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Bioengineering

Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-13C]pyruvate

doi: 10.3791/59399 Published: September 13, 2019

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

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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.

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Protocol

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1. Preparazione del campione

NOTA: i passaggi 1.1-1.8 vengono eseguiti una sola volta

  1. Preparare 1 mL di stock 13C-enriched pyruvic acid solution, ampiamente utilizzato per la ricerca in vivo 1,2,5,6, costituito da 15-mmol/L di triarylmetil radicale sciolto in [1- 13 del sistema C]acido pirorvico (vedere Tabella dei materiali). Le aliquote di questa soluzione di riserva saranno utilizzate per i campioni che saranno polarizzati individualmente e successivamente subiranno la rilassantità in diversi campi magnetici. Una rappresentazione della molecola di acido [1-13C]pyruvic è illustrata nella Figura 1.
  2. Sull'interfaccia software polarizzatore nucleare dinamico (vedere Tabella dei materiali),fare clic sul pulsante Cooldown per abbassare la temperatura dell'inserto a temperatura variabile (VTI) a 1,4 K.
  3. Una volta che il DNP ha raggiunto la temperatura desiderata, caricare 10 l della soluzione di riserva in una tazza campione, aprire le porte della torretta e inserire la tazza nella VTI utilizzando una bacchetta di inserimento appositamente progettata per questo compito.
  4. Dopo di che, estrarre rapidamente la bacchetta e assicurarsi che la tazza viene rilasciata. Quindi chiudere le porte della torretta e continuare con i seguenti passaggi mentre la temperatura del VTI risale a 1,4 K.
  5. Preparare il DNP per eseguire una scansione a microonde al fine di trovare la frequenza RF ottimale per l'iperpolarizzazione della soluzione di stock.
    1. Sul computer che controlla lo spettrometro (parte del sistema DNP), stabilire la comunicazione tra lo spettrometro e il software di controllo DNP facendo doppio clic sull'icona HyperTerminal, precedentemente configurata con la comunicazione seriale appropriata Parametri.
    2. Una volta stabilita la comunicazione, avviare il software RINMR, digitare nella relativa riga di comando . HYPERSENSENMR, quindi premere INVIO.
    3. Dopo di che, una nuova finestra verrà visualizzata sullo schermo e su di esso digitare il numero uno (1) nel campo Numero di configurazione. Quindi, fare clic sul pulsante Seleziona configurazione.
    4. Fare clic sul pulsante Fai microonde sweep. Verrà lanciata una piccola finestra con un contatore di secondi discendente che indica che lo spettrometro è pronto e sarà in attesa di segnali di innesco periodici, provenienti dal software di controllo DNP, per campionare la polarizzazione.
    5. Nel software di controllo DNP, selezionare la scheda Calibra e fare clic sul pulsante Genera.
    6. Utilizzando la finestra di impostazione della calibrazione, immettere le seguenti informazioni: Frequenza di avvio : 94,117 GHz, Frequenza di fine , 94,137 GHz, Dimensione passo , 1 MHz, Durata passaggio 300 s , Potenza , 50 mW, Livello di elio liquido , 65% e Temperatura 1,4 K.
    7. Fare clic sul pulsante Genera, che chiuderà la finestra di configurazione e tornerà alla scheda Calibratura che visualizzerà il numero di passaggi e il tempo necessario per eseguire la sweep a microonde desiderata.
    8. Una volta raggiunta la temperatura VTI desiderata, fare clic sul pulsante Abilita e quindi iniziare a inizializzare il processo di sweep a microonde.
  6. Alla fine dello sweep a microonde, recuperare il campione e registrare la frequenza ottimale in cui si raggiunge la polarizzazione massima. Questa frequenza ottimale è definita come la frequenza di polarizzazione che fornisce la massima polarizzazione come illustrato nella Figura 2. Questa frequenza sarà utilizzata per iperpolarizzare tutti i valori ottenuti da quella specifica soluzione di stock di acido pruvico.
