과분극[1-13C] 피루바테의 스핀 격자 이완 자기장 의존도 측정
Summary
우리는 빠른 필드 사이클 이완을 사용하여 동적 핵 편광에 의해 과분극 13C 농축 화합물의 스핀 격자 이완 시간의 자기장 의존성을 측정하는 프로토콜을 제시한다. 구체적으로, 우리는[1-13C] pyruvate로 이것을 입증했습니다, 그러나 프로토콜은 그밖 과극화한 기판으로 확장될 수 있었습니다.
Abstract
과분극 13C 농축 화합물의 생체 내 이미징 응용 프로그램에 대한 기본 제한은 유한 스핀 격자 이완 시간입니다. 버퍼 조성, 용액 pH, 온도 및 자기장과 같은 다양한 요인이 이완 속도에 영향을 미칩니다. 이 마지막 점에서, 스핀 격자 이완 시간은 임상 필드 강도에서 측정 될 수있다, 하지만 낮은 필드에서, 이러한 화합물은 편광판에서 분배하고 MRI로 이송, 이완은 더 빠르고 측정하기 어렵다. 수송 도중 손실된 자화의 양을 더 잘 이해하기 위하여는, 우리는 ~ 0.75 T에서 13C 핵의 자기 공명 검출과 함께 빠른 필드 사이클링 이완을 사용했습니다, 핵 자기 공명 분산을 측정하기 위하여, 과분극 [1-13C]피루바테의 스핀 격자 이완 시간. 용해 동적 핵 편광은 80 mmol/L 및 생리적 pH(~7.8)의 농도에서 피루브의 극극화된 샘플을 생성하는 데 사용되었다. 이러한 솔루션은 빠른 필드 사이클링 완화계로 빠르게 전달되어 시료 자화의 이완을 보정된 작은 플립 각도(3°-5°)를 사용하여 시간 함수로 측정할 수 있습니다. 피루바테의 C-1 분산을 매핑하기 위해 0.237 mT와 0.705 T 사이의 다양한 완화 필드에 대한 데이터를 기록했습니다. 이 정보를 통해 언급된 자기장 범위 내에서 극극화된 기판의 스핀 격자 이완을 추정하는 경험적 방정식을 결정했습니다. 이러한 결과는 운송 중에 손실되는 자화량을 예측하고 신호 손실을 최소화하기 위한 실험 설계를 개선하는 데 사용할 수 있습니다.
Introduction
자기 공명 분광 화상 진찰 (MRSI)는 분광 화상 진찰에 의해 검출된 대사 산물의 공간 지도를 생성할 수 있습니다, 그러나 그것의 실제적인 사용은 수시로 그것의 상대적으로 낮은 감도에 의해 제한됩니다. 생체 내 자기 공명 영상 및 분광법의 이 낮은 감도는 체온과 합리적인 자기장 강도에서 달성 할 수있는 핵 자화의 작은 정도에서 비롯됩니다. 그러나 이러한 한계는 동적 핵 분극(DNP)을 사용하여 액체 기판의 체외 자화를 크게 향상시키고, 이후에 MRSI1,2를 사용하여 생체 내 대사를 프로브하기 위해 주입되는 것을 크게 향상시킴으로써 극복될 수 있다. , 3개 , 4. DNP는 제로 핵 스핀으로 대부분의 핵의 자화를 향상시킬 수 있으며 피루베트5,6,중탄산염과 같은 13 C 농축 화합물의 생체 MRSI 감도를 높이는 데 사용되었습니다. 7,8, 화분9,락테이트10,글루타민11,그리고 그 외 는 진도12의4 개 이상의 순서로 . 그것의 응용프로그램은 혈관 질병13,14,15,기관 관류13,16,17,18,암의 화상 진찰을 포함합니다 검출1,19,20,21,22,종양 준비23,24,및 치료 반응의 정량화2 , 6개 , 23세 , 24세 , 25개 , 26.
느린 스핀 격자 이완은 MRSI를 통해 생체 내 검출에 필수적입니다. 수십 초의 순서로 스핀 격자 이완 시간(T1s)은 용액의 작은 분자 내에서 낮은 자이로 자기 비율을 가진 핵에 대해 가능합니다. 몇몇 물리적 요인은 핵 스핀 전이와 그 환경(격자) 사이의 에너지 전달에 영향을 미치며, 자기장 강도, 온도 및 분자형태(27)를포함하는 이완으로 이어진다. 양성자가 직접 부착되지 않은 탄소 위치에 대한 분자에서 이극이 감소되고 용해 매체의 증정은 분자 간 이극성 이완을 더욱 감소시킬 수 있습니다. 불행하게도, deuterated 용매는 생체 내에서 이완을 확장하는 제한된 능력을 가지고 있습니다. 탄산염 또는 카르복실산(예: 피루브산)의 이완증가는 화학적 시프트 이방성으로 인해 높은 자기장 강도에서 발생할 수 있습니다. 편광 후 용해 시 유체 경로에서 파라마그네틱 불순물이 존재하면 급격한 이완이 발생할 수 있으며 킬레이터를 사용하여 피하거나 제거해야 합니다.
