Name: measuring the spin-lattice relaxation magnetic field dependence of hyperpolarized [1-13c]pyruvate
Uploaded: 2019-09-13T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate at JoVE.com

Os autores gostariam de agradecer ao Instituto de pesquisa de câncer de Ontário, programa de tradução de imagem e o Conselho de pesquisa de ciências naturais e engenharia do Canadá para financiar esta pesquisa. Nós também gostamos de reconhecer discussões úteis com Albert Chen, GE Healthcare, Toronto, Canadá, Gianni Ferrante, stelar s.r.l., Itália, e William Mander, Oxford Instruments, Reino Unido.

1. preparação da amostra
Nota: as etapas 1.1-1.8 são executadas apenas uma vez
<ol><li>Prepare 1 ml de solução de ácido pirúvico enriquecido com 13C, amplamente utilizado para a pesquisa in vivo 1,2,5,6, consistindo de 15-mmol/L de radical triarylmethyl dissolvido em [1- 13 anos de C] ácido pirruvico (ver tabela de mat...

<ol>
	<li>Golman, K., Zandt, R. I., Lerche, M., Pehrson, R., Ardenkjaer-Larsen, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metabolic+imaging+by+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+imaging+for+in+vivo+tumor+diagnosis.">Metabolic imaging by hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging for in vivo tumor diagnosis.</a> Cancer Research. 66 (22), 10855-10860 (2006).</li><li>Witney, T. H., Brindle, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+tumour+cell+metabolism+using+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+spectroscopy.">Imaging tumour cell metabolism using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy.</a> Biochemical Society Transactions. 38 (5), 1220-1224 (2010).</li><li>Kurhanewicz, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+cancer+metabolism+by+imaging+hyperpolarized+nuclei:+prospects+for+translation+to+clinical+research.">Analysis of cancer metabolism by imaging hyperpolarized nuclei: prospects for translation to clinical research.</a> Neoplasia. 13 (2), 81-97 (2011).</li><li>Golman, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+metabolism+measured+noninvasively+by+hyperpolarized+13C+MRI.">Cardiac metabolism measured noninvasively by hyperpolarized 13C MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 59 (5), 1005-1013 (2008).</li><li>Golman, K., in 't Zandt, R., Thaning, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+metabolic+imaging.">Real-time metabolic imaging.</a> Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 103 (30), 11270-11275 (2006).</li><li>Day, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+response+of+rat+C6+glioma+tumors+to+radiotherapy+using+hyperpolarized+[1-+13C]pyruvate+and+13C+magnetic+resonance+spectroscopic+imaging.">Detecting response of rat C6 glioma tumors to radiotherapy using hyperpolarized [1- 13C]pyruvate and 13C magnetic resonance spectroscopic imaging.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 65 (2), 557-563 (2011).</li><li>Gallagher, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+pH+in+vivo+using+hyperpolarized+13C-labelled+bicarbonate.">Magnetic resonance imaging of pH in vivo using hyperpolarized 13C-labelled bicarbonate.</a> Nature. 453 (7197), 940-943 (2008).</li><li>Wilson, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-compound+polarization+by+DNP+allows+simultaneous+assessment+of+multiple+enzymatic+activities+in+vivo.">Multi-compound polarization by DNP allows simultaneous assessment of multiple enzymatic activities in vivo.</a> Journal of Magnetic Resonance. 205 (1), 141-147 (2010).</li><li>Gallagher, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+hyperpolarized+[1,4-13C2]malate+from+[1,4-13C2]fumarate+is+a+marker+of+cell+necrosis+and+treatment+response+in+tumors.">Production of hyperpolarized [1,4-13C2]malate from [1,4-13C2]fumarate is a marker of cell necrosis and treatment response in tumors.</a> Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 106 (47), 19801-19806 (2009).</li><li>Chen, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Feasibility+of+using+hyperpolarized+[1-13C]lactate+as+a+substrate+for+in+vivo+metabolic+13C+MRSI+studies.">Feasibility of using hyperpolarized [1-13C]lactate as a substrate for in vivo metabolic 13C MRSI studies.</a> Magnetic Resonance Imaging. 26 (6), 721-726 (2008).</li><li>Gallagher, F. A., Kettunen, M. I., Day, S. E., Lerche, M., Brindle, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=13C+MR+spectroscopy+measurements+of+glutaminase+activity+in+human+hepatocellular+carcinoma+cells+using+hyperpolarized+13C-labeled+glutamine.">13C MR spectroscopy measurements of glutaminase activity in human hepatocellular carcinoma cells using hyperpolarized 13C-labeled glutamine.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 60 (2), 253-257 (2008).