  7. Preparare 250 mL di supporto di dissoluzione delle scorte utilizzando una soluzione di base di 40 mmol/L Tris, 50 mmol/L di cloruro di sodio e 80 mmol/L idrossido di sodio in acqua de-ionizzata. Aggiungere l'acido etilenediaminetracetraacetico (EDTA) ad una concentrazione di 100 mg/L per sequestrare qualsiasi contaminazione da ioni metallici. Analogamente alla soluzione di riserva di acido pirovico, questo mezzo di dissoluzione verrà utilizzato per tutti i diversi campioni che saranno polarizzati. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per dettagli più specifici sulle sostanze chimiche utilizzate.
  8. Inoltre, preparare 500 mL di soluzione di pulizia delle scorte costituita da 100 mg/L EDTA disciolto in acqua deionizzata. Circa 10 mL di questa soluzione di pulizia viene utilizzato dopo ogni polarizzazione per pulire il percorso di dissoluzione del DNP.
    NOTA: per ogni singolo campione vengono eseguiti i passaggi 1.9-1.27.
  9. Raffreddare l'apparato DNP a 1,4 K in preparazione dell'iperpolarizzazione di un campione di acido pirorvico [1-13C]premendo il pulsante Raffreddamento nella finestra principale del DNP.
  10. Se il software utilizzato per lo spettrometro è già attivo con la configurazione 1 selezionata, procedere come segue. In caso contrario, eseguire i passaggi da 1.5.1 a 1.5.3 e continuare con i passaggi seguenti.
  11. Dopo aver verificato che la configurazione 1 sia selezionata nella finestra che controlla lo spettrometro del DNP, fare clic sul pulsante Solid Build Up.
  12. Immettere il nome del file SSBuilupXXX, dove "XXX" è un numero nella sequenza di file memorizzati con i dati di accumulo. Questo numero viene incrementato automaticamente dal software. Quindi fare clic su OK. Analogamente al caso di sweep a microonde, verrà lanciata una piccola finestra con un contatore decrescente di secondi che indica che lo spettrometro è pronto e sarà in attesa di segnali di innesco periodici, provenienti dal software di controllo DNP, per campionare la polarizzazione .
  13. Utilizzando l'acido pirovico - OX063 soluzione stock preparato nel passaggio 1.1, pesare 30 mg in una tazza campione.
  14. Quando si raggiunge la temperatura VTI desiderata (1.4 K) fare clic su Inserisci campione, quindi selezionare Campione normale e quindi fare clic su Avanti. Seguendo le precauzioni di sicurezza visualizzate sullo schermo, inserire la tazza nell'apparato DNP freddo, utilizzando una lunga bacchetta appositamente progettata per questo compito.
  15. Una volta inserita la tazza, la bacchetta rimossa e le porte DNP chiuse, fare clic su Avanti e quindi su Fine. A quel punto il sistema di iperpolarizzatori abbassa la tazza campione alla camera di irradiazione parzialmente riempita (65%) con elio liquido.
  16. Attendere che la temperatura sia tornata a 1,4K, quindi fare clic sul pulsante Polarize Sample.
  17. Nella nuova finestra pop-up, impostare il valore di frequenza su quello ottenuto dalla sweep a microonde nel passaggio 1.6. Nella stessa finestra, impostare anche la potenza a 50 mW e il tempo di campionamento su 300 s. Fare clic su Avanti, selezionare la casella Abilita monitoraggio build-up e quindi fare clic su Fine.
    NOTA: Una volta avviata la polarizzazione, il software di controllo DNP genera segnali di innesco ogni 300 s per indicare allo spettrometro di campionare la polarizzazione utilizzando un piccolo angolo di punta. In questo modo, il software spettrometro aggiunge un punto di esempio a una curva di magnetizzazione a stato solido, ora visualizzato sia nel software spettrometro che nel software di controllo DNP nella scheda Polarization Build-Up. Dopo il quarto campione e ogni campione successivo, il software spettrometro adatta la curva a una funzione di crescita esponenziale della forma:

