Prestazioni e riproducibilità dell'iperpolarizzazione 13C e 15N utilizzando un criogeno

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11694 (2022) Citare questo articolo

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Vengono descritte la configurazione, le procedure operative e le prestazioni di un dispositivo privo di criogeno per la produzione di agenti di contrasto iperpolarizzati utilizzando la polarizzazione nucleare dinamica di dissoluzione (dDNP) in un centro di imaging preclinico. La polarizzazione è stata ottimizzata utilizzando il segnale NMR a stato solido potenziato da DNP per calibrare la posizione del campione, la frequenza delle microonde e NMR, la potenza e l'angolo di ribaltamento. La polarizzazione di una formulazione standard per produrre ~ 4 mL, 60 mM di acido 1-13C-piruvico in una soluzione acquosa è stata quantificata in cinque esperimenti a P(13C) = (38 ± 6) % (19 ± 1) s dopo la dissoluzione. La costante di tempo monoesponenziale della formazione della polarizzazione allo stato solido è stata quantificata in (1032 ± 22) s. Abbiamo raggiunto un ciclo di lavoro di 1,5 ore che include il caricamento del campione, il monitoraggio dell'accumulo di polarizzazione, la dissoluzione e la preparazione per la corsa successiva. Dopo l'iniezione dell'agente di contrasto in vivo, sono stati osservati piruvato, piruvato idrato, lattato e alanina, misurando le mappe dei metaboliti. Sulla base di questa sequenza di lavoro, è stata ottenuta l'urea 15N iperpolarizzata (P(15N) = (5,6 ± 0,8) % (30 ± 3) s dopo la dissoluzione).

La risonanza magnetica (MRI) ha rivoluzionato la diagnostica moderna fornendo immagini anatomiche e funzionali ad alta risoluzione in 3D senza radiazioni ionizzanti1,2. Molti dei processi biochimici in vivo, tuttavia, richiedono ancora i nostri migliori sforzi, e l’accesso a questi rimane l’obiettivo primario di molte ricerche.

In questo caso, gli agenti di contrasto iperpolarizzati sono molto promettenti poiché forniscono una finestra unica sul metabolismo, in modo non invasivo e in vivo. Potenziando il segnale di molecole selezionate, spesso endogene, è possibile seguirne il destino, per un tempo limitato, con un'elevata risoluzione spaziale e chimica. Queste proprietà hanno consentito l’identificazione del tessuto canceroso prima che il tumore fosse evidente e hanno contribuito a monitorare la risposta al trattamento.

Dissolution dynamic nuclear polarization (dDNP) 10,000 times in liquid-state NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 10158–10163 (2003)." href="/articles/s41598-022-15380-7#ref-CR3" id="ref-link-section-d50401522e516"> 3 è la tecnica più consolidata per l'iperpolarizzazione delle biomolecole (HP) per l'imaging in vivo e condivide l'applicabilità agli esseri umani4,5 solo con lo xeno iperpolarizzato6. Altre tecniche HP includono la forza bruta7, la polarizzazione indotta dal paraidrogeno8, la polarizzazione nucleare dinamica indotta chimicamente9 e, per i gas nobili, il pompaggio ottico a scambio di spin10,11.

Il dDNP ha permesso di polarizzare le biomolecole oltre il 50% in circa 1 h12,13. La polarizzazione nucleare del bersaglio si ottiene polarizzando prima lo spin elettronico, utilizzando basse temperature (≈ 1,4 K) e campi magnetici elevati (≈ 6,7 T). Successivamente, la polarizzazione elettronica viene trasferita alla polarizzazione nucleare sfruttando le interazioni tra lo spin elettronico e quello nucleare sotto l'azione di onde elettromagnetiche, trasmesse ad una frequenza corrispondente alla differenza di frequenza di Larmor dei due spin elettronici coinvolti14. Gli spin degli elettroni spaiati vengono aggiunti sotto forma di radicali stabili: TEMPO15, TEMPOL, o radicali tritilici16,17 o indotti dalla radiazione UV18. Inoltre, esistono altri tipi di formulazioni di campioni, ad esempio HYPOP19.

Quando viene raggiunto il livello desiderato di polarizzazione dello spin nucleare, il campione congelato viene rapidamente sciolto, disciolto ed espulso dal polarizzatore mediante acqua surriscaldata pressurizzata, in modo tale da ottenere un agente di contrasto iniettabile.

Overall, dDNP is a complex process combining nuclear magnetic resonance (NMR) electron spin resonance (ESR), radical chemistry, high magnetic fields, fast dissolution, and cryogenictemperatures. Making this process available for biomedical research routinely is not straight forward. Over the last decades, several experimental implementations of dDNP were presented such as a cryogen-consumption-free DNP 9.4 T polarizer20, a 129-GHz dynamic nuclear polarizer in an ultra-wide bore superconducting magnet21, a Dynamic Nuclear Polarization Polarizer for sterile Use Intent22 and a multisample 7 T dynamic nuclear polarization polarizer for preclinical hyperpolarized MR23. Moreover, a number of dDNP polarizer were commercialized: HyperSense by Oxford Instruments 10,000 times in liquid-state NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 10158–10163 (2003)." href="/articles/s41598-022-15380-7#ref-CR3" id="ref-link-section-d50401522e608"3, SpinLab by GE and SpinAligner by Polarize24./p>

10,000 times in liquid-state NMR. Proc. Natl. Acad. Sci. 100, 10158–10163 (2003)./p>