Name: Medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de Hyperpolarizado 1-13C piruvato (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Aprenda a medir o tempo de relaxação spin-rede de soluções hiperpolarizadas usando relaxometria de campo cíclico rápido com [1-13C]piruvato. Este método melhora a precisão em ressonância magnética.

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Os autores gostariam de agradecer ao Instituto de pesquisa de câncer de Ontário, programa de tradução de imagem e o Conselho de pesquisa de ciências naturais e engenharia do Canadá para financiar esta pesquisa. Nós também gostamos de reconhecer discussões úteis com Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canadá, Gianni Ferrante, stelar s.r.l., Itália, e William Mander, Oxford Instruments, Reino Unido.

1. preparação da amostra
Nota: as etapas 1.1-1.8 são executadas apenas uma vez
<ol><li>Prepare 1 ml de solução de ácido pirúvico enriquecido com 13C, amplamente utilizado para a pesquisa in vivo 1,2,5,6, consistindo de 15-mmol/L de radical triarylmethyl dissolvido em [1- 13 anos de C] ácido pirruvico (ver tabela de materiais). Alíquotas desta solução de ações serão usadas para as amostras que serão individualmente polarizada e subsequentemente passam por Relaxometria em diferentes campos magnéticos. Uma representação da molécula de ácido pyruvic [1-13C] é mostrada na Figura 1.</li>
	<li>Na interface de software de polarizador nuclear dinâmico (ver tabela de materiais), clique no botão de recarga para abaixar a temperatura do inserto de temperatura variável (vti) para 1,4 K.</li>
	<li>Uma vez que o DNP alcangou a temperatura desejada, carregue 10 μL da solução de estoque em um copo da amostra, abra as portas da torre e introduza o copo no VTI usando uma varinha da inserção projetada especificamente para esta tarefa.</li>
	<li>Depois disso, extraia rapidamente a varinha e certifique-se que o copo está liberado. Em seguida, feche as portas da torre e continue com os seguintes passos, enquanto a temperatura do VTI remonta a 1,4 K.</li>
	<li>Prepare o DNP para executar uma varredura de microondas, a fim de encontrar a freqüência ideal de RF para a hiperpolarização da solução de ações.<ol>
<li>No computador que controla o espectrómetro (parte do sistema DNP), estabeleça a comunicação entre o espectrômetro e o software de controle DNP clicando duas vezes no ícone do HyperTerminal, previamente configurado com a comunicação serial apropriada Parâmetros.</li>
		<li>Uma vez estabelecida a comunicação, inicie o software RINMR, digite sua linha de comando . HYPERSENSENMRe, em seguida, prima Enter.</li>
		<li>Depois disso, uma nova janela será mostrada na tela e digite o número um (1) no campo número de configuração . Em seguida, clique no botão selecionar configuração .</li>
		<li>Clique no botão fazer varredura de microondas. Uma pequena janela com um contador descendente de segundos será lançada indicando que o espectrómetro está pronto e estará aguardando sinais de disparo periódicos, provenientes do software de controle DNP, para amostrar a polarização.</li>
		<li>No software de controle DNP, selecione a guia calibrar e clique no botão gerar .</li>
		<li>Usando a janela de configuração de calibração, insira as seguintes informações: frequência de início = 94,117 GHz, frequência de término = 94,137 GHz, tamanho da etapa = 1 MHz, duração da etapa = 300 s, potência = 50 mW, nível de hélio líquido = 65% e temperatura = 1,4 K.</li>
		<li>Clique no botão Generate, que fechará a janela de configuração e retornará à guia calibrar que exibirá o número de etapas e o tempo necessário para realizar a varredura de microondas desejada.</li>
		<li>Uma vez que a temperatura desejada VTI é alcançada, clique no botão Enable e, em seguida, Iniciar para inicializar o processo de varredura de microondas.</li>
	</ol></li>
	<li>No final da varredura de microondas, recupere a amostra e registre a frequência ideal onde a polarização máxima é alcançada. Esta freqüência óptima é definida como a freqüência da polarização que fornece a polarização máxima como mostrado em Figura 2. Esta frequência será utilizada para a hiperpolarização de todas as alíquotas obtidas a partir dessa solução de estoque específica de ácido piruvado.</li>
	<li>Prepare 250 mL de meio de dissolução de estoque usando uma solução de base Tris de 40 mmol/L, 50 mmol/L de cloreto de sódio e hidróxido de sódio 80 mmol/L em água de ionizada. Adicione o ácido ethylenediaminetetraacético (EDTA) em uma concentração de 100 mg/L para seqüestro qualquer contaminação de íons metálicos. Similarmente à solução do estoque do ácido pirúvico, este meio da dissolução será usado para todas as amostras diferentes que serão polarizadas. Consulte a tabela de materiais para obter detalhes mais específicos sobre os produtos químicos utilizados.</li>
	<li>Além disso, prepare 500 mL de solução de limpeza de estoque consistindo de 100 mg/L EDTA dissolvido em água deionizada. Aproximadamente 10 mL desta solução de limpeza são usados após cada polarização para limpar o trajeto da dissolução do DNP. Nota: as etapas 1.9-1.27 são executadas para cada amostra individual.</li>
	<li>Resfrie o aparelho DNP para 1,4 K na preparação de uma amostra de ácido Pirruvico [1-13C] hiperpolarizante pressionando o botão de recarga na janela principal do DNP.</li>
	<li>Se o software utilizado para o espectrómetro já estiver activo com a configuração 1 seleccionada, proceda com as seguintes etapas. Caso contrário, execute as etapas 1.5.1 a 1.5.3 e continue com as etapas a seguir.</li>
	<li>Depois de verificar se a configuração 1 está selecionada na janela que controla o espectrómetro do DNP, clique no botão Build up sólido .</li>
	<li>Digite o nome do arquivo SSBuilupXXX, onde "XXX" é um número na seqüência de arquivos armazenados com dados de compilação. Este número é incrementado automaticamente pelo software. Em seguida, clique em OK. Similarmente ao caso da varredura do microonda, uma janela pequena com um contador descendente dos segundos será lanç indicando que o espectrómetro está pronto e estará esperando por sinais periódicos do disparador, vindo do software do controle de DNP, para provar o polarização .</li>
	<li>Usando a solução de estoque de ácido-OX063 pirúvico preparada na etapa 1,1, pesar 30 mg em um copo de amostra.</li>
	<li>Quando a temperatura desejada VTI é alcançada (1,4 K) clique em Inserir amostra, em seguida, selecione amostra normal e, em seguida, clique em Avançar. Seguindo as precauções de segurança exibidas na tela, insira o copo no aparelho de DNP frio, usando uma varinha longa projetada especificamente para esta tarefa.</li>