    S - A sxp(-t/Tp)- y0

    dove A è l'ampiezza di polarizzazione, in unità arbitrarie, t è il tempo di campionamento, Tp è la costante del tempo di polarizzazione (entrambi in secondi) e y0 è un offset. Sulla base dei parametri inseriti, il software calcola anche la polarizzazione percentuale raggiunta fino a quel momento, che viene visualizzata anche nella scheda Stato di polarizzazione del DNP.
  18. Polarizzare fino a quando l'accumulo della magnetizzazione allo stato solido raggiunge almeno il 95% del massimo (circa un'ora).
  19. Mentre l'esempio è polarizzato, preparare il Fast-Field-Cycling Relaxometer come spiegato nella Sezione 2 riportata di seguito.
  20. Quando si raggiunge la polarizzazione desiderata, fare clic su Esegui dissoluzione e in Metodoselezionare Test dell'acido piriferico. Quindi, fare clic su Avanti.
  21. Seguendo le istruzioni sullo schermo, aprire le porte della torretta DNP e caricare la camera di riscaldamento e pressurizzazione nella parte superiore dell'apparecchio con 4,55 mL del mezzo di dissoluzione preparato nella sezione 1.5 per produrre una concentrazione di 80-mmol/L piruva dissoluzione a un pH di 7,75 USD e a una temperatura di 37 gradi centigradi.
  22. Posizionare la bacchetta di recupero nella posizione giusta, chiudere le porte della torretta, e al computer fare clic su Avanti e poi su Fine. A quel punto il supporto di dissoluzione sarà surriscaldato fino a quando la pressione raggiunge 10 bar.
  23. Una volta raggiunta la pressione di 10 bar, il piruvvate congelato e iperpolarizzato viene automaticamente sollevato dal bagno di elio liquido, mescolato rapidamente e scongelato con il supporto di dissoluzione surriscaldato ed espulso attraverso un tubo capillare in una fiaschetta a forma di pera. Mentre viene espulsa la miscela di mezzi iperpolarizzati pyruvate/dissoluzione, girare costantemente il flacone per garantire una miscela omogenea.
  24. Una volta espulsa tutta la miscela, estrarre rapidamente 1,1 mL di liquido in una siringa, trasferirlo in un tubo NMR di 10 mm di diametro preriscaldato (37 c) e trasportare rapidamente al relaxometro per il ciclismo sul campo (vedere passo 2.2.12).
  25. Distribuisci l'aliquota rimanente di ogni dissoluzione dei pirivi in uno spettrometro NMR da 0,55-T per verificare la presenza di possibili effetti sperimentali sistematici.
  26. Pulire immediatamente il percorso fluido DNP utilizzando un mezzo di dissoluzione pulito seguito da etanolo. Soffiare il gas di elio attraverso il percorso del fluido per rimuovere i fluidi di pulizia rimanenti e il percorso di spurgo di ossigeno. Pulire tutti i bicchieri.
  27. Dopo ogni misurazione, registrare il pH dei campioni sia dallo spettrometro della panca che dal rilassante per il ciclismo sul campo.
    NOTA: ogni misura T1 è una dissoluzione iperpolarizzata separata dall'apparato DNP, quindi è necessario prestare attenzione per assicurare la riproducibilità della misura-misurazione della composizione del campione. Ciò si ottiene pesando tutti gli agenti e i solventi con una precisione di 0,1 mg per assicurare una preparazione accurata e riproducibile delle soluzioni iperpolarizzate finali.

2. Relaxometria

Nota: Si prega di fare riferimento alla tabella 1 per una migliore comprensione della selezione e l'utilizzo dei diversi parametri descritti nei passaggi seguenti. Prima della dissoluzione, l'angolo di ribaltamento del relaxometro deve essere calcolato e il relaxometer deve essere impostato e pronto per la misurazione della soluzione iperpolarizzata (vedi sotto).

