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Engineering

Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen

doi: 10.3791/4268 Published: September 6, 2012

Summary

Die Produktion von hyperpolarisiertem Xenon mittels Spin-Austausch optisches Pumpen (SEOP) beschrieben. Dieses Verfahren ergibt ein ~ 10.000-fache Verstärkung der Kernspinpolarisation von Xe-129 und hat Anwendungen in Kernresonanzspektroskopie und Bildgebung. Beispiele von Gasphase und Lösungszustand Experimenten angegeben.

Abstract

Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und-Imaging (MRI) leiden unter inneren geringe Empfindlichkeit weil selbst starke externe Magnetfelder von ~ 10 T nur einen kleinen nachweisbar net-Magnetisierung der Probe bei Raumtemperatur 1 zu erzeugen. Folglich basieren die meisten NMR und MRI-Anwendungen auf dem Nachweis von Molekülen an relativ hohen Konzentration (zB Wasser zur Bildgebung biologischer Gewebe) oder erfordern übermäßige Erfassungszeiten. Dies schränkt unsere Fähigkeit, die sehr nützlich molekularen Spezifität von NMR-Signalen für viele biochemische und medizinische Anwendungen zu nutzen. Jedoch neuartige Ansätze sind in den letzten Jahren herauskristallisiert: Manipulation der erfassten Spinspezies vor der Detektion im NMR / MRI-Magneten drastisch erhöhen kann die Magnetisierung und damit ermöglicht den Nachweis von Molekülen bei viel niedrigeren Konzentration 2.

Hier präsentieren wir eine Methode zur Polarisation von einer Xenon-Gas-Gemisch (2-5% Xe, 10%N 2, He-Balance) in einem kompakten Aufbau mit einem ca. 16000-fache Signalverstärkung. Modernen Line-Diodenlasern verengte ermöglichen effiziente Polarisation 7 und sofortigen Nutzung Gasgemisch auch wenn das Edelgas nicht von den anderen Komponenten getrennt sind. Die Vorrichtung SEOP erklärt und Bestimmung der Spinpolarisation erreicht wird zur Leistungsregelung des Verfahrens demonstriert.

Die hyperpolarisiertem Gas können Leerraum Bildgebung verwendet werden, einschließlich Gasstrom Bildgebung oder Diffusion Studien an den Schnittstellen mit anderen Materialien 8,9. Darüber hinaus ist das NMR-Signal Xe extrem empfindlich auf seiner molekularen Umgebung 6. Dies ermöglicht die Möglichkeit, es als NMR / MRI-Kontrastmittel verwenden, wenn in wässriger Lösung mit funktionalisierten molekularen Gastgeber, die vorübergehend fangen das Gas 10,11 aufgelöst. Direkte Erfassung und hohe Empfindlichkeit indirekten Nachweis solcher Konstrukte wird sowohl spektroskopische und Imaging-Modus gezeigt. </ P>

Introduction

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Hyperpolarisierte Agenten gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit für NMR / MRI-Anwendungen, da sie die Empfindlichkeit Problem unter Umständen lösen können 2. Drei wichtige Ansätze werden derzeit verwendet (dynamische Kernpolarisation, DNP; para-Wasserstoff-induzierte Polarisation, PHIP und Spinaustausch optisches Pumpen, SEOP), dass alle einen künstlich erhöht Spinpopulation Differenz außerhalb eines NMR-Magneten vor der eigentlichen Spektroskopie oder Bildgebung Experiment vorzubereiten . Hier beschreiben wir die Funktions-und Wirkungsweise einer Einrichtung SEOP die für die Produktion von hyperpolarisiertem 129 Xe in Lösungszustand verwendet Experimenten optimiert wurde.

Ein wesentlicher Bestandteil ist eine intensive Lichtquelle, Infrarot-Photonen bei 795 nm. Laser-Dioden-Arrays (LDA) sind bequem, die eine hohe Leistung> 100 W zu vertretbaren Kosten bieten. In vielen Aufbauten wird die LDA in eine optische Faser emittiert, daß mehr oder weniger die Polarisation beibehält the Laserlicht. Um eine ausreichende SEOP Prozesses garantieren elliptische Polarisation muss in Zirkularpolarisation von hoher Reinheit umgewandelt werden. Hauptkomponenten der Polarisationsoptik sind in den 1 und 2 gezeigt und der Einrichtung des Systems ist schematisch in ergänzenden Film 1 erläutert.

Das zirkulare Polarisieren von Licht wir zuerst den Faserende an einen primären Strahlaufweitungsoptik (zB ein Faserkollimator) zum Reduzieren Leistungsdichte. Das Licht geht dann durch einen polarisierenden Strahlteilerwürfel, Erzeugen linear polarisiertes Licht. Durch Drehen dieses Würfels können wir die bevorzugte Achse des verbleibenden Polarisation mit einem Leistungsmesser bestimmen. Maximale Übertragungsrate entspricht der Situation, wo der schnellen Achse des Würfels mit dem Hauptlichtbündel Polarisationsachse ausgerichtet ist. Cubes mit hohen Extinktionskoeffizienten (100.000: 1 oder besser) ergeben eine gute Trennung der Polarisationskomponenten. Dies kann getestet werdenVerwendung eines zweiten Strahlteilerwürfel als Analysator, der gedreht wird, während das erste für maximale Transmission des außerordentlichen Strahls ausgerichtet ist.

Sobald die lineare Polarisation des durchgelassenen Lichts bestätigt wurde, wird ein λ / 4 Plättchen für 795 nm ausgelegt in den außerordentlichen Strahl zu konvertieren in Zirkularpolarisation linearen eingeführt. Zu diesem Zweck ist die schnelle Achse der Wellenplatte um 45 ° gedreht gegenüber dem Strahlteilerwürfel schnellen Achse. (Falls gewünscht, können kreisförmige Polarisation des reflektierten Strahls mit seinen gewöhnlichen linearen Polarisation senkrecht zu der außerordentlichen Strahls auf eine ähnliche Weise erreicht werden.)