	<li>Uma vez que o copo é introduzido, a varinha removida, e as portas DNP fechadas , estalam em seguida e terminamentão. Nesse ponto o sistema do hiperpolarizador abaixa o copo da amostra à câmara da irradiação enchida parcialmente (65%) com hélio líquido.</li>
	<li>Aguarde até que a temperatura tenha voltado para 1.4 K e, em seguida, clique no botão Polarize Sample .</li>
	<li>Na nova janela pop-up, defina o valor de frequência para o que obteve da varredura de microondas na etapa 1,6. Na mesma janela, defina também a potência para 50 mW e o tempo de amostragem para 300 s. clique em Avançar, marque a caixa de seleção habilitar monitoramento de compilação e clique em concluir. Nota: uma vez que a polarização é iniciada, o software de controle DNP gera sinais de disparo a cada 300 s para instruir o espectrómetro para provar a polarização usando um ângulo de ponta pequeno. Dessa forma, o software espectrômetro adiciona um ponto de amostra a uma curva de magnetização de estado sólido, agora exibida no software do espectrómetro e no software de controle DNP o acúmulo de polarizaçãode tabulação. Após a 4ª amostra e cada amostra depois disso, o software espectrômetro se encaixa na curva para uma função de crescimento exponencial da forma: S = A * exp (-t/tp) + y0 onde a é a amplitude de polarização , em unidades arbitrárias, t é o tempo de amostragem, tp é a constante de tempo de polarização (ambos em segundos) e y0 é um deslocamento. Com base nos parâmetros ajustados, o software também calcula a polarização percentual alcançada até esse ponto no tempo, que também é exibido na guia status de polarização da DNP.</li>
	<li>Polarize até que a acumulação da magnetização do Solid-State alcangue pelo menos 95% do máximo (aproximadamente uma hora).</li>
	<li>Enquanto a amostra está polarizando, prepare o Fast-Field-ciclismo Relaxometer como explicado na seção 2 abaixo.</li>
	<li>Quando a polarização desejada é alcançada, clique em Run dissolução e o método, selecione teste de ácido pyruvic. Em seguida, clique em Next.</li>
	<li>Seguindo as instruções na tela, abra as portas da torre DNP e carregue a câmara de aquecimento e pressurização na parte superior do aparelho com ~ 4,55 mL do meio de dissolução preparado na seção 1,5 para produzir uma concentração de piruvato de 80 mmol/L em cima dissolução a um pH de ~ 7,75 e temperatura de ~ 37 ° c.</li>
	<li>Posicione a varinha de recuperação na posição certa, feche as portas da torre e, no computador, clique em Avançar e depois em terminar. Nesse ponto a mídia de dissolução será superaquecida até que a pressão atinja 10 bar.</li>
	<li>Uma vez alcançada a pressão de 10 bar, o piruvato congelado e hiperpolarizado é automaticamente levantado do banho de hélio líquido, misturado rapidamente e descongelado com o meio de dissolução superaquecido e ejetado através de uma tubulação capilar em um balão em forma de pêra. Enquanto a mistura de meios de dissolução/piruvato hiperpolarizado é ejetado, gire constantemente o balão para garantir uma mistura homogênea.</li>
	<li>Quando toda a mistura tiver sido ejectada, extraia rapidamente 1,1 mL do líquido para uma seringa, transfira para um tubo RMN de 10 mm de diâmetro pré-aquecido (37 ° c) e transporte rapidamente para o relaxante de ciclismo de campo (ver passo 2.2.12).</li>
	<li>Dispense a alíquota remanescente de cada dissolução de piruvato em um espectrómetro de RMN de bancada 0,55-T (ver tabela de materiais) para verificar possíveis efeitos experimentais sistemáticos.</li>
	<li>Limpe imediatamente o trajeto fluido de DNP usando o meio de dissolução limpo seguido pelo etanol. Soprar gás hélio através do caminho fluido para remover fluidos de limpeza remanescentes e limpar o caminho de oxigênio. Limpe todos os copos.</li>
	<li>Após cada medição, registre o pH das amostras do espectrômetro de bancada e do relaxante de ciclismo de campo. Nota: cada medição T1 é uma dissolução hiperpolarizada separada do aparelho DNP, pelo que é necessário o cuidado para assegurar a reprodutibilidade da medição da composição da amostra. Isto é conseguido pesando todos os agentes e solventes com uma precisão de 0,1 MGS para assegurar a preparação exata e reprodutível das soluções hyperpolarizada finais.</li>
</ol>2. Relaxometria
Nota por favor, consulte a tabela 1 para uma melhor compreensão da seleção e uso dos diferentes parâmetros descritos nas etapas a seguir. Antes da dissolução, o ângulo da aleta do relaxometer deve ser calculado e o relaxometer deve setup e aprontar-se para a medida da solução hyperpolarizada (veja abaixo).
<ol><li>Calibração do aleta-ângulo
	<ol>
<li>Prepare 1 mL de ácido pyruvic puro [1-13C] em um tubo de RMN e adicione um agente de contraste de gadolínio para reduzir o T1 dos núcleos de 13c para um valor inferior a 200 MS, mas mais de 50 ms.</li>
		<li>Selar o tubo NMR para que ele possa ser usado várias vezes como um padrão de calibração.</li>
		<li>Usando o calibre da profundidade do relaxometer, ajuste a profundidade de inserção do tubo de RMN à altura apropriada para assegurar-se de que a amostra esteja localizada no centro da bobina do relaxometer RF.</li>
		<li>Marque a profundidade de inserção do padrão de calibração de 13C piruvato com fita adesiva para garantir a repetibilidade.</li>
		<li>Coloque a rolha de profundidade no tubo de RMN para a posição indicada pela fita e insira este padrão de calibração no furo do relaxômetro de ciclismo de campo. Use um peso para manter o tubo de RMN em posição.</li>
		<li>Abra a válvula de ar do instrumento e do painel dianteiro do relaxometer ajuste o controlador de temperatura a 37 ° c. Isso manterá a temperatura da amostra em 37 ° c (± 0.5 ° c) usando o ar aquecido durante o experimento.</li>
		<li>Setup o hardware do relaxometer do campo-ciclagem para adquirir 13sinais dos núcleos de C. Isso inclui a instalação e energização da bobina de calço externo (ver tabela de materiais), ajustando e combinando a bobina de RF para 8 MHz (~ 0,75 T para núcleos 13C), e usando o cabo λ/4 apropriado.</li>
		<li>No software do instrumento, execute as seguintes etapas:<ol>
<li>Selecione a guia par principal</li>
			<li>Clique na célula ao lado do experimento de etiqueta e role para baixo na janela pop-up para selecionar a sequência de pulsos "13CANGLE. FFC ".</li>
			<li>Defina os seguintes parâmetros de aquisição: RFA = 5; SWT = 0, 5, RD = 0,5, BPOL = 30 MHz, TPOL = 0,5.</li>
			<li>Selecione a guia ACQ. par e, em seguida, selecione a subguia básica .</li>
			<li>Clique na célula ao lado do núcleo do rótulo e role para baixo na janela pop-up para selecionar 13C.</li>