  1. Calibrazione dell'angolo di scorrimento
    1. Preparare 1 mL di acido pulito [1-13C] pyruvic in un tubo NMR e aggiungere un agente di contrasto gadolinio per ridurre il T1 dei 13nuclei C ad un valore inferiore a 200 ms ma più di 50 ms.
    2. Sigillare il tubo NMR in modo che possa essere utilizzato più volte come standard di calibrazione.
    3. Utilizzando l'indicatore di profondità del relaxometer, impostare la profondità di inserimento del tubo NMR all'altezza corretta per garantire che il campione venga posizionato al centro della bobina relaxometer RF.
    4. Contrassegnare la profondità di inserimento dello standard di calibrazione pirovate 13C con nastro adesivo per garantire la ripetibilità.
    5. Posizionare il tappo di profondità sul tubo NMR nella posizione indicata dal nastro e inserire questo standard di calibrazione nel foro del rilassante da campo. Utilizzare un peso per mantenere il tubo NMR in posizione.
    6. Aprire la valvola dell'aria dello strumento e dal pannello anteriore relaxometer impostare il regolatore di temperatura a 37 gradi centigradi. Questo manterrà la temperatura del campione a 37 gradi centigradi utilizzando aria riscaldata durante l'esperimento.
    7. Impostare l'hardware relaxometer da campo per acquisire segnali di 13nuclei C. Ciò include l'installazione e l'energizzazione della bobina di shim esterna (vedi Tabella dei materiali),la regolazione e la corrispondenza della bobina RF a 8 MHz (0,75 T per i nuclei da 13C) e l'utilizzo del cavo appropriato per 4.
    8. Nel software dello strumento, effettuare le seguenti operazioni:
      1. Selezionare la scheda Par principale
      2. Fare clic sulla cella accanto all'etichetta Esperimento e scorrere verso il basso nella finestra pop-up per selezionare la sequenza di impulsi "13CANGLE. FFC ".
      3. Impostare i seguenti parametri di acquisizione: RFA n. 5; SWT : 0,005, RD - 0,5, BPOL - 30 MHz, TPOL - 0,5.
      4. Selezionare la scheda Acq. par, quindi selezionare la sottoscheda Basic.
      5. Fare clic sulla cella accanto all'etichetta Nucleus e scorrere verso il basso nella finestra pop-up per selezionare 13C.
      6. Quindi, impostare i seguenti parametri: SF - 8 MHz, SW - 1000000, BS - 652, FLTR - 100000, MS - 32.
      7. Selezionare la sottoscheda Conf.
      8. Impostare i seguenti parametri: RINH : 25, ACQD : 25.
      9. Selezionare la sottoscheda nDim
      10. Impostare NBLK : 32, BINI , 2 , BEND ( 62).
      11. Selezionare la scheda Valutazione e quindi la sottoscheda Parametri.
      12. Impostare i seguenti parametri: EWIP - 10, EWEP 128, EWIB , 1, EWEB , 32.
      13. Quindi, fare clic sull'icona Avvia acquisizione per eseguire la sequenza di impulsi.
    9. Al termine dell'acquisizione, salvare i dati, selezionare l'icona della finestra di dialogo Valutazione e dal menu di analisi selezionare Finestra WAM: Grandezza assoluta. Quindi selezionare Report Sheet, Grafici e Esporta file e infine fare clic su Esegui.
    10. Nella finestra Report individuare la larghezza dell'impulso RF che fornisce la massima ampiezza e ottimizzare il valore con l'aiuto del cursore nel grafico visualizzato, che è simile ai grafici mostrati nella riga inferiore della figura 3. Questa larghezza dell'impulso verrà utilizzata per il parametro PW90 dei seguenti esperimenti.
    11. Fare clic sull'icona F1 per regolare lo spostamento di frequenza del relaxometer.
      NOTA: Finestra WAM: L'assoluta grandezza è una procedura per integrare la grandezza di una singola o una sequenza di acquisizioni di decadimento a induzione libera (FID) dal punto definito da EWIP al punto specificato da EWEP e dal blocco definito da EWIB al blocco specificato da EWEB.
  2. T1-Misure
    1. Assicurarsi che la bobina di shim esterna sia installata ed eccitata.
    2. Nel software dello strumento eseguire le seguenti operazioni:
      1. Selezionare la scheda Par principale
      2. Fare clic sulla cella accanto all'etichetta Esperimento e scorrere verso il basso nella finestra popup per selezionare la sequenza di impulsi HPUB/S, illustrata nella Figura 4.
      3. Impostare i seguenti parametri di acquisizione: RFA : 25, T1MX : valori compresi tra 3 e 5; SWT - 0,2, RD - 0, BRLX - Campo di rilassamento desiderato in MHz (frequenza Larmor protone).
      4. Selezionare la scheda Acq. par, quindi selezionare la sottoscheda Basic.
      5. Fare clic sulla cella accanto all'etichetta Nucleus e scorrere verso il basso nella finestra pop-up per selezionare 13C.
      6. Quindi, impostare i seguenti parametri: SF - 8 MHz, SW - 1000000, BS - 652, FLTR - 50000.
      7. Selezionare la sottoscheda Conf.
      8. Impostare i seguenti parametri: PW90 uguale al valore trovato nel passaggio 2.1.10, RINH : 25, ACQD : 25.
      9. Selezionare la sottoscheda Puls e impostare PW - 5.
      10. Selezionare la sottoscheda nDim e impostare NBLK .
      11. Attendere e prepararsi a ricevere la soluzione iperpolarizzata per avviare l'acquisizione dei dati.
      12. Immediatamente prima di inserire il campione nel relaxometer, avviare manualmente la sequenza di impulsi dalla console, per evitare di inserire il campione in un campo magnetico nullo. Per questo motivo, è importante ignorare il primo Free Induction Decay (FID) durante l'analisi dei dati.
      13. Al termine dell'acquisizione, salvare i dati facendo clic sul pulsante Salva.
    3. Utilizzando il software di analisi, integrare la grandezza di ogni segnale FID per produrre una serie di dati composta da magnetizzazione del campione in funzione del tempo.
    4. Estrarre il tempo di rilassamento del reticolo spin da un modello esponenziale a tre parametri utilizzando un algoritmo standard di montaggio dei minimi quadrati non lineari implementato in un software analitico commerciale (cfr. tabella dei materiali)assumendo una ponderazione uniforme per tutti i dati:
      Equation 1
      dove A è l'ampiezza del segnale iniziale (y-intercept), T1 è il tempo di rilassamento spin-reticolo, T R è il tempo di ripetizione, che è un valore noto, y0 è il segnale offset, e cos(n-1)()è una correzione per la perdita di magnetizzazione longitudinale alla misura nth per un angolo di inversione, .