Die Qualität der Zirkularpolarisation kann mit einem zweiten Strahlteilerwürfel, die konstante Transmission bei Drehung nachgeben sollte getestet werden. Ein sekundärer Strahlaufweitungsoptik (zB zwei Linsen in einer Galilei-Fernrohr-Konfiguration), dann erhöht sich die Strahldurchmesser vollständig illuminate die Glaszelle für den Pumpvorgang in einem Ofen ein. Absorption des Laserlichts durch Rb-Dampf in der Zelle wird durch ein Stiftloch hinter der Pumpzelle am Ende des Kastens überwacht: einen Kollimator sammelt ein attenuiertes IR-Strahls, mit einem optischen Spektrometer analysiert werden (siehe Abbildung 3 für Pumpzelle Setup ).

Ein Heizmechanismus außerhalb der Pumpzelle eine teilweise verdampft Rb Tröpfchens sitzt innerhalb der Zelle (4a) und somit bewirkt Laserlichtabsorption. Dichte des Dampfes kann über den Heizsollwert des jeweiligen PID-Regler eingestellt werden. Hohe Temperaturen (ca. 190 ° C) sind gut für kompakte Setups, wo die Xenon hat eine begrenzte Menge an Zeit für den Aufbau Polarisation. Das Gasgemisch, das Xe, N 2 und He durchströmt die Pumpzelle entgegengesetzt zur Richtung des Laserstrahls (Abbildung 3). Ein äußeres Magnetfeld mit dem Laserstrahl ausgerichtet ist sichergestellt, dass the IR-Photonen werden nur Pumpen ein Rb Übergang. Relaxation der Elektronen Zustände schnell und muss nicht strahlende zur Emission von IR-Photonen mit 'falschen' Polarisierung zu vermeiden. Hier kommt die N 2 ins Spiel als Quenchgas. Schließlich baut der Rb System eine Überbevölkerung eines der Grundzustaenden während die andere kontinuierlich durch den Laser (Abbildung 5) abgereichert. Xenon immer in engem Kontakt mit den Atomen Rb erfährt Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Elektronenspinpolarisation wird auf Xe Kerne in Flip-Flop-Prozesse übertragen.

Das hyperpolarisierte Gas fließt aus der Pumpzelle enthält Spuren von Rb-Dampf, daß Kondensat an der Schlauchwand in wenigen cm der Auslaß aufgrund der niedrigen Temperatur (ähnlich Figur 4b). In-vivo-Anwendungen sind jedoch zusätzliche Elimination erfordern würde der Alkali-(zB durch eine Kühlfalle), während in vitro experiments können sicher mit dem Gas durchgeführt werden, wie es die Hyperpolarisator verlässt. Teflonschlauch verbindet den Polarisator Auslass mit dem Einlass eines Glasapparatur NMR Experimente an Testlösungen durchzuführen. Massendurchflussregler verwendet, um die Menge von Xe einströmende NMR Einstellung anpassen. Sie werden durch Befehle in der NMR-Pulssequenz ausgelöst. Nach Überprüfung der erzielte Polarisations-Enhancement kann das Gas als NMR / MRI Kontrastmittels in Lösungszustand Experimente verwendet werden.

Xe hat eine gewisse Löslichkeit in Wasser (4,5 mM / atm) und anderen Lösungsmitteln. Es kann somit bereits in eigener dienen als Kontrastmittel, um die Verteilung von einigen Flüssigkeiten anzuzeigen. Es ist jedoch auch möglich, die NMR-aktiven Kernen, bestimmte Moleküle zu koppeln, um molekular-spezifische Informationen durch die sonst Inertgas erwerben. Durch die Bereitstellung einer molekularen Wirt für den gelösten Xe, ist es möglich, molekularen Spezifität zur Xe-NMR-Signal zu übertragen. Dies bietet die Möglichkeit,Design funktionalisierten Kontrastmitteln - auch als Biosensoren - wenn eine solche Wirtstruktur an ein Targeting-Einheit, die auf bestimmte Analyten von biomedizinischem Interesse (Abbildung 6) bindet, gekoppelt ist.

Weitere Empfindlichkeitsanhebung ist erforderlich, wenn der Biosensor in Konzentrationen, die niedriger sind für MR-Kontrastmitteln (<100 uM) erkannt werden sollte. Dies kann durch chemische Austausch Sättigungstransfer (CEST) erreicht werden. Dieses Verfahren erfasst die Biosensor indirekt durch Zerstören der Magnetisierung des caged Xe und Beobachten der Signaländerung von freien Xe in Lösung. Da das hyperpolarisierte Kerne werden kontinuierlich nach einigen 10 ms, viele 100-1000 Kerne Übertragung der Information auf dem erfassten Pools ersetzt und das Signal verstärken ca. 10 3-fach (siehe Film 2).

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Protocol

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Ein. Herstellung des Setup-SEOP

Rubidium muß in der optischen Pumpzelle gebracht werden, um die Übertragung von Polarisation von dem Laserlicht zu Xenon erleichtern. Aufgrund seiner hohen Reaktivität dieser Prozess muss, ohne dass der Rb in Berührung mit Sauerstoff oder Wasser auftreten, sonst wird oxidiert und wird nicht polarisieren Xe. Zusätzliche Vorsicht ist geboten, wie Rb reagiert heftig mit Wasser.