			<li>Em seguida, defina os seguintes parâmetros: SF = 8 MHz, SW = 1 milhão, BS = 652, FLTR = 100000, MS = 32.</li>
			<li>Selecione a subguia conf .</li>
			<li>Defina os seguintes parâmetros: RINH = 25, ACQD = 25.</li>
			<li>Selecione a subguia Ndim</li>
			<li>Definir NBLK = 32, BINI = 2, BEND = 62.</li>
			<li>Selecione a guia avaliação e, em seguida, a subguia parâmetros .</li>
			<li>Defina os seguintes parâmetros: EWIP = 10, EWEP = 128, EWIB = 1, EWEB = 32.</li>
			<li>Em seguida, clique no ícone Iniciar aquisição para executar a sequência de impulsos.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Depois que a aquisição for concluída, salve os dados, selecione o ícone de diálogo de avaliação e, no menu de análise, selecione janela WAM: magnitude absoluta. Em seguida, selecione folha de relatório, gráficos e arquivo de exportação e, finalmente, clique em executar.</li>
		<li>Na janela relatório, localize a largura de pulso RF que fornece a amplitude máxima e ajuste o valor com a ajuda do cursor no gráfico exibido, que é semelhante aos gráficos mostrados na linha inferior da Figura 3. Esta largura de pulso será usada para o parâmetro PW90 dos seguintes experimentos.</li>
		<li>Clique no ícone F1 para ajustar a mudança de frequência do relaxômetro. Observação: janela WAM: magnitude absoluta é um procedimento para integrar a magnitude de uma única ou uma seqüência de aquisições de decaimento de indução livre (FIDS) do ponto definido por ewip para o ponto especificado pelo ewep e do bloco definido pelo Ewib para o bloco especificado por eWeb.</li>
	</ol></li>
	<li>T1-medições
	<ol>
<li>Certifique-se de que a bobina de calço externa esteja instalada e energizada.</li>
		<li>No software do instrumento execute as seguintes etapas:<ol>
<li>Selecione a guia par principal</li>
			<li>Clique na célula ao lado do experimento de etiqueta e role para baixo na janela pop-up para selecionar a sequência de pulsos Hpub/S, que é mostrada na Figura 4.</li>
			<li>Defina os seguintes parâmetros de aquisição: RFA = 25, T1MX = valores entre 3 e 5; SWT = 0,2, RD = 0, BRLX = campo de relaxamento desejado em MHz (frequência de próton Larmor).</li>
			<li>Selecione a guia ACQ. par e, em seguida, selecione a subguia básica .</li>
			<li>Clique na célula ao lado do núcleo do rótulo e role para baixo na janela pop-up para selecionar 13C.</li>
			<li>Em seguida, defina os seguintes parâmetros: SF = 8 MHz, SW = 1 milhão, BS = 652, FLTR = 50000.</li>
			<li>Selecione a subguia conf .</li>
			<li>Defina os seguintes parâmetros: PW90 igual ao valor encontrado na etapa 2.1.10, RINH = 25, ACQD = 25.</li>
			<li>Selecione a subguia Puls e defina PW = 5.</li>
			<li>Selecione a subguia Ndim e defina nblk = 100.</li>
			<li>Aguarde e prepare-se para receber a solução hiperpolarizada para iniciar a aquisição de dados.</li>
			<li>Imediatamente antes de inserir a amostra no relaxômetro, inicie manualmente a sequência de impulsos do console, para evitar inserir a amostra em um campo magnético nulo. Por esta razão, é importante ignorar a primeira deterioração da indução livre (FID) durante a análise dos dados.</li>
			<li>Depois que a aquisição for feita, salve os dados clicando no botão salvar .</li>
		</ol>
</li>
		<li>Usando o software de análise, integre a magnitude de cada sinal FID para produzir uma série de dados composta de magnetização de amostra em função do tempo.</li>
		<li>Extraia o tempo de relaxamento do spin-lattice de um modelo exponencial de três parâmetros usando um algoritmo de ajuste de mínimos quadrados não-lineares padrão implementado em um software analítico comercial (ver tabela de materiais) assumindo mesmo a ponderação para todos os dados: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59399/59399eq1.jpg"> onde a é a amplitude do sinal inicial (intercepção dey), t1 é o tempo de relaxamento da centrifugação, tR é o tempo de repetição, que é um valor conhecido, y0 é o sinal offset, e cos(n-1)(α) é uma correção para perda de magnetização longitudinal na nª medida para um ângulo de aleta, α.</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol><li>Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metabolic+imaging+by+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+imaging+for+in+vivo+tumor+diagnosis%5BTitle%5D)+AND+%22Cancer+Research%22%5BJournal%5D)">Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis.</a> Cancer Research. 66 (22), 10855-10860 (2006).</li>
<li>Witney, T. H., Brindle, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+tumour+cell+metabolism+using+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemical+Society+Transactions%22%5BJournal%5D)">Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy.</a> Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).</li>
<li>Kurhanewicz, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+cancer+metabolism+by+imaging+hyperpolarized+nuclei%3A+prospects+for+translation+to+clinical+research%5BTitle%5D)+AND+%22Neoplasia%22%5BJournal%5D)">Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research.</a> Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).</li>
<li>Golman, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+metabolism+measured+noninvasively+by+hyperpolarized+13C+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).</li>
<li>Golman, K., in 't Zandt, R., Thaning, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+metabolic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Real-time metabolic imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).</li>
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<li>Chen, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feasibility+of+using+hyperpolarized+%5B1-13C%5Dlactate+as+a+substrate+for+in+vivo+metabolic+13C+MRSI+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Imaging%22%5BJournal%5D)">Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies.</a> Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).</li>
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<li>Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+imaging+with+endogenous+substances%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Molecular imaging with endogenous substances.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).</li>
<li>Johansson, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebral+perfusion+assessment+by+bolus+tracking+using+hyperpolarized+13C%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).</li>
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Os autores não têm divulgações.