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Representative Results

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La figura 2 presenta un esempio di sweep a microonde ad alta risoluzione a piena gamma per l'acido pirovico. Per il caso presentato, tale frequenza ottimale di microonde corrisponde a 94.128 GHz, evidenziata nell'inserto della figura. Il nostro sistema DNP può normalmente funzionare nell'intervallo da 93,750 GHz a 94,241 GHz con dimensioni del gradino di 1 MHz, tempo di polarizzazione fino a 600 s e potenza fino a 100 mW. Una gamma completa di frequenze è studiata solo per nuovi substrati. Tuttavia, sulla base di un'esperienza precedente con 13acido C-pyruvic, ci aspettiamo che la frequenza ottimale sia di circa 94.127 GHz. Pertanto, viene in genere utilizzato un intervallo di scansione compreso tra 94,117 GHz e 94,137 GHz, con una dimensione di passaggio di 1 MHz e un tempo di campionamento di 300 s con 50 mW di potenza.

La colonna sinistra della figura 3 presenta i risultati per la calibrazione dell'angolo della punta per [1-13C]pyruvic acid, che comporta l'acquisizione di una serie di misurazioni del segnale in funzione di una durata dell'impulso RF linearmente variabile per determinare l'impulso larghezza corrispondente ad un angolo di capovolgimento di 90 e 180 gradi per i nuclei 13C. La larghezza dell'impulso che fornisce l'ampiezza massima corrisponde a un angolo di capovolgimento di 90 gradi e l'attraversamento zero corrisponde a un angolo di inversione di 180 gradi. La relazione tra le due larghezze dell'impulso dovrebbe essere un fattore di due.

I parametri di acquisizione per la calibrazione dell'angolo della punta 13C mostrata sopra possono richiedere alcune regolazioni a seconda della potenza di trasmissione del rilassante del ciclo di campo, del T1 del campione e del rumore caratteristico del sistema. Alcuni tentativi ed errori possono essere necessari anche per trovare correttamente il 90 e 180 senza gli effetti di echi stimolati, saturazione dell'amplificatore, e scarsa SNR.

Questa procedura, anche se accurata, richiede normalmente molto tempo perché la scarsa SNR dei composti 13C polarizzati termicamente richiede molte medie. Un metodo alternativo e più veloce consiste nel calibrare l'angolo di ribaltamento con un phantom di 1H e un phantom di 1 H e il ridimensionamento della durata dell'impulso RF di 90 gradi per 13C moltiplicando la durata dell'impulso RF da 90-1H per il rapporto tra rapporti giromagnetici di 1H/13C, che corrisponde a un fattore di 3.976. In questo caso, i parametri di acquisizione standard devono essere: EXP e ANGLE. FFC, NUC : 1H, TPOL , 0,1 s, BPOL , 30 MHz, SWT , 0,005, BINI - 0 s, BEND , 15,5 s, NBLK , 32, MS , 1, RFA , 25, RD - 0,1 s, BS , 652, SW , 1 MHz, FLTR , 100 KHz, SF , 8, RINH , 25, ACQD , 25, EWIP , 10, EWEP , 512, ed EWEB : 32. I risultati per questo metodo alternativo sono riportati nella colonna destra della figura 3. A titolo di confronto, per i casi presentati, il tempo totale di acquisizione per la calibrazione dell'angolo della punta per 13C è stato di 13,5 minuti, mentre per 1H era di 7,1 secondi.