  1. Wenn die optische Zelle wurde zuvor verwendet wird mit einer Schicht von Rb und Rb Oxid beschichtet werden, wie in 4b zu sehen. Die Zelle muss zunächst vor der Verwendung sauber. Schließen der Einlaß-und Auslaßrohre der optischen Zelle. Während es unter Druck gesetzt, transportieren die Zelle zu einer chemischen Haube. Unter der Haube mit geeigneten persönlichen Schutzausrüstung, öffnen Sie die Zelle in die Atmosphäre und warten Sie etwa ein hr, damit die Rb Oberfläche oxidieren.
  2. Gently Pipette reines Isopropanol in die Zelle. Dies löst dieRb Oxidschicht und glänzend Rb Tröpfchen auf der Oberfläche des Isopropanol wie Wassertropfen auf einer heißen Platte zu bewegen. Gießen Sie das Isopropanol (und alle Rb, die mit ihm kommt) in ein Becherglas. Wiederholen, bis alle Rb entfernt wird.
  3. Wenn dies immer noch nicht entfernt alle Rb, machen Sie eine Lösung von 10% Wasser und 90% Isopropanol und wiederholen Sie Schritt 1,2) die Erhöhung des Anteils von Wasser (in Schritten von 10%), bis alle Rb entfernt wird.
  4. Sobald alle Rb entfernt ist, spülen Sie den optischen Zelle mit Aceton.
  5. Bringen eines zuvor evakuiert und dann mit Argon gefüllten optischen Pumpzelle in einer Glovebox mit Argonatmosphäre. Auch eine Ampulle mit Rubidium, ein Werkzeug, um die Ampulle, Pasteur Pipetten, Kimwipes und einer Heißluftpistole zu brechen. Um eine trockene Atmosphäre in der Glovebox aufrechtzuerhalten, legen eine Petrischale mit Phosphorpentoxid als Trockenmittel. Das Vorhandensein von unerwünschten Spuren von Sauerstoff kann mit einer Glühbirne, wo der Glaskolben geöffnet, um das Filament zu dem Handschuhfach Atmosphäre aussetzen überwacht wird.Die Bedingungen sind in Ordnung, solange kein Rauch entsteht mit dem Licht eingeschaltet.
  6. Öffnen Sie die Einfüllöffnung der Pumpzelle, brechen die Rb Ampulle und schmelzen das Alkalimetall mit der Heißluftpistole. Genießen Sie etwas Flüssigkeit Rb mit einer Pipette und injizieren sie in die Pumpzelle.
  7. Schließen der Füllöffnung nach Erhöhung der Argondruck im Handschuhfach einen leichten Überdruck in der Pumpzelle für die Beförderung zu dem Polarisator Setup aufrechtzuerhalten. Nehmen Sie die Zelle aus dem Handschuhfach.
  8. Verbinden der Zelle zu dem Polarisator Verteiler, so dass es mit dem Laserstrahl Linie Beleuchten der Zelle während des Pumpvorgangs ausgerichtet (dies kann mit dem sichtbaren Licht Zielstrahl, Figur 7 geschehen) und überprüfen, dass die Heizeinrichtung mit ihrer Thermoelement hat richtigen thermischen Kontakt mit der Zelle (wie in 4a). Bringen Sie ein Thermoelement an der Spitze der Zelle.
  9. Evakuieren der Röhre Verbindungen bis zu den Einlass-und Auslassventil des Pumpzelle. NachErreichen einem Druck von <30x10 -3 mbar, reinigen die Linien mit hoher Reinheit Ar (oder Stickstoff). Wiederholen Sie dies dreimal.
  10. Mit der Ar offenem Tank der Pumpzelle Einlaß langsam öffnen und Auslassventil der Zelle. Öffnen Sie vorsichtig den Polarisator Auslassventil ein klein wenig, um eine Ar-Strom von ca. etablieren. Ein SLM durch den Verteiler. Halten Sie diesen Fluss für 2 min. Spätestens jetzt sollte Sauerstoffverunreinigungen im Wesentlichen beseitigt werden, um Rb Oxidation zu vermeiden. Schließen des Polarisators Auslassventil und die Verbindung zu dem Einlaß Ar Tank.
  11. Schalten der Heizvorrichtung der Pumpzelle (eingestellte Temperatur ca. 180-190 ° C für einen Heizstreifen unter der Zelle montiert). Dies wird verdampft ein Teil des Rb Tropfen.
  12. Öffnen Sie die Xe Gasgemisch Verbindung in den Polarisator Setup. Der Tank Regler sollte auf ca. eingestellt werden. 3,5 bar Überdruck.
  13. Schalten Sie den Laser und stimmen ihre Emissionswellenlänge um ca. 794,8 nm durch Einstellen der eingestellten Temperatur der Diode Kühlmittel. Überwachen Sie den laser Profil durch ein optisches Spektrometer.
  14. Kontinuierliche Verdampfung von Rb verursacht zunehmende Laserabsorption. Sicherstellen, dass die Laseremission Profil absorbiert symmetrisch (readjust Kühlmitteltemperatur falls erforderlich). Sobald die Temperatur-Sensor auf der Oberseite der Zelle liest ca. 100 ° C, sollten Sie beobachten, eine deutlich reduzierte Laserübertragung (siehe Abbildung 8).
  15. Laserabsorption verursacht auch zusätzliche Erwärmung und erhöht somit den Druck in der Zelle. Überwachen Sie die Zelle Bedingungen und sorgfältiges Entlüften von Gas aus dem Polarisator Steckdose (wie im Normalbetrieb), um etwas Druck abzulassen, wenn der Wert nähert sich der Grenze der Pumpzelle für bewertet (5 bar abs. In unserem Setup).
  16. Einschalten des Magnetfeldes (ca. 2-3 mT) um die Pumpzelle unter Überwachung der Laser-Profil. Transmission gehen sollte sofort als das Feld verursacht eine selektive optische Pumpen (siehe Abbildung 8).
  17. Warten alle Temperaturen zu stabilisieren.Der Polarisator ist jetzt einsatzbereit.