O uso de DNP para aumentar a aquisição de sinal é uma solução técnica para o sinal de ressonância magnética insuficiente disponível a partir de núcleos de 13C em concentrações limitadas, como aqueles utilizados em injeções de animais, mas apresenta outros desafios experimentais. Cada medida de relaxamento mostrada na Figura 7 representa uma medida de uma amostra preparada exclusivamente porque não pode ser repolarizada após a dissolução para a remensuração. Isto conduz inevitavelm...

A imagem latente espectroscópica da ressonância magnética (MRSI) pode produzir mapas espaciais dos metabolitos detectados pela imagem latente espectroscópica, mas seu uso prático é limitado frequentemente por sua sensibilidade relativamente baixa. Esta baixa sensibilidade da imagem latente de ressonância magnética in vivo e dos métodos da espectroscopia decorre do pequeno grau de magnetização nuclear alcançável em temperaturas de corpo e de forças de campo magnéticas razoáveis. No entanto, essa limitação pode ser superada pelo uso de polarização nuclear dinâmica (DNP) para aumentar consideravelmente a magnetização in vitro de substratos líquidos, que são posteriormente injetados para sondar o metabolismo in vivo usando MRSI1,2 , 3. º , 4. DNP é capaz de melhorar a magnetização da maioria dos núcleos com não-zero nuclear spin e tem sido usado para aumentar in vivo MRSI sensibilidade de 13C-compostos enriquecidos, tais como piruvato5,6, bicarbonato 7,8,fumarato9, lactato10, glutamina11e outros por mais de quatro ordens de magnitude12. Suas aplicações incluem a imagem latente da doença vascular13,14,15, perfusão do órgão13,16,17,18, cancro detecção1,19,20,21,22, estadiamento tumoral23,24e quantificação da resposta terapêutica2 , 6 anos de , 23 anos de , 24 de cada , 25 anos de , a 26.
O abrandamento lento da girar-estrutura é essencial para a deteção in vivo com MRSI. Os tempos do abrandamento da girar-estrutura (T1s) na ordem de dez dos segundos são possíveis para núcleos com baixas relações giromagnético dentro das moléculas pequenas na solução. Vários fatores físicos influenciam a transferência de energia entre uma transição de spin nuclear e seu ambiente (lattice) levando ao relaxamento, incluindo a força do campo magnético, a temperatura e a conformação molecular27. O abrandamento dipolar é reduzido nas moléculas para posições do carbono sem os prótons Unidos diretamente, e o deuteração de meios da dissolução pode mais reduzir o abrandamento dipolar intermolecular. Infelizmente, os solventes deuterado têm habilidades limitadas para estender in vivo o abrandamento. O aumento do relaxamento de carbonilos ou ácidos carboxílicos (como o piruvato) pode ocorrer em altas dosagens de campo magnético devido ao deslocamento químico anisotropia. A presença de impurezas paramagnéticas do trajeto fluido durante a dissolução após a polarização pode causar relaxamento rápido e precisa ser evitada ou eliminada usando quelantes.
Existem poucos dados para o relaxamento de 13C contendo compostos em campos baixos, onde o relaxamento spin-lattice poderia ser significativamente mais rápido. No entanto, é importante medir a T1 em campos baixos para compreender o relaxamento durante a preparação do agente utilizado para a imagem in vivo, uma vez que os agentes de contraste hiperpolarizado são geralmente dispensados do aparelho DNP próximo ou na terra Campo. Fatores físicos adicionais, como 13C-concentração de substrato enriquecido, pH da solução, buffers e temperatura também influenciam o relaxamento e, consequentemente, têm um efeito sobre a formulação do agente. Todos esses fatores são essenciais para a determinação de parâmetros-chave na otimização do processo de dissolução da DNP, e o cálculo da magnitude da perda de sinal que ocorre no transporte da amostra do aparelho DNP para o ímã de imagem.
Medições de dispersão de ressonância magnética nuclear (NMRD), ou seja, medições de T1 , como uma função do campo magnético são tipicamente adquiridas usando um ESPECTRÓMETRO de RMN. Para adquirir estas medições, um método de shuttling poderia ser usado onde a amostra é primeiramente shuttled fora do espectrómetro para relaxar em algum campo determinado por sua posição no campo da franja do ímã28,29,30 e então transferido ràpida de volta no ímã de RMN para medir sua magnetização restante. Ao repetir este processo no mesmo ponto no campo magnético, mas com períodos crescentes de relaxamento, pode-se obter uma curva de relaxamento, que pode então ser analisada para estimar a T1.
Utilizamos uma técnica alternativa conhecida como Relaxometria de ciclismo de campo rápido31,32,33 para adquirir os nossos dados nmrd. Modificamos um relaxante de ciclismo de campo comercial (ver tabela de materiais), para medições T1 de soluções contendo núcleos hiperpolarizados de 13C. Comparado com o método do transporte, o campo-ciclagem permite que este relaxometer adquira sistematicamente dados de NMRD sobre uma escala menor de campos magnéticos (0,25 mT a 1 T). Isto é conseguido mudando ràpida o campo magnético próprio, não a posição da amostra no campo magnético. Conseqüentemente, uma amostra pode ser magnetizada em uma força elevada do campo, "relaxed" em uma força mais baixa do campo, e medido então pela aquisição de uma livre-indução-deterioração em um campo fixo (e na freqüência de Larmor) para maximizar o sinal. Isso significa que a temperatura da amostra pode ser controlada durante a medição, e a sonda NMR não precisa ser sintonizada em cada campo de relaxamento promovendo a aquisição automática em toda a faixa de campo magnético.
Concentrando nossos esforços para os efeitos da dispensação e transporte das soluções hiperpolarizada em campos magnéticos baixos, este trabalho apresenta uma metodologia detalhada para medir o tempo de relaxação do spin-lattice de 13C hiperpolarizado-piruvato usando rápido Relaxometria campo-ciclismo para campos magnéticos na faixa de 0,237 mT a 0,705 T. Os principais resultados da utilização desta metodologia foram previamente apresentados para [1-13c] piruvato34 e 13c-enriquecido com sódio e bicarbonato de césio35 onde outros fatores como a concentração radical e pH de dissolução têm também foram estudados.

