Вимірювання залежності магнітного поля від релаксації спінової решітки гіперполяризованого пірувату 1-13С

Резюме

Ми представляємо протокол для вимірювання залежності магнітного поля від часу релаксації спін-решітки 13-збагачених С-гіперполяризованими сполуками за допомогою динамічної ядерної поляризації, використовуючи релактометрію швидкого польового циклу. Точніше, ми продемонстрували це за допомогою [1- 13 C] пірувату, але протокол може бути поширений на інші гіперполяризовані субстрати.

Анотація

Вступ

Повільне розслаблення спінової решітки має важливе значення для виявлення in vivo за допомогою MRSI. Часи релаксації спінової решітки (T1s) порядку десятків секунд можливі для ядер з низькими гіромагнітними відношеннями в малих молекулах у розчині. Кілька фізичних факторів впливають на передачу енергії між ядерним спіновим переходом та його середовищем (решіткою), що призводить до релаксації, включаючи напруженість магнітного поля, температуру та молекулярну конформацію 27. Диполярна релаксація зводиться до молекул для позицій вуглецю без безпосередньо приєднаних протонів, а дейтерація середовища розчинення може додатково зменшити міжмолекулярну диполярну релаксацію. На жаль, дейтеровані розчинники мають обмежені можливості продовжувати розслаблення in vivo. Підвищена релаксація карбонільних або карбонових кислот (таких як піруват) може відбуватися при великих силах магнітного поля через анізотропію хімічного зсуву. Наявність парамагнітних домішок з шляху рідини під час розчинення після поляризації може спричинити швидке розслаблення, і його слід уникати або усувати за допомогою хелаторів.

Існує дуже мало даних про релаксацію 13 C-вмісних сполук у низьких полях, де релаксація спінової решітки може бути набагато швидшою. Однак важливо виміряти T1 на низьких полях, щоб зрозуміти релаксацію при підготовці агента, що використовується для візуалізації in vivo, оскільки гіперполяризовані контрастні речовини, як правило, доставляються з ближнього або близького пристрою DNP на землю. Інші фізичні фактори, такі як збагачена концентрацією субстрату 13 С, рН розчину, буфери та температура, також впливають на релаксацію і, отже, впливають на рецептуру речовини. Всі ці фактори мають вирішальне значення при визначенні ключових параметрів при оптимізації процесу розчинення DNP та обчисленні величини втрат сигналу, що виникають при транспортуванні зразка від пристрою DNP до магніту зображення.

Вимірювання ядерно-магнітно-резонансної дисперсії (RmND), тобто вимірювання T1, як функція магнітного поля, зазвичай отримують за допомогою ЯМР-спектрометра. Для отримання цих вимірювань може бути використаний метод закриття, коли зразок спочатку транспортується із спектрометра, щоб розслабитися в поле, яке визначається його положенням в полі бахроми магніту 28, 29, 30, а потім швидко переноситься на магніт ЯМР для виміряти його намагніченість, що залишилася. Повторюючи цей процес в тій же точці магнітного поля, але зі збільшенням періодів релаксації можна отримати криву релаксації, яку потім можна проаналізувати для оцінки T1.

Ми використовуємо альтернативну техніку, відому як релактометрія швидкого польового велоспорту 31, 32, 33, щоб отримати наші дані ЯМРР. Ми модифікували комерційний велосипедний релаксаметр (див Таблиця матеріалів), для вимірювання Т1 розчинів, що містять гіперполяризовані ядра 13 C. Порівняно з методом човника, польовий цикл дозволяє цьому релактометру систематично отримувати дані ЯМРД в меншому діапазоні магнітних полів (0,25 мТл до 1 Тл). Це досягається швидкою зміною самого магнітного поля, а не розташування зразка в магнітному полі. Отже, зразок можна намагнічувати при високій напруженості поля, "розслабляти" при меншій напруженості поля, а потім вимірювати, отримуючи індукцію вільного розпаду у фіксованому полі (і частоті Лармора), щоб максимізувати сигнал. Це означає, що температуру зразка можна контролювати під час вимірювання, і ЯМР-зонд не потрібно встановлювати в кожному релаксаційному полі, що сприяє автоматичному збору в усьому діапазоні магнітного поля.

Зосереджуючи наші зусилля на розподілі та транспортних ефектах гіперполяризованих розчинів при низьких магнітних полях, у цій роботі представлена детальна методологія вимірювання часу релаксації спінової решітки гіперполяризованого 13-пірувату за допомогою релактометрії швидкого поля для магнітних полів порядку 0,237 мТл до 0,705 Т. Основні результати використання цієї методології вже були представлені для збагаченого [1- 13 C] пірувату 34 та 13 C бікарбонату натрію та цезію 35, де також вивчені інші фактори, такі як концентрація радикалів та рН розчинення.

Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.