2. Herstellung des NMR-Setup

  1. Einfügen eines Reagenzglases mit Wasser in den NMR-Probenkopf und führen Abstimmung und Anpassung der Hochfrequenz-(HF)-Schaltkreis für die Protonen-und der Xenon-Kanal.
  2. Shim auf dem Wasser, das mit dem automatisierten Shim Routine des MRI Benutzeroberfläche.

3. Hyperpolarisation Quantifizierung

  1. Verbinden des Polarisators Auslaßrohr mit dem Einlass des Prüfphantom mit ca. 5 um die Kapillaren Xe und das Gas Entlüftungsrohr zur Verbindung mit dem Massendurchflussregler injizieren.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Gasströmung Controller 'closed' gesetzt und langsam öffnen Polarisator Auslassventil, um das Phantom unter Druck. Stellen Sie die Flussrate auf ca. 0,5 SLM um eine kontinuierliche Strömung durch das Phantom zu starten. Abschätzung aus dem Volumen und dem Phantom Gasströmungsrate wie lange es vollständig ersetzt das Gasvolumen dauert. In unserer Einrichtung ist dies ca. 2 sek.
  3. (zB 5-100 us). Weitere Parameter sind: spektrale Breite sw = 10 kHz, Akquisitionszeit ta = 1 sec und einer Wiederholzeit TR, die länger ist als die in Schritt Austauschzeit 3,2 berechnet ist. Die Frequenz des Erregungsimpulses für Xe-Gas bei 9,4 T beträgt ca. 110,683 MHz. Der FID mit dem stärksten Signal geben Ihnen die richtige Kombination von Pulsleistung und Länge für maximale Signalübertragung.
  4. Nach Verringerung der Durchfluss auf 0,1 SLM, zunehmende TR bis 15 sec (vergleichbar mit Schritt 3,7), und ohne die anderen Parameter unverändert, erwerben einen Datensatz mit 16 FID-Scans während der hyperpolarisierten Xe durch die Probe fließt. Durchführen der Fourier-Transformation und messen die Spitzenamplitude in dem Spektrum. Dies ist die Signalintensität für das hyperpolarisierte Xenongas mixtUre. Beachten Sie auch, die Resonanzfrequenz des Gases Peak in Hz an.
  5. Evakuierung einer schweren Wand-NMR-Röhrchen mit einem Ventil für Niederdruck Abdichtung ausgestattet und füllen Sie ihn mit ca. 2 bar Überdruck von reinem Xenon.
  6. Evakuieren der Gasverteiler Halten der NMR-Röhrchen und füllen ca. 0,2 bar von reinem Sauerstoff auf den Xe in das NMR-Röhrchen (dh Einstellen der O 2-Druck bis 2,2 bar Überdruck). Der Sauerstoff wird erhöhen die Entspannung des Xe Magnetisierung nach HF-Anregung (es erlaubt uns, mit TR = 15 sec zu arbeiten, der Prozess nichts anderes erfordert sehr lange TR, wenn das Gas nicht für die nächste Anregung wie in Schritt 3,4) ersetzt.
  7. Ersetzen Sie die bisher verwendeten Gasstrom Phantom in der NMR-Magneten mit diesem Niederdruck-NMR-Röhrchen und führen Sie die NMR-Pulssequenz wie in 3.4. Dies wird Ihnen die NMR Signalintensität für thermisch polarisiertem hoher Konzentration Xe.
  8. Vergleichen der Signalintensitäten der thermisch und hyperpolarisierten Xe und berechnet das Signal verstärkenment unter den verschiedenen Konzentrationen und Drücke berücksichtigt. Berechnen Sie die Spin-Polarisation wie folgt:

Die thermische Spinpolarisation P th muss zuerst als Referenz bestimmt werden. Es ist wie die Bevölkerung Differenz der beiden Spin-Zustände über die Summe der Bevölkerung, dh definiert,

Gleichung 1
Bei Raumtemperatur wird dies durch die hohen Temperaturen und die Angleichung Populationsverhältnis R als gegeben

Gleichung 2
(K ist die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und γ das gyromagnetische Verhältnis). Da die thermische Energie kT ist mit Abstand der dominierende Faktor ist, R nahe 1, dh 0,999982232 für Xe bei B 0 = 9,4 T. Dies ergibt P th (9,4 T) = 8,9 10 -7.

Weiter weist das normalisierte Signal Verbesserungsfaktor ε aus dem Verhältnis der hyperpolarisierten Signal S PS und das Signal vom thermischen Polarisation S-ten (vorausgesetzt, dass alle NMR-Pulssequenz Parameter identisch für beide Anwendungen waren) berechnet werden:

Gleichung 3
Wobei c und p die Konzentration von Xe in dem Gasgemisch (in%) und des Drucks des Gasgemisches sowohl für die Experimente mit thermisch und hyperpolarisierten Xe, repräsentieren. Die erreichte hyperpolarisations wird dann durch das Produkt εP th gegeben.

