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Bioengineering

過偏光のスピン格子緩和磁場依存性の測定[1-13C]ピルビン酸

Published: September 13, 2019
doi:
10.3791/59399
, ,
1Department of Medical Biophysics,Western University, 2Imaging Research Laboratory, Robarts Research Institute,Western University, 3Ontario Institute for Cancer Research

Summary

我々は、高速フィールドサイクル緩和測定を用いて、動的核偏光によって過偏光する13C濃縮化合物のスピン格子緩和時間の磁場依存性を測定するプロトコルを提示する。具体的には[1-13 C]ピルビン酸でこれを実証しましたが、プロトコルは他の過分極基板に拡張することができます。

Abstract

過偏光13C濃縮化合物の生体内イメージング用途における基本的な限界は、有限スピン格子緩和時間である。バッファー組成、溶液 pH、温度、磁場など、さまざまな要因が緩和率に影響します。この最後の点では、スピン格子緩和時間は臨床分野の強さで測定することができますが、これらの化合物が偏光子から分配され、MRIに輸送される低い分野では、リラクゼーションはさらに速く、測定が困難です。輸送中に失われた磁化量をより深く理解するために、高速電界循環リラクセメトリーを用し、13C核の磁気共鳴検出を~0.75Tで用し、核磁気共鳴分散を測定した。過偏光[1-13 C]ピルビン酸のスピン格子緩和時間。溶解動的核偏光は、80mmol/Lおよび生理学的pH(〜7.8)の濃度でピルビン酸の過分極サンプルを生成するために使用された。これらの溶液は、サンプル磁化の緩和を校正された小さなフリップ角度(3°-5°)を使用して時間の関数として測定できるように、高速フィールドサイクリングリラクソメーターに迅速に転送されました。ピルビン酸のC-1のT1分散をマッピングするために、0.237 mTから0.705Tの範囲の異なる緩和フィールドのデータを記録した。この情報を基に、前述の磁場範囲内の超偏光基板のスピン格子緩和を推定する経験式を決定した。これらの結果は、輸送中に失われる磁化量を予測し、信号損失を最小限に抑えるための実験設計を改善するために使用することができます。

Introduction

磁気共鳴分光イメージング(MRSI)は、分光イメージングによって検出された代謝産物の空間マップを生成することができますが、その実用的な使用は、多くの場合、その比較的低い感度によって制限されます。生体内磁気共鳴イメージングおよび分光法のこの低感度は、体温と合理的な磁場強度で達成可能な核磁化の小さな程度に由来します。しかし、この制限は、動的核偏光(DNP)を使用して液体基板のインインビトロ磁化を大幅に強化し、その後MRSI1,2を用いて生体内代謝をプローブするために注入することによって克服することができる。,3,4.DNPは、非ゼロ核スピンでほとんどの核の磁化を高めることができるとピルビン酸5、6、重炭酸塩などの13 C濃縮化合物の生体内MRSI感度を高めるために使用されています7、8、噴酸塩9、乳酸塩10、グルタミン11、およびマグニチュード12の4つ以上の注文によって他。その用途は、血管疾患13、14、15、臓器灌流13、16、17、18、癌のイメージングを含む検出1,19,20,21,22, 腫瘍ステージング23,24, および治療応答の定量化2,6,23歳,24歳,25名,26.

遅いスピン格子リラクゼーションは、MRSIを用いる生体内検出に不可欠です。スピンラティスリラクゼーション時間(T1秒)は、溶液中の小分子内のジャイロ磁気比が低い核に対して数十秒の順に可能です。いくつかの物理的要因は、核スピン転移とその環境(格子)との間のエネルギーの移動に影響を与え、磁場強度、温度、および分子立体構造27を含む緩和につながる。二極緩和は、陽子が直接付着していない炭素位置の分子において減少し、溶解媒体の重水素化により、分子間二極緩和をさらに低減することができます。残念ながら、過熱溶媒は生体内のリラクゼーションに拡張する能力が限られています。カルボニルまたはカルボキシリン酸(ピルビン酸など)の弛緩の増加は、化学シフトの対向性により高い磁場強度で起こりうる。偏光後の溶解中の流体経路からの常磁性不純物の存在は、急速な緩和を引き起こす可能性があり、キレートを使用して避けるか、または排除する必要があります。