Протокол

1. Підготовка зразка

ПРИМІТКА. Етапи 1.1-1.8 виконуються лише один раз

ПРИМІТКА Будь ласка, зверніться до таблиця 1 для кращого розуміння вибору та використання різних параметрів, описаних у наступних кроках. Перед розчиненням слід розрахувати кут нахилу релаксометра, а релактометр слід встановити і бути готовим до вимірювання гіперполяризованого розчину (див. Нижче).

Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.

Репрезентативні результати

Малюнок 2 показаний приклад мікрохвильового сканування високої роздільної здатності на наявність піровиноградної кислоти. Для представленого випадку ця оптимальна мікрохвильова частота відповідає 94,128 ГГц, підкреслено у вкладеному малюнку. Наша система DNP може нормально працювати в діапазоні від 93,750 ГГц до 94,241 ГГц з розміром кроку 1 МГц, часом поляризації до 600 с і потужністю до 100 мВт. Повний діапазон частот вивчається лише для нових підкладок. Однак, виходячи з попереднього досвіду роботи з 13 С-піровиноградною кислотою, ми очікували б, що оптимальна частота буде близько 94,127 ГГц. Тому зазвичай використовують діапазон аналізу від 94,117 ГГц до 94,137 ГГц з розміром кроку 1 МГц і часом дискретизації 300 с при потужності 50 мВт.

Ліва колонка на фіг.3 представлені результати калібрування пікового кута для піровиноградної кислоти [1- 13 С], яке передбачає отримання серії вимірювань сигналу як функції змінної частоти імпульсу РЧ лінійно для визначення ширини імпульсу, що відповідає куту фліпу 90 і 180 градусів для ядер 13 С. Ширина імпульсу, що забезпечує максимальну амплітуду, відповідає куту нахилу 90 градусів, а прохід на нульовому рівні відповідає куту нахилу 180 градусів. Зв'язок між двома ширинами імпульсів повинен бути коефіцієнтом два.

Показані вище параметри отримання калібрування пікового кута 13 С можуть вимагати певного регулювання залежно від потужності передачі регулятора польового циклу, зразка Т1 та характерних шумів системи. Також можуть знадобитися деякі спроби та помилки, щоб правильно знайти 90 і 180 градусів без ефектів стимульованого відлуння, насиченості підсилювача та поганого SNR.

Ця процедура, хоч і точна, як правило, трудомістка, оскільки поганий SNR термічно поляризованих сполук 13 C вимагає значного усереднення. Альтернативним і швидшим методом є калібрування кута нахилу за допомогою фантома, допірованного гадолінієм, і масштабування тривалості радіочастотного імпульсу від 90 градусів до 13 ° С шляхом множення тривалості радіочастотного імпульсу 90 o - 1 год проти відношення гіромагнітних співвідношень 1 H/13 C, що відповідає коефіцієнту 3,976. У цьому випадку стандартними параметрами отримання повинні бути: EXP - ANGLE. FFC, NUC 1 H, TPOL 0,1 с, BPOL 30 МГц, SWT 0,005, BINI 0 с, BEND 15,5 євро, NBLK 32, MS 1, RFA - 25, RD, 0,1 с, BS 652, SW - 1 МГц, FLTR - 100 кГц, SF 8, RINH - 25, ACQD - 25, EWIP 10, EWEP 512, EWIB та EWEB № 32. Результати цього альтернативного методу відображаються у правій колонці на малюнку 3. Для порівняння, у представлених випадках загальний час збору для калібрування пікового кута для 13 С становив 13,5 хвилин, тоді як для 1 год - 7,1 секунди.

Малюнок 5 ілюструє типовий ряд розпадаючихся FID, коли проводиться вибірка гіперполяризованого намагнічування. Кожне вимірювання T1 при даному BRLX є окремим гіперполяризованим розчиненням від апарату DNP. У цьому конкретному випадку поле релаксації (BRelax) становило 0,2916 мТл, з часом повторення 3,4 с і кутом повороту 5 градусів. Усі температури зразків контролювали до 37oC (0,5oC).

Малюнок 6 представлена крива релаксації гіперполяризованих піруватів [1- 13 С], отримана за даними попередньої фігури. Кожна синя точка на кривій представляє область під FID. Значення T1 (53,9 '0,6 с) було отримано нелінійним припасуванням мінусових квадратів рівняння сигналу до даних кривої розкладання, яке включало ефекти кута нахилу, використовуваного для збудження. Добрість придатності оцінювали шляхом обчислення значення R 2 (0,9995), навіть припускаючи зважування точок даних. Залишки коригування (коригування даних) представлені у вигляді відкритих трикутників.