Figura 5 illustra la serie tipica di FID in decomposizione come la magnetizzazione iperpolarizzata viene campionata. Ogni misura T1 in una dataB RLX è una dissoluzione iperpolarizzata separata dall'apparato DNP. Per questo caso particolare, il campo di rilassamento (BRelax) era di 0,2916 mT, con un tempo di ripetizione di 3,4 s e un angolo di capovolgimento di 5 . Tutte le temperature di campionamento sono state controllate a 37 gradi centigradi.

La figura 6 presenta la curva di rilassamento per iperpolarizzato [1-13C]pyruvate ottenuto dai dati della figura precedente. Ogni punto blu sulla curva rappresenta l'area sotto un FID. Il valore T1 (53,9 x 0,6s) è stato ottenuto da un adattamento dei minimi quadrati non lineari dell'equazione del segnale ai dati della curva di decadimento, che includevano gli effetti dell'angolo di inversione utilizzato per l'eccitazione. La bontà dell'adattamento è stata valutata calcolando il valore R2 (0,9995), assumendo anche la ponderazione dei punti dati. I residui di montaggio (adattamento dei dati) vengono visualizzati come triangoli aperti.

La figura 7 presenta i risultati di T1 per tutte le 26 misurazioni su un intervallo di 0,237 mT e 0,705 T a 37 gradi centigradi. Il T1 aveva una media di raccordo di 0,33 s per tutti i risultati. L'analisi della dispersione delle misurazioni ripetute in un particolare campo di rilassamento ha prodotto una riproducibilità sperimentale più volte superiore all'incertezza statistica citata sopra, con un T1 di 1,91 s. Un'incertezza di 2,24 s è stata assegnata in modo conservativo per tutte le misurazioni T1 calcolate come somma delle due incertezze sopra citate. I dati T1-dispersione sono ben caratterizzati dalla formula empirica T1 - (3,74 x 0,52) x log10(BRelax) - (63,0 x 1,2) s; dove BRelax è il campo relax misurato in Tesla. Le incertezze per i parametri adattati rappresentano una deviazione standard. La linea continua sulla Figura 7 rappresenta la formula insieme alle linee tratteggiate che rappresentano le fasce di confidenza del 95%. I pH per questi campioni variavano da 7,63 a 7,93, con un pH medio di 7,75 e una deviazione standard di 0,09. L'analisi dei risultati ha mostrato che il tempo di rilassamento per il nucleo C-1 è di 46,9 s sul campo magnetico terrestre (0,05 mT) rispetto a 65 s a 3 T, che rappresenta una diminuzione del 28%.

Figure 1
Figura 1 : molecola acida pirorvica [1-13C]. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : sweep a microonde a tutto raggio e sezione zoom-in che mostra la frequenza ottimale di polarizzazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : calibrazione dell'angolo della punta per campioni da 13C (a sinistra) e 1H (a destra). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Sequenza di impulsi a ciclo di campo (HPUB/S) per misurare il tempo di rilassamento T1di un campione iperpolarizzato in un particolare campo di rilassamento (BRLX). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : sequenza di FID ottenuta con la sequenza di impulsi HPUB/S. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6 : segnale di rilassamento (punti blu), raccordo curva (linea rossa) ed errore di raccordo (triangoli aperti) ottenuti dalla sequenza di FID presentati in Figura 5. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Chattergoon et al. 201334. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7 : profilo NMRD dell'acido iperpolarizzato [1-13C]pirorvico a bassi campi magnetici. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Chattergoon et al. 201334. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

