Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-13C]pyruvate
Summary
Vi presentiamo un protocollo per misurare la dipendenza del campo magnetico del tempo di rilassamento spin-reticolo di 13composti arricchiti con C, iperpolarizzati per mezzo di polarizzazione nucleare dinamica, utilizzando una rilassantesi veloce ciclabile. In particolare, lo abbiamo dimostrato con [1-13C]pyruvate, ma il protocollo potrebbe essere esteso ad altri substrati iperpolarizzati.
Abstract
Il limite fondamentale per le applicazioni di imaging in vivo di composti iperpolarizzati arricchiti con 13C è i loro tempi finiti di rilassamento del reticolo spin. Vari fattori influenzano i tassi di rilassamento, come la composizione del buffer, il pH della soluzione, la temperatura e il campo magnetico. A quest’ultimo aspetto, il tempo di rilassamento del reticolo spin può essere misurato ai punti di forza dei campi clinici, ma nei campi inferiori, dove questi composti vengono erogati dal polarizzatore e trasportati alla risonanza magnetica, il rilassamento è ancora più veloce e difficile da misurare. Per comprendere meglio la quantità di magnetizzazione persa durante il trasporto, abbiamo usato la rilassantigia veloce in ciclizzazione del campo, con il rilevamento della risonanza magnetica di 13nuclei C a 0,75 T, per misurare la dispersione della risonanza magnetica nucleare del tempo di rilassamento giro-reticolo di iperpolarizzato [1-13C]pyruvate. La polarizzazione nucleare dinamica di dissoluzione è stata utilizzata per produrre campioni iperpolarizzati di piravavi ad una concentrazione di 80 mmol/L e pH fisiologico (7,8). Queste soluzioni sono state rapidamente trasferite a un rilassante veloce in bicicletta sul campo, in modo che il rilassamento della magnetizzazione del campione potesse essere misurato in funzione del tempo utilizzando un piccolo angolo di inversione calibrato (3-5 gradini). Per mappare la dispersione T1 del C-1 di pyruvate, abbiamo registrato dati per diversi campi di rilassamento compresi tra 0,237 mT e 0.705 T. Con queste informazioni, abbiamo determinato un’equazione empirica per stimare il rilassamento del reticolo spin-attico del substrato iperpolarizzato all’interno della gamma citata di campi magnetici. Questi risultati possono essere utilizzati per prevedere la quantità di magnetizzazione persa durante il trasporto e per migliorare i progetti sperimentali per ridurre al minimo la perdita del segnale.
Introduction
L’imaging spettroscopico a risonanza magnetica (MRSI) può produrre mappe spaziali dei metaboliti rilevati dall’imaging spettroscopico, ma il suo uso pratico è spesso limitato dalla sua sensibilità relativamente bassa. Questa bassa sensibilità dell’imaging a risonanza magnetica in vivo e dei metodi di spettroscopia deriva dal piccolo grado di magnetizzazione nucleare ottenibile a temperature corporee e ragionevoli punti di forza del campo magnetico. Tuttavia, questa limitazione può essere superata dall’uso della polarizzazione nucleare dinamica (DNP) per migliorare notevolmente la magnetizzazione in vitro dei substrati liquidi, che vengono successivamente iniettati al metabolismo in vivo della sonda utilizzando MRSI1,2 , 3 (COM del nome , 4. DNP è in grado di migliorare la magnetizzazione della maggior parte dei nuclei con spin nucleare diverso da zero ed èstato utilizzato per aumentare la sensibilità all’IVA in vivo di 13 composti arricchiti con C come il pirovato 5 , 6 , bicarbonato 7,8, fumarate9, lattato10, glutammina11, e altri da più di quattro ordini di grandezza12. Le sue applicazioni includono l’imaging della malattia vascolare13,14,15, perfusione di organi13,16,17,18, cancro rilevamento1,19,20,21,22, staging tumorale23,24e quantificazione della risposta terapeutica2 , 6 È possibile: , 23 del 23 o , 24 Mi lasa’ di , 25 mi lato , 26.
Il lento rilassamento del reticolo a spin è essenziale per il rilevamento in vivo con MRSI. I tempi di rilassamento del reticolo di spin (T1s) nell’ordine di decine di secondi sono possibili per i nuclei con bassi rapporti giromagnetici all’interno di piccole molecole in soluzione. Diversi fattori fisici influenzano il trasferimento di energia tra una transizione di spin nucleare e il suo ambiente (reticolo) che porta al rilassamento, tra cui la forza del campo magnetico, la temperatura e la conformazione molecolare27. Il rilassamento dipolare è ridotto in molecole per le posizioni di carbonio senza protoni collegati direttamente, e la deuterazione dei supporti di dissoluzione può ridurre ulteriormente il rilassamento dipolare dipolare intermolecolare. Sfortunatamente, i solventi deuterati hanno capacità limitate di estendere il rilassamento in vivo. L’aumento del rilassamento dei carbonili o degli acidi carboxilici (come il pirovato) può verificarsi ad alti punti di forza del campo magnetico a causa dell’anisotropia dello spostamento chimico. La presenza di impurità paramagnetiche dal percorso fluido durante la dissoluzione dopo la polarizzazione può causare un rapido rilassamento e deve essere evitata o eliminata utilizzando chelatori.