低いフィールドでの13のC含有化合物の緩和のためのデータはほとんど存在しません, スピン格子の緩和が大幅に高速になる可能性があります.しかし、過偏光造影剤は通常、地球の近くまたは地球のDNP装置から分配されるので、生体内イメージングに使用される薬剤の調製時にリラクゼーションを理解するために、低いフィールドでT1を測定することが重要です。フィールド。13C濃縮基板濃度、溶液pH、バッファーおよび温度などの追加の物理的要因も緩和に影響を与え、その結果、薬剤の製剤に影響を及ぼす。これらの要因はすべて、DNP溶解プロセスを最適化する上で重要なパラメータの決定、およびDNP装置からイメージング磁石へのサンプルの輸送中に発生する信号損失の大きさの計算に不可欠です。

核磁気共鳴分散(NMRD)測定、すなわち、T1測定は、磁場の機能として、典型的にはNMR分光計を用いて取得される。これらの測定値を取得するために、サンプルが最初に分光計からシャトルされ、磁石28、29、30のフリンジフィールドでの位置によって決定されるいくつかのフィールドでリラックスするシャトル方法を使用することができます。そして、その残りの磁石を測定するために、急速にNMR磁石に戻って転送されます。このプロセスを磁場の同じ点で繰り返すことによって、緩和の期間が長くなるので、緩和曲線を得ることができ、T1を推定するために分析することができる。

我々は、高速フィールドサイクリングリラクセメトリー31、32、33として知られている代替技術を使用して、NMRDデータを取得します。我々は、過偏光13C核を含む溶液のT1測定のための市販のフィールドサイクリングリラクセタメーター(材料の表を参照)を変更しました。シャトル方式と比較して、このリラクソメーターは、より小さい磁場(0.25 mT~1T)でNMRDデータを系統的に取得することができます。これは、磁場内のサンプル位置ではなく、磁場自体を急速に変化させることです。したがって、サンプルは、高い電界強度で磁化し、より低いフィールド強度で「リラックス」し、次いで、固定フィールド(およびLarmor周波数)での自由誘導減衰を獲得して測定し、信号を最大化することができる。これは、測定中にサンプル温度を制御することができ、NMRプローブは、磁場範囲全体にわたって自動集録を促進する各リラクゼーションフィールドで調整する必要がないことを意味します。

低磁界における過偏光溶液の分配と輸送の効果に焦点を当て、高速を用いて超偏光13C-ピルビン酸のスピン格子緩和時間を測定する詳細な方法論を提示する。0.237 mT ~0.705 Tの範囲の磁場に対するフィールドサイクリング緩和量。この方法論を用いた主な結果は、ラジカル濃度および溶解pHなどの他の要因が有する[1-13 C]ピルビン酸ナトリウムおよび13C濃縮ナトリウムおよびセシウム重炭酸塩35について以前に提示されている。研究も行っています。

Protocol

1. サンプル調製 注: 手順 1.1-1.8 は 1 回だけ実行されます。 ストック13C濃縮ピルビン酸溶液の1mLを調製し、生体内研究1、2、5、6、トリアリルメチルラジカルの15mmol/Lからなる[1–13歳C]ピルビン酸(材料の表を参照)。このストックソリュ…

Representative Results

図2は、ピルビン酸に対する高解像度フルレンジマイクロ波スイープの例を示す。提示された場合、最適なマイクロ波周波数は94.128 GHzに対応し、図インサートで強調表示されている。当社のDNPシステムは、通常、1MHzのステップサイズ、最大600sの偏光時間、および最大100mWの電力で93.750 GHzから94.241 GHzの範囲で動作することができます。周波数の全範囲は、新しい基板に?…

Discussion

信号集録を強化するためにDNPを使用することは、動物注射に使用されるものと同様に、限られた濃度で13C核から利用可能な不十分な磁気共鳴信号に対する技術的な解決策であるが、他の実験的課題を提示する。図7に示す各緩和測定は、再測定のために溶解後に再偏光することができないため、独自に調製されたサンプルの測定値を表す。これは必然的に、サン?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、オンタリオ州がん研究所、イメージング翻訳プログラム、カナダ自然科学工学研究評議会にこの研究に資金を提供してくれたことに感謝したいと思います。また、アルバート・チェン、GEヘルスケア、トロント、カナダ、ジャンニ・フェランテ、ステラーs.r.l.、イタリア、ウィリアム・マンダー、オックスフォード・インスツルメンツ、英国との有益な議論を認めるのも好きです。

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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References

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HyperpolarizedSpin-lattice RelaxationMagnetic Field DependenceDNPPyruvatePolarizationT1MRIEDTADissolution MediumMicrowave SweepOptimal Frequency

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Kim, S., Martinez-Santiesteban, F., Scholl, T. J. Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate. J. Vis. Exp. (151), e59399, doi:10.3791/59399 (2019).
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