</li><li>Ardenkjaer-Larsen, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increase+in+signal-to-noise+ratio+of+&gt;+10,000+times+in+liquid-state+NMR.">Increase in signal-to-noise ratio of &gt; 10,000 times in liquid-state NMR.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10158-10163 (2003).</li><li>Ishii, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+MRI+of+the+pulmonary+vasculature+and+parenchyma.">Hyperpolarized 13C MRI of the pulmonary vasculature and parenchyma.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 57 (3), 459-463 (2007).</li><li>Lau, A. Z., Chen, A. P., Cunningham, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+Bloch-Siegert+B(1)+mapping+and+multislice+imaging+of+hyperpolarized+(1)(3)C+pyruvate+and+bicarbonate+in+the+heart.">Integrated Bloch-Siegert B(1) mapping and multislice imaging of hyperpolarized (1)(3)C pyruvate and bicarbonate in the heart.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 67 (1), 62-71 (2012).</li><li>Lau, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+multislice+imaging+of+hyperpolarized+13C+pyruvate+and+bicarbonate+in+the+heart.">Rapid multislice imaging of hyperpolarized 13C pyruvate and bicarbonate in the heart.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 64 (5), 1323-1331 (2010).</li><li>Golman, K., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Petersson, J. S., Mansson, S., Leunbach, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+imaging+with+endogenous+substances.">Molecular imaging with endogenous substances.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (18), 10435-10439 (2003).</li><li>Johansson, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cerebral+perfusion+assessment+by+bolus+tracking+using+hyperpolarized+13C.">Cerebral perfusion assessment by bolus tracking using hyperpolarized 13C.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 51 (3), 464-472 (2004).</li><li>Johansson, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perfusion+assessment+with+bolus+differentiation:+a+technique+applicable+to+hyperpolarized+tracers.">Perfusion assessment with bolus differentiation: a technique applicable to hyperpolarized tracers.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1043-1051 (2004).</li><li>Albers, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+13C+lactate,+pyruvate,+and+alanine:+noninvasive+biomarkers+for+prostate+cancer+detection+and+grading.">Hyperpolarized 13C lactate, pyruvate, and alanine: noninvasive biomarkers for prostate cancer detection and grading.</a> Cancer Research. 68 (20), 8607-8615 (2008).</li><li>Chen, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperpolarized+C-13+spectroscopic+imaging+of+the+TRAMP+mouse+at+3T-initial+experience.">Hyperpolarized C-13 spectroscopic imaging of the TRAMP mouse at 3T-initial experience.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 58 (6), 1099-1106 (2007).</li><li>Lupo, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+hyperpolarized+dynamic+13C+lactate+imaging+in+a+transgenic+mouse+model+of+prostate+cancer.">Analysis of hyperpolarized dynamic 13C lactate imaging in a transgenic mouse model of prostate cancer.</a> Magnetic Resonance Imaging. 28 (2), 153-162 (2010).</li><li>von Morze, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+of+blood+flow+using+hyperpolarized+[(13)C]urea+in+preclinical+cancer+models.">Imaging of blood flow using hyperpolarized [(13)C]urea in preclinical cancer models.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (3), 692-697 (2011).</li><li>Brindle, K. M., Bohndiek, S. E., Gallagher, F. A., Kettunen, M. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tumor+imaging+using+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+spectroscopy.">Tumor imaging using hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 66 (2), 505-519 (2011).</li><li>Park, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+early+response+to+temozolomide+treatment+in+brain+tumors+using+hyperpolarized+13C+MR+metabolic+imaging.">Detection of early response to temozolomide treatment in brain tumors using hyperpolarized 13C MR metabolic imaging.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 33 (6), 1284-1290 (2011).</li><li>Bohndiek, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+tumor+response+to+a+vascular+disrupting+agent+by+hyperpolarized+13C+magnetic+resonance+spectroscopy.">Detection of tumor response to a vascular disrupting agent by hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopy.</a> Molecular Cancer Therapeutics. 9 (12), 3278-3288 (2010).</li><li>Witney, T. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+treatment+response+in+a+model+of+human+breast+adenocarcinoma+using+hyperpolarised+[1-13C]pyruvate+and+[1,4-13C2]fumarate.">Detecting treatment response in a model of human breast adenocarcinoma using hyperpolarised [1-13C]pyruvate and [1,4-13C2]fumarate.</a> British Journal of Cancer. 103 (9), 1400-1406 (2010).</li><li>Levitt, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Spin dynamics: basics of nuclear magnetic resonance. , (2001).</li><li>Mieville, P., Jannin, S., Bodenhausen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relaxometry+of+insensitive+nuclei:+optimizing+dissolution+dynamic+nuclear+polarization.">Relaxometry of insensitive nuclei: optimizing dissolution dynamic nuclear polarization.</a> Journal of Magnetic Resonance. 210 (1), 137-140 (2011).</li><li>Redfield, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shuttling+device+for+high-resolution+measurements+of+relaxation+and+related+phenomena+in+solution+at+low+field,+using+a+shared+commercial+500+MHz+NMR+instrument.">Shuttling device for high-resolution measurements of relaxation and related phenomena in solution at low field, using a shared commercial 500 MHz NMR instrument.</a> Magnetic Resonance in Chemistry. 41 (10), 753-768 (2003).</li><li>Grosse, S., Gubaydullin, F., Scheelken, H., Vieth, H. -. M., Yurkovskaya, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+cycling+by+fast+NMR+probe+transfer:+Design+and+application+in+field-dependent+CIDNP+experiments.">Field cycling by fast NMR probe transfer: Design and application in field-dependent CIDNP experiments.</a> Applied Magnetic Resonance. 17 (2), 211-225 (1999).</li><li>Kimmich, R., Anoardo, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field-cycling+NMR+relaxometry.">Field-cycling NMR relaxometry.</a> Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 44 (3-4), 257-320 (2004).</li><li>Gu&#240;j&#243;nsd&#243;ttir, M., Belton, P., Webb, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Magnetic Resonance in Food Science: Challenges in a Changing World. , 65-72 (2009).</li><li>Anoardo, E., Galli, G., Ferrante, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast-field-cycling+NMR:+Applications+and+instrumentation.">Fast-field-cycling NMR: Applications and instrumentation.</a> Applied Magnetic Resonance. 20 (3), 365-404 (2001).</li><li>Chattergoon, N., Martinez-Santiesteban, F., Handler, W. B., Ardenkjaer-Larsen, J. H., Scholl, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+dependence+of+T1+for+hyperpolarized+[1-13C]pyruvate.">Field dependence of T1 for hyperpolarized [1-13C]pyruvate.</a> Contrast Media &amp; Molecular Imaging. 8 (1), 57-62 (2013).</li><li>Mart&#237;nez-Santiesteban, F. M., Dang, T. P., Lim, H., Chen, A. P., Scholl, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=T1+nuclear+magnetic+relaxation+dispersion+of+hyperpolarized+sodium+and+cesium+hydrogencarbonate-13C.">T1 nuclear magnetic relaxation dispersion of hyperpolarized sodium and cesium hydrogencarbonate-13C.</a> NMR in Biomedicine. 30 (9), 3749 (2017).</li></ol>

O uso de DNP para aumentar a aquisição de sinal é uma solução técnica para o sinal de ressonância magnética insuficiente disponível a partir de núcleos de 13C em concentrações limitadas, como aqueles utilizados em injeções de animais, mas apresenta outros desafios experimentais. Cada medida de relaxamento mostrada na Figura 7 representa uma medida de uma amostra preparada exclusivamente porque não pode ser repolarizada após a dissolução para a remensuração. Ist...

A imagem latente espectroscópica da ressonância magnética (MRSI) pode produzir mapas espaciais dos metabolitos detectados pela imagem latente espectroscópica, mas seu uso prático é limitado frequentemente por sua sensibilidade relativamente baixa. Esta baixa sensibilidade da imagem latente de ressonância magnética in vivo e dos métodos da espectroscopia decorre do pequeno grau de magnetização nuclear alcançável em temperaturas de corpo e de forças de campo magnéticas razoáveis. No entanto, essa limitação pode ser superada pelo uso de polarização nuclear dinâmica (DNP) para aumentar consideravelmente a magnetização in vitro de substratos líquidos, que são posteriormente injetados para sondar o metabolismo in vivo usando MRSI1,2 , 3. º , 4. DNP é capaz de melhorar a magnetização da maioria dos núcleos com não-zero nuclear spin e tem sido usado para aumentar in vivo MRSI sensibilidade de 13C-compostos enriquecidos, tais como piruvato5,6, bicarbonato 7,8,fumarato9, lactato10, glutamina11e outros por mais de quatro ordens de magnitude12. Suas aplicações incluem a imagem latente da doença vascular13,14,15, perfusão do órgão13,16,17,18, cancro detecção1,19,20,21,22, estadiamento tumoral23,24e quantificação da resposta terapêutica2 , 6 anos de , 23 anos de , 24 de cada , 25 anos de , a 26.