4. Funktionalisierte Xenon Lösung State Spectroscopy

  1. Vorbereiten einer 50 bis 200 pM Lösung eines (funktionalisierte) Xenon Wirt (zB Cryptophan-A mit einem Targeting-Einheit). Abhängig von der Hydrophobizität des Käfigs construct Fügen mehr oder weniger DMSO, Wasser als Lösungsmittel. In unserer Demonstration mit einem Cryptophan-A Monosäure Käfig, ist es am einfachsten zu reinem DMSO verwenden. Nehmen Sie ca. 1,5 ml dieser Lösung und füllt sie in den Gasstrom Phantom, sicherzustellen, dass die 5 Quarzglaskapillaren ausreichende Blasenbildung der Lösung mit dem Xe-Gasgemisch zu ermöglichen. Führen Sie einen sprudelnden Test außerhalb des NMR-Magneten mit 0,1 SLM und überprüfen Sie unerwünschte übermäßige Schaumbildung.
  2. Legen Sie die Phantom in der NMR-Sonde und Melodie und passen sowohl auf der Protonen-und X-Kanäle und führen Sie eine automatisierte shim wie in Schritt 2.2.
  3. Verwenden Sie einen FID Akquisition mit entsprechenden Verzögerungen und Triggerimpulse des Spektrometers zum Öffnen und Schließen der Mass Flow Controllern. Lassen Sie für ca. 15-20 sec sprudelnden mit 0,1 SLM und anschließende 5-8 sec warten Verzögerung für die Blasen verschwinden, durch RF-Anregung und FID Auslesen gefolgt.
  4. Führen Sie 16 oder 32 Wiederholungen (je nach Ihren Käfig Konzentration) mit sw = 40 kHz, bei ca. zentriert. 11 kHz abFeld aus dem Gas Resonanzfrequenz im Schritt 3.4 bestimmt. FID Anzeige sollte 500-1.000 m betragen. Fourier-Transformation des FID, um das Spektrum zu erhalten.
  5. Stellen Sie die chemische Verschiebungswert für die meisten richtige Signal (Gasphase) zu 0 ppm. Notieren der Frequenz des intensiven Lösung Signal (am weitesten links Signal) in Hz und ppm. Beachten Sie auch den Versatz zwischen dieser Signal bei δ-Lösung und dem Signal des eingekapselten Xe bei δ ~ Käfigs von 60 bis 80 ppm in ppm. Dieser Versatz wird als Δω (siehe auch repräsentative Ergebnisse).

5. Hyper-CEST Imaging

  1. Um das Kontrastmittel Fähigkeit eines Xenon-Wirtsmolekül testen, kann ein Experiment mit einer Zwei-Kammer Phantoms durchgeführt werden. Um dies zu tun, nehmen ca. 50% der Testlösung von Abschnitt 4 und füllen Sie ihn in eine 5mm NMR-Röhrchen. Fügen Sie diesen Schlauch in die 10 mm sprudelnden Setup von Abschnitt 4. Füllen des äußeren Kammer nur mit dem Lösungsmittel und keine Käfig bis auf das gleiche Niveau wie der innere compartment. Legen 3 des sprudelnden Kapillaren in die äußere und 2 Kapillaren in den Innenraum.
  2. Schließen Sie den Schlauch an der sprudelnden Setup und wiederholen Sie Schritt 4,2.
  3. Wählen Sie einen Single-Shot-EPI-Sequenz für die schnelle Bildgebung. Diese Sequenz möglicherweise muss modifiziert werden, um Verzögerungen und Triggerimpulse beinhalten vom Spektrometer zum Öffnen und Schließen der Massendurchflussregler werden. Lassen Sie für ca. 15 bis 20 sec sprudelnden mit 0,1 SLM und anschließende 5 bis 8 sec warten Verzögerung für die Blasen verschwinden, durch MRT-Codierung gefolgt.
  4. Gesetzt den Nachweis Kern auf 129 Xe auf dem X-Kanal und dem Sender / Beobachter Frequenz auf den Wert für die Lösung, das in Schritt 4.5 bestimmt. Mit dem HF-Puls Rechner Tool konvertiert die Pulsparameter (Amplitude und Dauer) aus Schritt 3.3 in der Anregung in Ihrem Bildgebungssequenz verwendet.
  5. Die Bildgebungsgeometrie in unserem Beispiel lautet wie folgt: 10 - 20 mm Schichtdicke, Querorientierung; 20 x 20 mm Bereich der view; Matrix-Größe 32x32; double sampling (Artefakte zu vermeiden) und partielle Fourier-Kodierung Faktor 1,68 für die beschleunigte Akquisitionen gesetzt (dh, nur 19 der 32 Phasenkodierungsschritte tatsächlich erworbenen).
  6. Öffnen des CEST-Modul (ein modifiziertes Magnetisierungstransfer Modul) zur Signalaufbereitung und ermöglichen eine cw Vorsättigung Impuls (Parameter, zB, 2 sec Dauer, 5 &mgr; T Amplitude). Führen Sie 2 Scans in Querausrichtung mit der Trägerfrequenz des Sättigungspuls einmal an δ Käfig gesetzt = δ Lösung - Δω und einmal δ Kontrolle = δ Lösung + Δω.
  7. Verwendung eines Bildes Nachbearbeitung Werkzeug, erzeugen das Hyper-CEST Differenzbildes durch Subtrahieren des Bilds mit Sättigung bei δ Käfig von derjenigen mit Sättigung bei δ Kontrolle. Das Ergebnis sollte nur markieren Bereiche, in denen die Xe Host vorhanden war (siehe auch repräsentative Ergebnisse).

6. Repräsentative Ergebnisse

Der Laser Absorption kann durch Schalten des Magnetfeldes um die Zelle und Ausschalten überwacht werden. In Abhängigkeit von der Laserleistung und Zelltemperatur, fast vollständige Absorption beobachtet wird mit dem Magnetfeld ausgeschaltet und ca. 30% Transmission auftritt mit dem Feld auf (ein Vergleich ist in 8 gezeigt).