<table><tbody><tr><td>[1-13C]Ácido pirúvico</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EUA</td><td>677175</td> Tubo de RMN de <td></td></tr><tr><td>10 mm</td><td>Norell, Inc., Morganton NC, EUA</td><td>1001-8</td><td></td></tr><tr><td>Água</td><td></td><td></td><td></td>desionizada</tr><tr><td>Ácido etilenodiaminotetracético sal dissódico di-hidratado (EDTA)</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EUA</td><td>E5134</td><td></td></tr><tr><td>HyperSense Dynamic Polarizador Nuclear</td><td>Oxford Instruments, Abingdon, Reino Unido</td><td></td><td>Inclui o seguinte: software "DNP-NMR Polarizer" usado para controlar e monitorar todo o polarizador DNP; "RINMR" usado para monitorar os níveis de polarização de estado sólido; "HyperTerminal" usado para comunicar o software DNP com o software RINMR que monitora o nível de polarização de estado sólido. Também inclui o espectrômetro de bancada MQC para monitorar a polarização do estado líquido em conjunto com seu próprio software RINMR</td></tr><tr><td>MATLAB R2017b</td><td>MathWorks, Natick, MA</td><td></td><td>Inclui scripts para ajuste não linear do decaimento da magnetização ao longo do tempo e análise T1 NMRD do ácido pirúvico hiperpolarizado.</td></tr><tr><td>OX063 radical triarilmetil Oxford</td><td>Instruments, Abingdon, Reino Unido</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Medidor de pH - SympHony</td><td>VWR International, Mississauga, ON., Canadá</td><td>SB70P</td><td></td></tr><tr><td>ProHance</td><td>Bracco Diagnostics Inc.</td><td></td><td>Gadoteridol, Gd-HP-DO3A</td></tr><tr><td>Etanol Puro (100% puro)</td> <td>Álcoois Comerciais, Toronto, ON, Canadá</td><td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>Bobina</td><td></td><td></td> de Calço Cloreto de <td></td></tr><tr><td>Sódio</td><td>Sigma-Aldrich desenvolvido internamente, St. Louis, MO, EUA</td><td>S7653</td><td></td></tr><tr><td>Hidróxido de Sódio</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EUA</td><td>S8045&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>SpinMaster FFC2000 1T C/DC</td><td>Stelar s.r.l., Mede (PV) Itália</td><td></td><td>Inclui o software "AcqNMR" que é usado para definir parâmetros experimentais, monitorar o ajuste e correspondência da bobina de RF, carregar diferentes sequências de pulso, calibrar o ângulo de inversão, aquisição de dados e ajuste de curva, entre outras funções. Também inclui um medidor de profundidade, alguns pesos e um batente de profundidade.</td></tr><tr><td>Cristais Pré-Definidos Trizma (pH 7.6)</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EUA</td><td>T7943</td><td></td></tr></tbody></table>

medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de hyperpolarizado [1-13c] piruvato