Малюнок 7 показує результати T1 для 26 вимірювань в діапазоні 0,237 мТл і 0,705 Т при 37 oC (0,5 oC). T1 мав середню похибку коригування 0,33 с для всіх результатів. Аналіз дисперсії повторюваних вимірювань на конкретному полі релаксації призвів до експериментальної відтворюваності, яка в кілька разів перевищує статистичну невизначеність, згадану вище, з Т1 1,91 с. Невизначеність 2,24 с була консервативно призначена для всіх вимірювань T1, розрахованих як сума двох згаданих вище невизначеностей. Дані дисперсії De1 добре характеризуються емпіричною формулою T1 - (3,74 '0,52) x log10 (BRelax)' (63,0 '1,2) с; де BRelax - поле релаксації, виміряне в Теслі. Невизначеності для встановлених параметрів представляють одне стандартне відхилення. Суцільна лінія на малюнку 7 представляє формулу плюс пунктирні лінії, що представляють 95% смуги довіри. Значення рН для цих зразків коливались від 7,63 до 7,93, із середнім значенням рН 7,75 та стандартним відхиленням 0,09. Аналіз результатів показав, що час релаксації ядра С-1 становить 46,9 с при магнітному полі Землі (0,05 мТл) проти 65 с при 3 Т, що означає зменшення на 28%.

Фігура 1 : [1- 13 С] молекула піровиноградної кислоти. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 2 : Розділ мікрохвильового сканування та масштабування, що відображає оптимальну частоту поляризації. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 3: Точкове калібрування кута для 13 зразків C (ліворуч) та 1 H (праворуч). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 4: Послідовність імпульсних циклів на поле (HPUB/S) для вимірювання часу релаксації T1 гіперполяризованого зразка на конкретному полі релаксації (BRLX). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 5 : Послідовність FID, отримана з імпульсною послідовністю HPUB/S. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 6 : Сигнал релаксації (сині точки), підгонка кривої (червона лінія) та помилка регулювання (відкриті трикутники), отримані з послідовності FID, представлених у Малюнок 5. Ця цифра була змінена з дозволу Chattergoon et al. 2013 34. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Малюнок 7 : Профіль ЯМРР гіперполяризованої [1- 13 С] піровиноградної кислоти при низьких магнітних полях. Ця цифра була змінена з дозволу Chattergoon et al. 2013 34. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.

Таблиця 1: Опис параметрів, що використовуються випрямлячем на полі.

Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.

Обговорення

Як зазначалося вище, рівень поляризації твердого тіла для кожного зразка становив щонайменше 95%, що було досягнуто приблизно за одну годину. Поляризацію рідкого стану не оцінювали для кожного зразка; однак періодичне забезпечення якості системи DNP, використовуючи ту саму підготовку зразків, призводило до рівня зміщення рівня рідини приблизно 15%.

Під час підготовки зразків забруднення іонами металу може відбуватися через контакт між середовищем, що розчиняється, та шляхом розчинення рідини DNP. Ця можливість вимагала додавання динатрію етилендіамітратраоцтової кислоти (ЕДТА) для секвестрації будь-якого забруднення іонами металів та збереження релаксації спін-грат.

Іншою важливою відмінністю між двома методами є діапазон магнітних полів, який становить від 2 мТл до 18,8 Т для методу закриття та 0,237 мТл до 0,705 Т для велосипедного релактометра в полі. У зв'язку з цим ми можемо розглядати ці два методи як доповнюють один одного. Однак для досліджень in vivo з використанням гіперполяризованих сполук частіше зустрічаються магнітні поля до 3 Тл.

При напруженості поля менше 1 мТл спостерігалось, що розсіяні магнітні поля від оточуючих предметів систематично впливають на наші вимірювання релаксації. Щоб усунути ці поля, ми розробили та додали спеціальну магнітну лінію навколо польового велосипедного магніту. Для порівняння, метод закриття використовує циліндричний металевий щит, який створює раптову зміну магнітного поля приблизно від 2 мТл до 0,2 мТл.

Контроль температури зразка був важливим через відносно тривалий час збору, який вимагав 300-510 с для отримання повної кривої розкладання. Ми розігрівали ЯМР-пробірки перед дозуванням гіперполяризованого розчину, потім підтримували температуру зразка, продуваючи нагріте та регульоване температурою повітря (37 ° С) над пробірками під час релактометрії. Це є важливою перевагою польового релаксатора над методом закриття, оскільки температуру зразка можна точно контролювати, оскільки зразок нерухомий під час вимірювань.

Крім того, було недоцільно контролювати вплив зразка на кімнатну температуру та на магнітне поле протягом короткого часу передачі між поляризатором та релактометром. T1 зразків вимірювали при відомих магнітних полях і при температурі, регульованій релактометром, тому транспорт мав обмежений вплив. Умови транспортування можуть впливати лише на величину гіперполяризації, яка зберігається при вимірюванні релактометром. Розроблений портативний магніт для пов'язуючого поля (10 мТл) для передачі гіперполяризованого розчину на візуалізаційний магніт або релактометр; однак його використання не було корисним у цьому експерименті, враховуючи короткий час перенесення, але може бути корисним для інших гіперполяризованих рідин з більшою дисперсією Т1 при менших магнітних полях. Поле утримання 0,01 Т збільшило б Т1 розчину пірувату майже на 18% під час транспортування; однак, за нашого відносно короткого 8-секундного часу передачі, ці вимірювання дозволяють припустити, що спостерігатиметься лише збільшення на 2,3% сигналу.

Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.