Für ein NMR System, das bei 9,4 T (400 MHz für 1 H, 110 MHz für 129 Xe), sollte die Signalverstärkung ca sein. 16000-fach beim Vergleich thermisch polarisiertem Xenon mit hyperpolarisiertem Xenon. Gemäß Schritt 3.8, entspricht dies einer Spinpolarisation von ca.. 15%. Werte> 10% erreichbar sein sollten, wenn Sie eine Linie verengt Diodenlaser mit CW-Ausgangsleistung von> 100 W.

Die 129 Xe-NMR-Spektrum einer DMSO-Lösung enthält 213 uM eines molekularen Host sollte ein Signal von caged Xenon mit einem aufweisenSignal-zu-Rausch-Verhältnis von ca. 10 für 16 Akquisitionen (Abbildung 9; bei Raumtemperatur verwendet Linienverbreiterung von 10 Hz).

Die Hyper-CEST MRT Datensatz zeigt volle Signalstärke für die Off-Resonanz-Steuerung Bild-und Signalverarbeitung Verarmung in Bereiche mit der Xe Wirtsmolekül in der Online-Resonanz-Sättigung Bild. Der Unterschied zeigt Bild nur die Bereiche, die dem Sättigungsimpuls (Abbildung 10) reagiert.

Abbildung 1
Abbildung 1. Seitenansicht der optischen Komponenten zur Erzielung zirkular polarisiertem Licht. Das Laserlicht wird in das System durch die optische Faser auf der linken gekoppelt. Sowohl die polarisierenden Strahlteilerwürfel (PBC) und die λ / 4 Plättchen auf Drehsockel, um die schnelle ax einzustellen installierts für die Herstellung von zirkular polarisiertem Licht (siehe Film 1). Der ordentliche Strahl vom PBC reflektierten kann durch einen Spiegel, um am Ende in einem Beam-Dump (nicht dargestellt) umgelenkt werden.

Abbildung 2
Abbildung 2. Draufsicht von optischen Komponenten zur Erzielung zirkular polarisiertem Licht. Diese Ansicht enthält die Strahlabsorber für den ordentlichen Strahl. Als Sicherheitsmaßnahme sind Thermoelemente die Überwachung der Temperatur des primären Strahl-Expander, der Beam Dump, und der polarisierenden Strahlteilerwürfel.

Abbildung 3
Abbildung 3. Seitenansicht der Pumpzelle mit der Seitenwand des Ofens Box geöffnet. Der laser Licht in das Feld von links durch einen parallelen Glasfenster. Die Lochblende am rechten Ende dämpft das übertragene Laserenergie, um den optischen Spektrometers, die das Licht empfängt und durch einen Kollimator Lichtleitfaser schützen. Die Xe Gasmischung wandert entgegengesetzt zu der Laserlicht-Richtung: Eintritt in die Zelle durch das rechte Bein und tritt auf der linken Seite.

Abbildung 4
Abbildung 4. A) Close-up Blick auf Rb Tropfen im Inneren der Pumpzelle. Die orange Silicium Heizer (gesteuert durch einen PID-Regler) ist mit dem Boden der Glaszelle befestigt. Ein Thermoelement auf überwacht die Zelltemperatur. b) Nahaufnahme des Gaseinlasses Bereich eines mittleren Alters Pumpzelle mit incrErleichterung Kondensat build-up auf der Glaswand. c) Verbleibende Rb Tröpfchen in derselben Pumpzelle wie in b), wie durch Beleuchtung der Zelle aus dem Rücken und mit kurzer Belichtungszeit, um die Sichtbarkeit der Glaswand Beschichtung zu unterdrücken.

Abbildung 5
Abbildung 5. Energie Übergänge in Alkalimetalldampf. a) Ohne externe B-Feld werden die magnetischen Sub-Ebenen nicht definiert (dargestellt nur in grau), also ein Atom im Grundzustand Licht absorbiert. b) Einschalten eines äußeren Feldes definiert die Zeeman-Niveaus und Ursachen Pumpen nur ein Übergang nach den Dipol-Auswahlregeln. Dies bewirkt Ansammlung von Atomen in einem der Unterebenen während eine reduzierte Anzahl von Atomen in dem anderen Grundzustand Unterebenen-Laserlicht absorbiert.


Abbildung 6. Funktionalisierte Cryptophan Käfig zum Nachweis einer spezifischen Ziel-biochemischer Interesse. Die Xe-NMR-Signal wird bei der Bindung bei der Targeting-Einheit ändern.

Abbildung 7
Abbildung 7. Visible Zielstrahl (Rotlicht) zur Ausrichtung der Pumpzelle, um eine vollständige Ausleuchtung des Pumpvolumens.

Abbildung 8
Abbildung 8. Laser-Profile für verschiedene PumpzelleBedingungen. Keine Absorption wird für die kalte Zelle (Raumtemperatur) beobachtet, wenn keine Rb-Dampf vorhanden ist. Wir beobachten zwei Emissionslinien aus unserem Diodenlaser (zusammen mit einer FWHM von 0,5 nm, die in der Spezifikation des Herstellers ist). Wenn die Zelle ihre eingestellte Temperatur (180 ° C) erreicht hat und das Magnetfeld abgeschaltet ist, bewirkt allgemeinen D 1 Anregung fast vollständige Absorption des Laserlichts. Schalten des Magnetfeldes auf induziert selektiven Pumpen von nur einem Übergang und erhöht die Sendeintensität.