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

O limite fundamental para as aplicações de imagem in vivo de 13C hiperpolarizada-compostos enriquecidos é o seu tempo de relaxamento finito-treliça. Vários fatores afetam as taxas de relaxamento, como composição tampão, pH da solução, temperatura e campo magnético. Neste último aspecto, o tempo de relaxamento da centrifugação pode ser medido em pontos fortes do campo clínico, mas em campos inferiores, onde estes compostos são dispensados do polarizador e transportados para a RM, o relaxamento é ainda mais rápido e difícil de medir. Para ter uma compreensão melhor da quantidade de magnetização perdida durante o transporte, nós usamos a Relaxometria rápida do campo-ciclagem, com deteção da ressonância magnética de núcleos de 13C em ~ 0,75 T, para medir a dispersão nuclear da ressonância magnética do Spin-lattice tempo de relaxamento de hiperpolarizada [1-13C] piruvato. A polarização nuclear dinâmica da dissolução foi usada para produzir amostras hyperpolarizada do piruvato em uma concentração de 80 mmol/L e do pH fisiológico (~ 7,8). Estas soluções foram transferidas ràpida a um relaxometer rápido do campo-ciclagem de modo que o abrandamento da magnetização da amostra pudesse ser medido em função do tempo usando um ângulo pequeno calibrado da aleta (3 °-5 °). Para mapear a dispersão t1 do C-1 de piruvato, registramos dados para diferentes campos de relaxamento variando entre 0,237 MT e 0,705 T. Com esta informação, nós determinamos uma equação empírica para estimar o abrandamento da girar-estrutura do substrato hyperpolarizado dentro da escala mencionada de campos magnéticos. Estes resultados podem ser usados para prever a quantidade de magnetização perdida durante o transporte e para melhorar projetos experimentais para minimizar a perda de sinal.

A Figura 2 apresenta um exemplo de uma varredura de microondas de alta resolução de gama completa para o ácido pirruvic. Para o caso apresentado, que a freqüência óptima da microonda corresponde a 94,128 gigahertz, realçado na inserção da figura. Nosso sistema de DNP pode normalmente trabalhar na escala de 93,750 gigahertz a 94,241 gigahertz com tamanho da etapa de 1 megahertz, tempo da polarização de até 600 s, e potência de até 100 mW. Uma gama completa de frequências é investigada apenas ...

Nós apresentamos um protocolo para medir a dependência do campo magnético do tempo do abrandamento da girar-estrutura de 13C-compostos enriquecidos, hyperpolarizado por meio da polarização nuclear dinâmica, usando o relaxometry Field-Cycled rápido. Especificamente, temos demonstrado isso com [1-13C] piruvato, mas o protocolo pode ser estendido para outros substratos hiperpolarizados.

Medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de Hyperpolarizado [1-13C] piruvato

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various ...