parametro Breve descrizione Commenti Unità
ACQD Ritardo acquisizione Ritardo necessario per consentire al campo magnetico di raggiungere lo stato stabile dopo la transizione e prima dell'acquisizione dei dati Μs
BACQ Campo di acquisizione Specificato mediante 1H Frequenza Larmor Mhz
piegare Valore finale Valore finale del parametro in serie
Bini Valore iniziale Primo valore del parametro in serie
BPOL Campo di polarizzazione Specificato mediante 1H Frequenza Larmor Mhz
BRLX (BLX) Campo Relax Specificato mediante 1H Frequenza Larmor Mhz
b Dimensione blocco Numero di punti dati in un singolo blocco
EWEB Blocco finale Qualsiasi numero intero nell'intervallo di Numero di blocchi (NBLK). 0 significa "tutto"
EWEP Punto finale Qualsiasi numero intero nell'intervallo di dimensione del blocco (BS). 0 significa "tutto"
EWIB Blocco iniziale Da 1 al numero di blocchi (NBLK)
EWEP Punto iniziale Da 1 a dimensione del blocco (BS)
Exp rsperimento Nome della sequenza di impulsi da utilizzare
Fltr Osserva filtro Frequenza di taglio dei filtri del segnale audio Hz
Signora Scansioni massime Numero desiderato di medie
NBLK (NBLK) Numero di blocchi Numero di sezioni per il parametro in serie. Il parametro arrayed è "PW90" per le sequenze di impulsi "13CANGLE" e "ANGLE" e "T1MX" per la sequenza di impulsi "HPUB/S". PW90 cambia dopo ogni ripetizione, ma T1MX rimane costante.
Nuc nucleo Per questo protocollo 13C o 1H
Pw Impulso RF principale Angolo punta Gradi (in com/ )
PW90 (in stato di Impulso da 90 deg Durata dell'impulso di 90 gradi Μs
Rd Ritardo riciclo Intervallo di raffreddamento magnete pre-scansione s
Rfa Attenuazione RF Attenuazione del ricevitore RF Db
RINH Inibizione del ricevitore Ritardo necessario per consentire il decadimento dello squillo della bobina RF Μs
Sf Frequenza del sistema Frequenza larmor utilizzata durante l'acquisizione Mhz
Sw Larghezza sweep Larghezza della finestra spettrale (frequenza Nyquist) Hz
Swt Tempo di commutazione Tempo di commutazione magnete globale s
T1MX (IntOnDMX) Massimo T1 Parametro utilizzato dalla sequenza di impulsi HPUB/S per definire il tempo di polarizzazione durante ogni ripetizione s
TPOL Tempo di polarizzazione Parametro utilizzato dalla sequenza di impulsi "ANGLE" e "13CANGLE" per definire il tempo di polarizzazione durante ogni ripetizione s

Tabella 1: Descrizione dei parametri utilizzati dal relaxometer sul campo.

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Discussion

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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 inevitabilmente a una variabilità sperimentale dovuta a piccole differenze nella preparazione del campione durante la pesatura dei supporti di dissoluzione del campione e di dissoluzione o a variazioni nel processo stesso di dissoluzione, come l'estrazione incompleta e la miscelazione approfondita del campione con i mezzi di dissoluzione. Questa variabilità può essere parzialmente valutata misurando il pH di ogni soluzione pirofavata dopo la rilassante. Indipendentemente dall'attenta pesatura della miscela di pruvate/radicale di riserva e del mezzo di dissoluzione prima dell'inserimento nell'apparato DNP per una migliore di un milligrammo, nei nostri esperimenti i pH variavano da 5,5 a 8,3. Abbiamo scelto di rifiutare tutti i dati T1 al di fuori dell'intervallo di pH da 7,6 a 8,0.

Come accennato in precedenza, il livello di polarizzazione dello stato solido per ogni campione era di almeno il 95%, che è stato ottenuto in circa un'ora. La polarizzazione dello stato liquido non è stata stimata per ogni campione; tuttavia, la garanzia periodica della qualità del sistema DNP, utilizzando la stessa preparazione del campione, ha portato a livelli di polarizzazione dello stato liquido di circa il 15%.

Durante la preparazione del campione, la contaminazione da ioni metallici può verificarsi a partire dal contatto tra il mezzo di dissoluzione e il percorso del fluido di dissoluzione DNP. Questa possibilità ha richiesto l'aggiunta di acido etilenediaminetracetraacetico dissodio (EDTA) per sequestrare qualsiasi contaminazione degli ioni metallici e preservare il rilassamento del reticolo spin.