Abbildung 9
Abbildung 9. 129 Xe-NMR-Spektrum einer Lösung, die DMSO-A Cryptophan Monosäure (Struktur ebenfalls gezeigt) als Xe Käfig. Das Gas Peak wird auf 0 ppm referenziert. Kostenlose Xe in Lösung erscheint δ Lösung = 2450,7 ppm und der Käfig Xe bei δ cage = 79,2 ppm. Für die Hyper-CEST Experiment wird die Sättigungspuls einmal δ Käfig ermöglicht Sattigungsubertragung die Lösung peak verringern und einmal δ Steuerung gesetzt = 412,2 ppm, um das Referenzsignal für die Subtraktion sammelt. Versuchsparameter: 213 uM Käfig in DMSO bei 295 K, 16 Akquisitionen mit 32,3 kHz Bandbreite, 772 ms FID ausgelesen, sprudelte Xe in Lösung bei 0,1 SLM für 20 sec.

Abbildung 10
Abbildung 10. 129 Xe MR-Bilder von Xenon in DMSO gelöst. Das Phantom besteht aus zwei getrennten Kammern nur mit der inneren Abteilung aufweist Cryptophan-A Monosäure (bei einer Konzentration von 50 uM). Vor jedem EPI Bild aufgenommen wird, eine 5 &mgr; T Dauerstrich-gesattigtenion Impuls für 2 sec angewendet. a) Die Sättigungspuls ist δ Kontrolle, dh off Resonanz mit dem Xe @ Käfig Spitze und wir beobachten starkes Signal aus beiden Fächern. b) Die Sättigung ist auf Resonanz mit der Xe @ Käfig Peak bei δ Käfig, fast vollständig zerstört das Signal von dem inneren Abteil. Die Subtraktionsbild a) - b) zeigt die Position des Xe-Wirtsmolekül. Die Bilder wurden mit einem Sichtfeld von 20 x 20 mm, einer Schichtdicke von 10 mm und 32 x 32 Pixel erfasst. Sie wurden dann Schwellenwertvergleich und interpolierten zu 256 x 256 Pixel.

Movie 1. Animation der Montage ein Setup für SEOP. Der Laserstrahl wird zunächst im Durchmesser durch eine primäre Strahlaufweiter erhöht und durch eine polarisierende Strahlteilerwürfel (PBC). Rotation des Würfels ändern sich die relativen Intensitäten der ordentlichen und außerordentlichen Strahl. Für die Position mit maximaler Transmission ist die schnelle Achse der PBC mit dem domina ausgerichtetnt Polarisationsachse des einfallenden Lichts. Die lineare Polarisation des durchgelassenen Lichts - was durch die Qualität / Extinktionsverhältnis des PBC beeinflusst - kann getestet unter Verwendung eines zweiten PBC als Analysator werden. Ausrichten ihrer schnellen Achse mit der schnellen Achse des ersten Würfels sollte maximale Übertragungsrate während weitere Drehung um 90 ° geben sollte Null ergeben Übertragung und voller Reflexion. Einführen einer λ / 4 Verzögerungsplatte wandelt die lineare Polarisation in kreisförmige wenn seine schnelle Achse um 45 ° gegen die schnelle Achse des ersten PBC. Die Intensität des durchgelassenen Lichts sollte nun unabhängig von der Rotation des zweiten Würfels. Entfernen der Analyse Komponenten und ersetzt sie mit einer sekundären Strahlaufweiter ergibt das Recht Strahldurchmesser die Pumpzelle beleuchten. Ein Rubidium Tröpfchens sitzt in dieser Zelle wird teilweise verdampft, wenn eine Heizung außerhalb der Zelle eingeschaltet ist. Die Xenon-Gasgemisch strömt durch die Einrichtung in der entgegengesetzten Richtung zu dem Laserstrahl Lkributes diesen Dampf in der ganzen Zelle. Ohne Magnetfeld bewirkt diese allgemeine D 1 Anregung der Atome und Rb starke Absorption des Laserlichts. Durch Drehen des magnetischen on ermöglicht für die selektive Förderung von nur ein Übergang zwischen den nun definierten magnetischen Sub-Ebenen. Als Konsequenz absorbieren nur eine reduzierte Anzahl von Atomen das Laserlicht und Übertragung wieder erhöht wird. Hier zum Film kommen .

Movie 2. Animation Erläuterung des CEST-Effekt. Cryptophankäfige Käfige dienen als molekulare Wirte Xe-Atome, die ihre Resonanzfrequenz auf dieser Bindung Event (Übergang blau -> grün) ändern abzufangen. Ein erstes NMR Akquisition bestimmt die Menge an ungebundenem Xe als Referenzsignal. Weiter, zerstört ein selektiver Sättigungspuls, die nur die eingesperrten Atome ihre Magnetisierung. Da die Xe-Bindung ist ein reversibler Prozess, brechen ein langer Impulss die Magnetisierung aus vielen Atomen und einem zweiten NMR Akquisition zeigt ein signifikantes Signal Rückgang von freien Xe im Vergleich zum Referenzsignal. Klicken Sie hier, um Film anzusehen .

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Kritischen Aspekte bei der Herstellung von hyperpolarisiertem Xenon Sauerstoff sind Verunreinigungen in der Gasverteiler einschließlich der Pumpzelle und eine ausreichende Beleuchtung der Zelle mit zirkular polarisiertem Licht. Der oben erwähnte Glühbirne Test ist ein einfacher Weg, um schädliche Sauerstoffkonzentrationen detektieren beim Übertragen Rubidium. Das Alkalimetall kann der glänzenden Oberfläche durch die Zeit, die Zelle in dem Polarisator installiert verlieren. . Einmal, jedoch kann eine ausreichende Verdampfung des nicht oxidierten Rb durch vermindertem Laserübertragung (Heizfall eine frische Zelle zum ersten Mal, könnte es sein, dass ein zusätzlicher Temperaturanstieg von ca. 20 ° C ist erforderlich, um die Verdampfung zu starten überwachenden Laserabsorption beginnt, wird der Sollwert verringert werden sollte). Nahezu vollständige Laserabsorption in Anwesenheit des Magnetfeldes anzeigt, daß es wenigstens einen Bereich in der Zelle mit überschüssigem Rb Dampfdichten die inhomogene Zelle Beleuchtung und schlechter Xe Hype verursachenrpolarization. Reduzieren Temperatur des Heizers, wenn dies der Fall ist, bis sich etwa 30% Transmission durch die Zelle.