Queremos estimar a perda de polarização de uma solução hiperpolarizada durante o transporte do equipamento hiperpolarizador para o scanner de ressonância magnética à medida que atravessa diferentes campos magnéticos. Nossa técnica estima o tempo de relaxamento spin-rettice de soluções hiperpolarizadas em campos magnéticos baixos com alta precisão. Este método não se limita à polarização nuclear dinâmica e pode ser usado para estimar o tempo de relaxamento spin-rettice de outros métodos de polarização, incluindo a polarização induzida por parahidrogênio.Ao executar esta técnica, certifique-se de que a amostra hiperpolarizada não cruze ou fique na região de campo zero por qualquer período de tempo, caso contrário você pode perder completamente a polarização. Prepare um mililitro de carbono-13 enriquecido solução de ácido piruvico, amplamente utilizada para pesquisas in vivo, consistindo de 15 milimoles por litro de radical trinimtil dissolvido em ácido piruvico 1-13C. Na interface dinâmica do software polarizador nuclear, clique no botão Cooldown para baixar a temperatura da inserção de temperatura variável para 1,4 kelvin.Uma vez que o DNP tenha atingido a temperatura desejada, carregue 10 microliters da solução de estoque em um copo de amostra. Abra as portas da torre e insira o copo no VTI usando uma varinha de inserção especificamente projetada para esta tarefa. Extraia rapidamente a varinha e certifique-se de que o copo está liberado.Em seguida, feche as portas da torre e deixe que a temperatura do VTI volte para 1,4 kelvin. Enquanto isso, prepare o DNP para executar uma varredura de micro-ondas, a fim de encontrar a frequência de rádio ideal para a hiperpolarização da solução de estoque. No final da varredura de micro-ondas, recupere a amostra.Em seguida, coloque o sistema em marcha lenta e regisse a frequência ideal onde a polarização máxima é alcançada. Essa frequência ideal é definida como a frequência de polarização que proporciona a máxima polarização. Esta frequência será usada para hiperpolarizar todas as alíquotas obtidas daquela solução específica de estoque de ácido piruvico.Prepare 250 mililitros de meio de dissolução de estoque, conforme descrito no protocolo de texto, e adicione EDTA a uma concentração de 100 miligramas por litro para sequestrar qualquer contaminação de íons metálicos. Além disso, prepare 500 mililitros de solução de limpeza de estoque consistindo de 100 miligramas por litro EDTA dissolvido em água desionizada. Aproximadamente 10 mililitros desta solução de limpeza são utilizados após cada polarização para limpar o caminho de dissolução do DNP.Esfrie o aparelho DNP para 1,4 kelvin na preparação de uma amostra de ácido piruvico de 1-13C selecionando o botão Cooldown na janela principal do DNP. Pese 30 miligramas da solução preparada de ácido piruvico em um copo de amostra. Quando a temperatura VTI desejada for atingida, clique em Insert Sample, selecione Amostra Normal e clique em Próximo.Seguindo as precauções de segurança exibidas na tela, insira o copo no aparelho DNP frio usando uma varinha longa especificamente projetada para esta tarefa. Uma vez que o copo seja inserido, remova a varinha e feche as portas do DNP. Na interface de software DNP, clique em Next e, em seguida, termine.Aguarde até que a temperatura volte para 1,4 kelvin e clique no botão Amostra polarizar. Na nova janela pop-up, defina o valor de frequência para o obtido a partir da varredura de micro-ondas. Na mesma janela, defina a potência para 50 miliwatts e o tempo de amostragem para 300 segundos.Clique em Next, verifique a caixa de monitoramento de configuração e clique em Concluir. Polarize até que o acúmulo da magnetização de estado sólido atinja pelo menos 95% do máximo. Quando a polarização desejada for alcançada, clique em Executar dissolução.Em Método, selecione o teste do ácido piruvico e, em seguida, clique em Próximo. Seguindo as instruções na tela, abra as portas da torre DNP. Carregue a câmara de aquecimento e pressurização na parte superior do aparelho com aproximadamente 4,55 mililitros do meio de dissolução.Isso produz uma concentração de 80 milmoles por litro de piruvato após a dissolução a um pH de 7,75 e uma temperatura de 37 graus Celsius. Posicione a varinha em recuperação na posição direita e feche as portas da torre. Na interface de software DNP, clique em Next e, em seguida, em Concluir.Nesse ponto, a mídia de dissolução será superaquecida até que a pressão atinja 10 bar. Uma vez que a pressão de 10 barras é atingida, o piruvato congelado e hiperpolarizado é automaticamente levantado do banho de hélio líquido, rapidamente misturado e descongelado com a mídia de dissolução superaquecida. A mistura é então ejetada através de uma tubulação capilar em um frasco em forma de pera.Enquanto a mistura de mídia de piruvato hiperpolarizado e dissolução é ejetada, redemoinho constantemente o frasco para garantir uma mistura homogênea. Quando toda a mistura tiver sido ejetada, desenhe rapidamente 1,1 mililitros do líquido em uma seringa. Transfira a mistura para um tubo NMR pré-aquecido de 10 mililitros de diâmetro e transporte rápido para o relaxante de ciclismo de campo.Limpe imediatamente o caminho do fluido DNP utilizando meio de dissolução limpo, seguido de etanol. Em seguida, remova o copo e exploda gás hélio pelo caminho do fluido para remover os fluidos de limpeza restantes e purgar o caminho do oxigênio. Limpe todos os vidros.Após cada medição, registo o pH das amostras do espectrômetro benchtop. Além disso, registo o pH das amostras no relaxante de ciclismo de campo. Antes da dissolução, o ângulo de lançamento do relaxante deve ser calculado, e o relaxante deve ser configurado e pronto para a medição da solução hiperpolarizada.Para realizar as medições T-one, certifique-se de que a bobina de calço externo esteja instalada e energizada. No software de instrumento, selecione a guia Main Par. Em seguida, clique na célula ao lado da etiqueta Experimentar e role para baixo na janela pop-up para selecionar a sequência de pulso HPUB/S.Agora, defina os parâmetros de aquisição. Defina atenuação de radiofrequência para 25 decibéis, T1 máximo para valores entre três e cinco segundos, tempo de mudança para 0,2 segundos, reciclar atraso para zero segundos e campo de relaxamento para o campo de relaxamento desejado em mega-hertz. Em seguida, selecione a guia Parâmetros de Aquisição, seguida pelo subtab básico.Clique na célula ao lado da etiqueta Nucleus e role para baixo na janela pop-up para selecionar carbono-13. Em seguida, defina a frequência do sistema para oito mega-hertz, varrer a largura para um mega-hertz, o tamanho do bloco para 652 e filtrar a largura de banda para 50.000 hertz. Em seguida, selecione o subtab de configuração.Defina o tempo de largura do pulso de 90 graus para o valor previamente determinado, o receptor inibe o tempo para 25 microsegundos, e o tempo de atraso de aquisição para 25 microssegundos. Selecione o subtab pulsar e defina o ângulo principal de lançamento do pulso RF em cinco graus. Em seguida, selecione o subtabto número de dimensões e defina o número de blocos para 100.Aguarde e prepare-se para receber a solução hiperpolarizada para iniciar a aquisição de dados. Imediatamente antes de inserir a amostra no relaxador, inicie manualmente a sequência de pulso do console para evitar inserir a amostra em um campo magnético nulo. Por essa razão, é importante ignorar a primeira decadência de indução livre, ou FID, durante a análise dos dados.É importante iniciar a aquisição de dados antes de introduzir a amostra no relaxante para evitar campos magnéticos nulos que causarão uma perda de polarização. Uma vez feita a aquisição, salve os dados clicando no botão Salvar. Utilizando o software de análise, integre a magnitude de cada sinal FID para produzir uma série de dados composta de magnetização de amostras em função do tempo.Um exemplo de varredura de micro-ondas de alta resolução e de alcance completo para ácido piruvico é mostrado. Para o caso apresentado, essa frequência de micro-ondas ideal corresponde a 94.128 giga-hertz. Mostrado aqui é uma série típica de FIDs em decomposição à medida que a magnetização hiperpolarizada é amostrada.A curva de relaxamento para piruvato 1-13C hiperpolarizado foi obtida a partir dos dados da figura anterior. Cada ponto azul na curva representa a área sob um FID. O valor T1 de 53,9 mais ou menos 0,6 segundos foi obtido por um ajuste não linear de menos quadrados da equação de sinal para os dados da curva de decomposição, que incluíam os efeitos do ângulo de lançamento usado para excitação.Os resultados do T1 para todas as 26 medições em uma faixa de 0,237 milítesla a 0,705 tesla a 37 graus Celsius são mostrados. Cada medição T1 em um determinado campo de relaxamento é uma dissolução hiperpolarizada separada do aparelho DNP. A linha sólida representa a fórmula, e as linhas tracejadas representam as faixas de confiança de 95%.A análise dos resultados mostrou que o tempo de relaxamento para o núcleo C-1 é de 46,9 segundos no campo magnético da Terra, em comparação com 65 segundos em três tesla, o que representa uma diminuição de 28% É importante instalar e energizar a bobina de calço externo e iniciar a aquisição logo antes de inserir a amostra para evitar campos magnéticos nulos e a perda potencial de polarização. Seguindo este método, o procedimento amostral poderia ser usado com mídia de dissolução deuterada para estender os tempos de relaxamento spin-rettice da solução hiperpolarizada.