Confrontando il metodo di chiusura utilizzato nel riferimento28 e il ciclismo a campo veloce presentato in questo protocollo, possiamo dire che il metodo di chiusura è possibile solo quando il tempo di navetta è piccolo rispetto al tempo di rilassamento; in caso contrario, i campi magnetici medi sperimentati durante il tempo di chiusura possono avere un effetto significativo. Con il rilassante ciclismo a campo veloce che abbiamo usato, l'utente ha il controllo completo del tempo di commutazione, che può scendere a partire da 3 ms. Tuttavia, per i substrati iperpolarizzati, è necessario un tempo di commutazione lento per mantenere l'adiabaticity e non distruggere la polarizzazione del durante le transizioni archiviate. Nella nostra esperienza, per l'acido iperpolarizzato 13C-pyruvic, un tempo di commutazione a partire da 50 ms mantiene la polarizzazione, ma abbiamo osservato risultati più coerenti utilizzando un tempo di commutazione di 100 o 200 ms. l'acquisizione e il ritorno ai campi di rilassamento è trascurabile rispetto al T1 volte misurato e non ha alcun effetto sistematico su queste misurazioni. Riteniamo che siano necessarie ulteriori ricerche per stabilire i confini dell'adiabaticità di diversi substrati iperpolarizzati in diversi campi magnetici.

Un'altra differenza importante tra i due metodi è la gamma di campi magnetici, che è 2 mT a 18.8 T per il metodo di shuttling e 0.237 mT a 0.705 T per il relaxometro di ciclismo sul campo. A questo proposito possiamo vedere i due metodi come complementari tra loro. Tuttavia, per gli studi in vivo con composti iperpolarizzati, i campi magnetici fino a 3 T sono più comuni.

Con punti di forza di campo inferiori a 1 mT, sono stati osservati campi magnetici vaganti provenienti da oggetti circostanti per avere un effetto sistematico sulle nostre misurazioni di rilassamento. Per eliminare questi campi, abbiamo progettato e aggiunto uno shim magnetico personalizzato intorno al magnete da ciclismo sul campo. In confronto, il metodo di chiusura utilizza la schermatura cilindrica del metallo z che produce un brusco cambiamento di campo magnetico da circa 2 mT a 0,2 mT.

Il controllo della temperatura del campione è stato importante a causa dei tempi di acquisizione relativamente lunghi che richiedevano da 300 a 510 s per catturare l'intera curva di decadimento. Abbiamo preriscaldato i tubi NMR prima di erogare la soluzione iperpolarizzata e quindi mantenuto la temperatura del campione soffiando aria riscaldata, regolata dalla temperatura (37 gradi centigradi) sui tubi durante la rilassa. Questo è un importante vantaggio del relaxometro in bicicletta sul campo rispetto al metodo di chiusura perché la temperatura del campione può essere controllata con precisione poiché il campione è fermo durante le misurazioni.

Inoltre, non era pratico controllare l'esposizione del campione alla temperatura ambiente e al campo magnetico durante il breve tempo di trasferimento tra polarizzatore e rilassante. Il T1 dei campioni è stato misurato a campi magnetici noti e la temperatura controllata dal relaxometro, quindi il trasporto ha avuto un'influenza limitata. Le condizioni durante il trasporto possono influire solo sulla quantità di iperpolarizzazione che sopravvive per la misurazione al relaxometer. È stato sviluppato un magnete portatile per il campo di detenzione (10 mT) per trasferire la soluzione iperpolarizzata al magnete di imaging o al relaxometro; tuttavia, il suo utilizzo non è stato utile in questo esperimento dato il breve tempo di trasferimento, ma può essere utile per altri liquidi iperpolarizzati con una maggiore dispersione di T1a campi magnetici inferiori. Un campo di detenzione di 0,01 T aumenterebbe la soluzione T1 della piruvate di quasi il 18% durante il trasporto; tuttavia, con il nostro tempo di trasferimento relativamente breve di 8 s, queste misurazioni suggeriscono che solo un aumento del 2,3% del segnale sarebbe osservato.

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Disclosures

Gli autori non hanno divulgazioni.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
[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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Misurazione della dipendenza da campo magnetico di rilassamento Spin-Lattice di iperpolarizzato [1-<sup>13</sup>C]pyruvate
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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).More

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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