Optimale Temperatur, Druck, Gasmischung und Fließgeschwindigkeiten müssen experimentell für jedes Setup bestimmt werden, da diese von der speziellen Geometrie und Wärmeleitung der optischen Zelle und Laser Linienbreite und Leistung einzelner Polarisatoren abhängen. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass Spinaustausch aus Rb bis Xe effizientesten bei niedrigem Druck 12 ist. Doch aufgrund der relativ großen Linienbreite von Diodenlasern ist Rb Polarisation oft effizienter bei großen Drücke ein. Diese beiden Faktoren müssen gegeneinander gespielt werden, um maximale Polarisation für eine bestimmte Einrichtung zu erreichen.

Alternative optisches Pumpen können mit dem Rb D 2 Übergang mit einer laseremittierenden bei 780 nm oder durch Verwendung Cs mit seinem D-1-Übergang bei 894 nm 13 und D 2 erreicht werden 14. Abhängig von der Verfügbarkeit von Lasersystemen, kann eine der vier Ansätze für optimale Pumpbedingungen gewählt werden.

Eine gute Fehlersuche Liste für den Aufbau und Betrieb eines SEOP Setup kann auch in 15 gefunden werden. Einige weitere Komponenten zur Steuerung von Vakuum und Überdruck im Polarisator Verteiler und die Evakuierung in Schritt verwendet stehen 3,5 werden in der Hardware-Tabelle aufgelistet.

Um die Polarisierung des Xe zu erhalten, muss sie in einem magnetischen Feld gehalten werden. Das Streufeld eines NMR-Spektrometers ist dafür ausreichend. In der Gasphase der T 1 von Xe ist viele Stunden. Dies kann durch Einfrieren der Probe, was besonders vorteilhaft für den Transport ist zu erhöhen. Wand-Wechselwirkungen sind eine der Hauptursachen von Depolarisation von Xe-Gas. Diese können durch sorgfältige Auswahl der Materialien (zB durch Beschichten der Glaswaren 16) reduziert werden, und die Verringerung der Kontaktfläche between das Gas und Behälter.

Akquisition der NMR-Daten aus Lösungen können durch übermäßige Schaumbildung während der sprudelnden Luftblasen verbleibenden Periode oder in der Flüssigkeit nach dem wartenden Verzögerung behindert. Dies verursacht eine ernsthafte Feldinhomogenitäten und erheblichen Signalverlust. Verringerung des Sollwerts des Massenstroms Steuerung in diesem Fall.

Die Polarisation Setup hier vorgestellten ermöglicht eine einfache NMR-Studien mit hyperpolarisiertem Xenon über längere Zeiträume. Daher ist das Signal durchschnittlich für Bedingungen mit geringer Zielkonzentrationen problemlos möglich. Signalstabilität wird durch die Verwendung von Massendurchflussregler vom Spektrometer ausgelöst garantiert.

Das Signal von funktionalisierten Xe wurde berichtet, zu verschiedenen Aspekten des Mikro-Umgebung, einschließlich lokaler Parameter wie Temperatur, pH und Zusammensetzung des Lösungsmittels abhängig. Daher hat dieser Ansatz unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten sowohl in vitro einernd in-vivo-Diagnostik.

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Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Dieses Forschungsprojekt mit Mitteln aus dem European Research Council unter der Europäischen Gemeinschaft Siebten Rahmenprogramms (FP7/2007-2013) / ERC Finanzhilfevereinbarung n ° 242710 erhalten und wurde zusätzlich durch das Human Frontier Science Program und dem Emmy Noether-Programm der Deutschen unterstützt Forschungsgemeinschaft (SCHR 995/2-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rb ingot Sigma-Aldrich 276332-1G
P4O10 Sigma-Aldrich 79610-500G
Ar Praxair
Xe Sigma-Aldrich 00472-1EA
O2 Sigma-Aldrich 00476-1EA
Laser system QPC Lasers/Laser Operations Brightlock 50
Vacuum system Pfeiffer HiCube
Thermocouples Newport Omega SA2F-KI-3M
Silicon heater Newport Omega FMA5514
Pressure transducer Newport Omega PR 33X-V-10
Process meter Newport Omega INFCP-100B
Mass flow controllers Newport Omega MFC
PID regulators Newport Omega CN7800
Control Software Newport Omega DasyLab
Data acquisition Newport Omega Daqboard 3000
Vacuum sensor Oerlikon TTR91
Vacuum controller Vacom MVC-3
Beam collimator Thorlabs F810SMA-780
Polarizing beam splitter cube Thorlabs GL15-B
λ/4 wave plate Thorlabs WPQ10M-780
Beam expansion lenses Thorlabs
Optical spectrometer Ocean Optics HR4000
Optical fiber Ocean Optics
Low pressure NMR tube Wilmad 513-7LPV-7
5mm NMR tube Sigma-Aldrich HX58.1
Helmholtz coils Phywe 06960-00
Fused silica capillaries Polymicro TSG 250350

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References

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Hyperpolarisiertem Xenon für NMR-und MRI-Anwendungen
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Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).More

Witte, C., Kunth, M., Döpfert, J., Rossella, F., Schröder, L. Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications. J. Vis. Exp. (67), e4268, doi:10.3791/4268 (2012).

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