스핀 격자 이완이 상당히 빠를 수 있는 낮은 필드에서 13C함유 화합물의 이완을 위한 데이터는 거의 존재하지 않습니다. 그러나, 과분극 조영제는 일반적으로 가까운 또는 지구의 DNP 장치에서 분배되기 때문에, 생체 내 이미징에 사용되는 에이전트의 준비 중에 이완을 이해하기 위해 낮은 필드에서 T1을 측정하는 것이 중요합니다 필드. 13C 농축 기판 농도, 용액 pH, 완충제 및 온도와 같은 추가물리적 인자도 이완에 영향을 미치며, 결과적으로 제제의 제형에 영향을 미친다. 이러한 모든 요소는 DNP 용해 공정을 최적화하는 데 핵심 파라미터의 측정과 DNP 장치에서 이미징 자석으로 샘플을 수송할 때 발생하는 신호 손실의 크기를 계산하는 데 필수적입니다.
핵 자기 공명 분산 (NMRD) 측정, 즉, T 1 측정, 자기장의 함수는 일반적으로 NMR 분광계를 사용하여 획득된다. 이러한 측정값을 획득하기 위해,시료가 먼저 분광계에서 셔틀링되는 곳에서 자석28,29,30의 프린지 필드에서의 위치에 의해 결정된 일부 필드에서 이완되는 경우 shuttling 방법을 사용할 수 있습니다. NMR 자석으로 빠르게 다시 이송하여 남은 자화를 측정합니다. 자기장의 동일한 지점에서이 과정을 반복하지만 이완 기간이 증가하면 이완 곡선을 얻을 수 있으며, 이를 분석하여 T1을추정할 수 있습니다.
우리는 우리의 NMRD 데이터를 취득하기 위하여 빠른 필드 사이클링이완31,32,33로 알려져 있는 대체 기술을 이용합니다. 우리는 과극화 된 13C 핵을 포함하는 용액의 T1 측정에 대한 상업용 필드 사이클링 완화계 (재료 표참조)를 수정했습니다. 셔틀 방식과 비교하여 필드 사이클링을 통해 이 이완계는 더 작은 자기장 범위(0.25mT ~ 1T)에 걸쳐 NMRD 데이터를 체계적으로 수집할 수 있습니다. 이는 자기장의 샘플 위치가 아니라 자기장 자체를 빠르게 변화시킴으로써 달성됩니다. 따라서, 시료는 높은 전계 강도에서 자화될 수 있고, 낮은 전계 강도에서 “이완”되고, 그 후 고정된 필드(및 Larmor 주파수)에서 자유 유도-감쇠를 획득하여 측정하여 신호를 최대화할 수 있다. 즉, 측정 중에 시료 온도를 제어할 수 있으며, NMR 프로브는 전체 자기장 범위에 걸쳐 자동 수집을 촉진하는 각 이완 장에서 조정할 필요가 없습니다.
낮은 자기장에서 극극화된 용액을 분배하고 운반하는 효과에 초점을 맞추고, 이 작품은 빠른 속도로 극극화된 13C-pyruvate의 스핀 격자 이완 시간을 측정하는 상세한 방법론을 제시합니다. 0.237 mT ~ 0.705 T의 범위에서 자기장에 대한 필드 사이클링 완화. 이 방법론을 사용하는 주요 결과는 이전에[1-13C]pyruvate34 및 13C 농축 나트륨 및 세슘 중탄산염35에 대해 제시되었으며, 여기서 급진적 인 농도 및 용해 pH와 같은 다른 요인이 있습니다. 또한 공부 했다.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNP를 사용하여 신호 수집을 향상시키는 것은 동물 주사에 사용되는 것과 같이 제한된 농도에서 13C 핵에서 사용할 수있는 불충분한 자기 공명 신호에 대한 기술적 인 해결책이지만 다른 실험 적 과제를 제시합니다. 도 7에 나타낸 각 이완 측정은 재측정을 위해 용해 후 재편분화될 수 없기 때문에 고유하게 준비된 샘플의 측정을 나타낸다. 이것은 필연적으로 샘플의 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 암 연구를 위한 온타리오 연구소, 화상 진찰 번역 프로그램 및 이 연구 자금을 위한 캐나다의 자연 과학 및 공학 연구 위원회를 감사하고 싶습니다. 우리는 또한 알버트 첸, GE 헬스케어, 토론토, 캐나다, 지아니 페란테, Stelar s.r.l., 이탈리아, 윌리엄 맨더, 옥스포드 인스트루먼트, 영국과 유용한 토론을 인정하고 싶습니다.
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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