Измерване на зависимостта на магнитното поле от релаксация със спин решетка на хиперполяризиран 1-13С пируват
Обобщение
Представяме протокол за измерване на зависимостта на магнитното поле на времето за релаксация на спин-решетката на 13-обогатени, хиперполяризирани съединения посредством динамична ядрена поляризация, използвайки бърза релактометрия на полевия цикъл. По-точно, демонстрирахме го с [1- 13 С] пируват, но протоколът може да бъде разширен и към други хиперполяризирани субстрати.
Резюме
Въведение
Бавната релаксация със спин-решетка е от съществено значение за откриване in vivo с MRSI. Времената за релаксация на спин-решетката (T1s) от порядъка на десетки секунди са възможни за ядра с ниски гиромагнитни съотношения в малки молекули в разтвор. Няколко физически фактора влияят върху енергийния трансфер между прехода на ядрен спин и неговата среда (решетка), водещи до релаксация, включително сила на магнитното поле, температура и молекулна конформация 27. Диполярната релаксация се свежда до молекули за въглеродни позиции без директно прикрепени протони, а деутерацията на разтварящата среда може допълнително да намали междумолекулната диполярна релаксация. За съжаление деутерираните разтворители имат ограничени способности да удължават релаксацията in vivo. Повишена релаксация на карбонили или карбоксилни киселини (като пируват) може да възникне при високи сили на магнитното поле поради анизотропия на химичното изместване. Наличието на парамагнитни примеси от пътя на течността по време на разтваряне след поляризация може да причини бързо отпускане и трябва да се избягва или елиминира с помощта на хелатори.
Има много малко данни за релаксацията на 13 C-съдържащи съединения в ниски полета, където релаксацията на спиновата решетка може да бъде много по-бърза. Важно е обаче да се измери T1 при ниски полета, за да се разбере релаксацията при подготовката на агента, използван за in vivo изображения, тъй като хиперполяризираните контрастни вещества обикновено се доставят от близкото или близкото DNP устройство към земното поле. Други физични фактори като обогатена с 13 С концентрация на субстрата, рН на разтвора, буфери и температура също оказват влияние върху релаксацията и следователно влияят върху формулирането на агента. Всички тези фактори са от решаващо значение за определяне на ключови параметри при оптимизиране на процеса на разтваряне на DNP и изчисляване на величината на загубата на сигнал, която възниква при транспортирането на пробата от DNP устройството до образа на магнита.
Измерванията на ядрено-магнитен резонанс (RmND), т.е. измерванията на Т1, като функция на магнитното поле, обикновено се получават с помощта на ЯМР спектрометър. За да се получат тези измервания, може да се използва метод на затваряне, при който пробата първо се транспортира извън спектрометъра, за да се отпусне до поле, определено от нейното положение в полето на ресни на магнит 28, 29, 30 и след това бързо се прехвърля към ЯМР магнита, за да измерете оставащото му намагнитване. Чрез повтаряне на този процес в същата точка на магнитното поле, но с нарастващи периоди на релаксация може да се получи крива на релаксация, която след това да се анализира, за да се изчисли T1.
Използваме алтернативна техника, известна като релаксиметрия за бързо колоездене 31, 32, 33, за да получим нашите NMRD данни. Модифицирахме търговски релактометър за терен за велосипеди (вж Таблица на материалите), за T1 измервания на разтвори, съдържащи 13 С. хиперполяризирани ядра. В сравнение с метода на совалката, полевият цикъл позволява на този релактометър систематично да получава данни за NMRD в по-малък диапазон от магнитни полета (0,25 mT до 1 T). Това се постига чрез бърза промяна на самото магнитно поле, а не на местоположението на пробата в магнитното поле. Следователно пробата може да се намагнетизира при висока напрегнатост на полето, да се „отпусне“ при по-ниска напрегнатост на полето и след това да се измери чрез придобиване на индукция на свободно разпадане при фиксирано поле (и честота на Лармор), за да се максимизира сигналът. Това означава, че температурата на пробата може да се контролира по време на измерването и NMR сондата не трябва да се настройва при всяко релаксационно поле, благоприятстващо автоматичното улавяне в целия диапазон на магнитното поле.
Фокусирайки усилията си върху разпространението и транспортирането на ефектите на хиперполяризирани разтвори при ниски магнитни полета, тази работа представя подробна методология за измерване на времето на релаксация на спин-решетката на хиперполяризиран 13 С-пируват, използвайки релаксиметрия на бързо поле за магнитни полета от порядъка на 0,237 mT до 0,705 Т. Основните резултати от използването на тази методология вече са представени за обогатен с [1- 13 С] пируват 34 и 13 С натриев и цезиев бикарбонат 35, където са проучени и други фактори като концентрация на радикали и рН на разтваряне.
Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.
Протокол
1. Подготовка на пробата
ЗАБЕЛЕЖКА: Стъпки 1.1-1.8 се изпълняват само веднъж
ЗАБЕЛЕЖКА: Моля, консултирайте се с маса 1 за по-добро разбиране на избора и използването на различните параметри, описани в следващите стъпки. Преди разтваряне трябва да се изчисли ъгълът на обръщане на релактометъра и релактометърът да бъде настроен и готов за измерване на хиперполяризирания разтвор (виж по-долу).
Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.
Представителни резултати
Фигура 2 показва пример за микровълново сканиране с висока разделителна способност за пировиноградна киселина. За представения случай тази оптимална микровълнова честота съответства на 94,128 GHz, подчертана във фигурата. Нашата DNP система може нормално да работи в диапазона от 93.750 GHz до 94.241 GHz с размер на стъпката от 1 MHz, време на поляризация до 600 s и мощност до 100 mW. Пълен диапазон от честоти се изучава само за нови субстрати. Въпреки това, въз основа на предишния опит с 13 С-пировиноградна киселина, бихме очаквали оптималната честота да бъде около 94.127 GHz. Следователно обикновено се използват обхват на анализ между 94,117 GHz до 94,137 GHz, с размер на стъпка от 1 MHz и време за вземане на проби от 300 s с мощност 50 mW.
Лявата колона на фигура 3 представя резултатите от калибрирането на пиковия ъгъл за пировиноградна киселина [1- 13 C], което включва получаване на поредица от измервания на сигнала като функция от променлива широчина на RF импулса линейно за определяне на широчината на импулса, съответстваща на ъгъла на обръщане от 90 и 180 градуса за ядра от 13 С. Ширината на импулса, която осигурява максимална амплитуда, съответства на ъгъл на наклон от 90 градуса, а преминаването при нулево ниво съответства на ъгъл на наклон от 180 градуса. Връзката между двете импулсни ширини трябва да бъде коефициент два.