Esistono pochissimi dati per il rilassamento di 13composti contenenti C in campi bassi, dove il rilassamento del reticolo di spin potrebbe essere significativamente più veloce. Tuttavia, è importante misurare T1 nei campi bassi per comprendere il rilassamento durante la preparazione dell’agente utilizzato per l’imaging in vivo, poiché gli agenti di contrasto iperpolarizzati sono di solito dispensati dall’apparato DNP vicino o al campo. Ulteriori fattori fisici come la concentrazione di substrato arricchito 13C, il pH della soluzione, i tamponi e la temperatura influenzano anche il rilassamento e di conseguenza hanno un effetto sulla formulazione dell’agente. Tutti questi fattori sono essenziali nella determinazione dei parametri chiave nell’ottimizzazione del processo di dissoluzione DNP e nel calcolo dell’entità della perdita del segnale che si verifica nel trasporto del campione dall’apparato DNP al magnete di imaging.
Le misurazioni della dispersione di risonanza magnetica nucleare (NMRD), cioè le misurazioni T1, in funzione del campo magnetico vengono in genere acquisite utilizzando uno spettrometro NMR. Per acquisire queste misurazioni, si potrebbe utilizzare un metodo di chiusura quando il campione viene prima sgonfita fuori dallo spettrometro per rilassarsi in qualche campo determinato dalla sua posizione nel campo frangia del magnete28,29,30 e poi rapidamente trasferito di nuovo nel magnete NMR per misurare la sua magnetizzazione rimanente. Ripetendo questo processo nello stesso punto del campo magnetico ma con crescenti periodi di rilassamento, si può ottenere una curva di rilassamento, che può poi essere analizzata per stimare T1.
Usiamo una tecnica alternativa nota come relaxometry fast field-cycling31,32,33 per acquisire i nostri dati NMRD. Abbiamo modificato un rilassante commerciale per il ciclismo sul campo (vedi Tabella dei Materiali),per le misurazioni T1 di soluzioni contenenti nuclei 13C iperpolarizzati. Rispetto al metodo shuttle, il ciclo consente a questo relaxometer di acquisire sistematicamente i dati NMRD su una gamma più piccola di campi magnetici (da 0,25 mT a 1 T). Ciò si ottiene cambiando rapidamente il campo magnetico stesso, non la posizione del campione nel campo magnetico. Pertanto, un campione può essere magnetizzato ad un’elevata forza di campo, “rilassato” a una forza di campo inferiore, e poi misurato dall’acquisizione di un decadimento a induzione libera in un campo fisso (e frequenza Larmor) per massimizzare il segnale. Ciò significa che la temperatura del campione può essere controllata durante la misurazione e la sonda NMR non deve essere sintonizzata in ogni campo di rilassamento promuovendo l’acquisizione automatica su tutta la gamma del campo magnetico.
Concentrando i nostri sforzi sugli effetti dell’erogazione e del trasporto delle soluzioni iperpolarizzate a bassi campi magnetici, questo lavoro presenta una metodologia dettagliata per misurare il tempo di rilassamento del reticolo spin relaxometria sul campo per campi magnetici nell’intervallo da 0,237 mT a 0,705 T. I principali risultati dell’utilizzo di questa metodologia sono stati precedentemente presentati per [1-13C]pyruvate34 e 13C-enriched sodio e bicarbonato di cesio35 dove altri fattori come la concentrazione radicale e la dissoluzione di pH hanno sono stati studiati.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’uso di DNP per migliorare l’acquisizione del segnale è una soluzione tecnica al segnale di risonanza magnetica insufficiente disponibile da 13nuclei C a concentrazioni limitate, come quelle utilizzate nelle iniezioni di animali, ma presenta altre sfide sperimentali. Ogni misurazione di rilassamento illustrata nella Figura 7 rappresenta una misura di un campione preparato in modo univoco perché non può essere ripolarizzato dopo la dissoluzione per la rimisurazione. Ciò porta …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare l’Ontario Institute for Cancer Research, Imaging Translation Program e il Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada per finanziare questa ricerca. Ci piace anche riconoscere utili discussioni con Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canada, Gianni Ferrante, Stelar s.r.l., Italia, e William Mander, Oxford Instruments, Regno Unito.
Materials
| [1-13C]Pyruvic Acid | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 677175 | |
| 10mm NMR Tube | Norell, Inc., Morganton NC, USA | 1001-8 | |
| De-ionized water | |||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | E5134 | |
| HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer | Oxford Instruments, Abingdon, UK | Includes the following: "DNP-NMR Polarizer" software used to control and monitor the whole DNP polarizer; "RINMR" used to monitor the solid state polarization levels; "HyperTerminal" used to communicate the DNP software with the RINMR software that monitors the solid state polarization level. Also includes the MQC bench top spectrometer to monitor the liquid state polarization in conjunction with it own RINMR software | |
| MATLAB R2017b | MathWorks, Natick, MA | Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid. | |
| OX063 Triarylmethyl radical | Oxford Instruments, Abingdon, UK | ||
| pH meter – SympHony | VWR International, Mississauga, ON., Canada | SB70P | |
| ProHance | Bracco Diagnostics Inc. | Gadoteridol, Gd-HP-DO3A | |
| Pure Ethanol (100% pure) | Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada | P016EAAN | |
| Shim Coil | Developed in-house | ||
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S7653 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | S8045 | |
| SpinMaster FFC2000 1T C/DC | Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy | Includes the software "AcqNMR" that is used to set experimental parameters, monitor the tuning and matching of the RF coil, loading different pulse sequences, calibrate flip angle, data acquisition and curve fitting, among other functions. Also includes a depth gauge, some weights and a depth stopper. | |
| Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | T7943 |
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