measuring-spin-lattice-relaxation-magnetic-field-dependence

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

O aumento da sensibilidade proporcionado pela polarização nuclear dinâmica de dissolução (DNP) permite acompanhar os processos metabólicos em tempo real por RMN e RM. As características e desempenhos de uma configuração DNP de dissolução dedicada projetada para estudar reações enzimáticas são discutidas.

Dissolução dinâmico Nuclear Polarização Instrumentação para em tempo real enzimática Reaction Taxa de Medições por RMN

Um simulador dinâmico multicompartimental é usado para simular alguma biologia de interesse para estudos metabólicos usando agentes de ressonância magnética hiperpolarizada.

O uso de um compartimento Multi-dinâmica única enzima Fantasma de Estudos de hyperpolarized agentes Ressonância Magnética

Este artigo descreve métodos para marcação de spin dirigida ao local e reconstituição de canais controlados por ligantes pentaméricas para estudos de ressonância paramagnética eletrônica. Este protocolo pode ser adaptado para qualquer proteína de membrana. O método de reconstituição descrito aqui também pode ser usado para medições de patch clamp de correntes macroscópicas e de canal único em um sistema lipídico definido.

Local Dirigido Labeling rotação e EPR espectroscópicos Estudos de Canais pentamérica Ligand-Gated Ion

Um protocolo para o monitoramento in situ da difusão de moléculas convidadas em meios porosos usando imagens de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) é apresentado.

In Situ Monitoramento da Difusão de Guest Molecules in Porous Media Usando ressonância paramagnética eletrônica de imagem

A polarização nuclear dinâmica com subsequente dissolução da amostra permitiu estudos em tempo real do metabolismo em sistemas biológicos. O piruvato de [1-13C]hiperpolarizado foi usado para estudar a atividade da lactato desidrogenase em uma linhagem celular de carcinoma de próstata in vitro.

hiperpolarizado 13 C Metabolic Espectroscopia de Ressonância Magnética e imagem

Um protocolo para a aplicação de espectroscopia de RMN de realce por relaxação paramagnética para detectar interações inter e intramoleculares fracas e transitórias em proteínas intrinsecamente desordenadas é apresentado.

Aprimoramento do relaxamento paramagnético para detecção e caracterização de auto-associações de proteínas intrinsecamente desordenadas

Descrevemos uma configuração experimental para administrar metabólitos hiperpolarizados marcados com 13C no modo de perfusão contínua a um coração de rato perfundido isolado. Uma abordagem dedicada à aquisição de 13C-NMR permitiu a quantificação da atividade enzimática metabólica em tempo real, e uma análise multiparamétrica de 31P-NMR permitiu a determinação do conteúdo de ATP tecidual e do pH.

Investigando o Metabolismo Cardíaco no Coração de Rato Perfundido Isolado com Piruvato Hiperpolarizado [1-13C]Piruvato e Espectroscopia de RMN 13C/31P

Este protocolo integra um sistema de biorreator personalizado com espectroscopia de RMN ¹³C hiperpolarizada para medir o metabolismo do piruvato em tempo real em células vivas, melhorando a reprodutibilidade e a precisão cinética para estudos metabólicos e aplicações de triagem de medicamentos.

Detecção metabólica em tempo real em células vivas usando RMN hiperpolarizada de 13C

O procedimento demonstra a metodologia de elastografia de ressonância magnética para monitorar o resultado de engenharia de tecidos adiposo e construções osteogénicas engenharia através da avaliação não invasiva locais das propriedades mecânicas, utilizando elastografia ressonância magnética microscópica (μMRE).

Metodologia Elastografia por Ressonância Magnética para a Avaliação de engenharia de tecidos Crescimento Construct

Este documento revela um protocolo para caracterizar as propriedades mecânicas de células vivas por meio de microindentação utilizando um microscópio de força atómica (AFM).

Medir as propriedades mecânicas das células vivas Usando Microscopia de Força Atômica

Aprenda a medir o tempo de relaxação spin-rede de soluções hiperpolarizadas usando relaxometria de campo cíclico rápido com [1-13C]piruvato. Este método melhora a precisão em ressonância magnética.

Medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de Hyperpolarizado [1-¹³C] piruvato

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