wiązkęThorlabs
Spektrometr optycznyOcean OpticsHR4000
Włókno optyczneOcean Optics
Niskociśnieniowa probówka NMRWilmad513-7LPV-7
Probówka NMR 5 mmSigma-AldrichHX58.1
Cewki HelmholtzaPhywe06960-00
Kapilary z topionego kwarcuPolymicroTSG 250350

Bibliografia

  1. Schröder, L. Xenon for NMR biosensing - Inert but alert. Phys Med. , (2011).
  2. Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations. Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).
  3. Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
  4. Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S. Jr, Wishnia, A. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370, 199-201 (1994).
  5. Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
  6. Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
  7. Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings. J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).
  8. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. III Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).
  9. Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).
  10. Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. Functionalized xenon as a biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).
  11. Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor. Science. 314, 446-449 (2006).
  12. Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer. Phys. Rev. A. 80, 063424(2009).
  13. Levron, D., Walter, D. K., Appelt, S., Fitzgerald, R. J., Kahn, D., Korbly, S. E., Sauer, K. E., Happer, W., Earles, T. L., Mawst, L. J., Botez, D., Harvey, M., DiMarco, L., Connolly, J. C., Möller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs. Appl. Phys. Lett. 73, 2666(1998).
  14. Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System. Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).
  15. Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
  16. Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques. J. Chem. Phys. 133, 144703(2010).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

optyczne pompowanie wymian spinowspektroskopia NMRobrazowanie MRIksenonowy rodek kontrastowyobrazowanie przep ywu gazuspektroskopia w stanie ciek ymopary rubidupolaryzacja laserowawzmocnienie sygna u
Hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach NMR i MRI
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.