O abrandamento lento da girar-estrutura é essencial para a deteção in vivo com MRSI. Os tempos do abrandamento da girar-estrutura (T1s) na ordem de dez dos segundos são possíveis para núcleos com baixas relações giromagnético dentro das moléculas pequenas na solução. Vários fatores físicos influenciam a transferência de energia entre uma transição de spin nuclear e seu ambiente (lattice) levando ao relaxamento, incluindo a força do campo magnético, a temperatura e a conformação molecular27. O abrandamento dipolar é reduzido nas moléculas para posições do carbono sem os prótons Unidos diretamente, e o deuteração de meios da dissolução pode mais reduzir o abrandamento dipolar intermolecular. Infelizmente, os solventes deuterado têm habilidades limitadas para estender in vivo o abrandamento. O aumento do relaxamento de carbonilos ou ácidos carboxílicos (como o piruvato) pode ocorrer em altas dosagens de campo magnético devido ao deslocamento químico anisotropia. A presença de impurezas paramagnéticas do trajeto fluido durante a dissolução após a polarização pode causar relaxamento rápido e precisa ser evitada ou eliminada usando quelantes.
Existem poucos dados para o relaxamento de 13C contendo compostos em campos baixos, onde o relaxamento spin-lattice poderia ser significativamente mais rápido. No entanto, é importante medir a T1 em campos baixos para compreender o relaxamento durante a preparação do agente utilizado para a imagem in vivo, uma vez que os agentes de contraste hiperpolarizado são geralmente dispensados do aparelho DNP próximo ou na terra Campo. Fatores físicos adicionais, como 13C-concentração de substrato enriquecido, pH da solução, buffers e temperatura também influenciam o relaxamento e, consequentemente, têm um efeito sobre a formulação do agente. Todos esses fatores são essenciais para a determinação de parâmetros-chave na otimização do processo de dissolução da DNP, e o cálculo da magnitude da perda de sinal que ocorre no transporte da amostra do aparelho DNP para o ímã de imagem.
Medições de dispersão de ressonância magnética nuclear (NMRD), ou seja, medições de T1 , como uma função do campo magnético são tipicamente adquiridas usando um ESPECTRÓMETRO de RMN. Para adquirir estas medições, um método de shuttling poderia ser usado onde a amostra é primeiramente shuttled fora do espectrómetro para relaxar em algum campo determinado por sua posição no campo da franja do ímã28,29,30 e então transferido ràpida de volta no ímã de RMN para medir sua magnetização restante. Ao repetir este processo no mesmo ponto no campo magnético, mas com períodos crescentes de relaxamento, pode-se obter uma curva de relaxamento, que pode então ser analisada para estimar a T1.
Utilizamos uma técnica alternativa conhecida como Relaxometria de ciclismo de campo rápido31,32,33 para adquirir os nossos dados nmrd. Modificamos um relaxante de ciclismo de campo comercial (ver tabela de materiais), para medições T1 de soluções contendo núcleos hiperpolarizados de 13C. Comparado com o método do transporte, o campo-ciclagem permite que este relaxometer adquira sistematicamente dados de NMRD sobre uma escala menor de campos magnéticos (0,25 mT a 1 T). Isto é conseguido mudando ràpida o campo magnético próprio, não a posição da amostra no campo magnético. Conseqüentemente, uma amostra pode ser magnetizada em uma força elevada do campo, "relaxed" em uma força mais baixa do campo, e medido então pela aquisição de uma livre-indução-deterioração em um campo fixo (e na freqüência de Larmor) para maximizar o sinal. Isso significa que a temperatura da amostra pode ser controlada durante a medição, e a sonda NMR não precisa ser sintonizada em cada campo de relaxamento promovendo a aquisição automática em toda a faixa de campo magnético.
Concentrando nossos esforços para os efeitos da dispensação e transporte das soluções hiperpolarizada em campos magnéticos baixos, este trabalho apresenta uma metodologia detalhada para medir o tempo de relaxação do spin-lattice de 13C hiperpolarizado-piruvato usando rápido Relaxometria campo-ciclismo para campos magnéticos na faixa de 0,237 mT a 0,705 T. Os principais resultados da utilização desta metodologia foram previamente apresentados para [1-13c] piruvato34 e 13c-enriquecido com sódio e bicarbonato de césio35 onde outros fatores como a concentração radical e pH de dissolução têm também foram estudados.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:825px;" width="824">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:263px;">[1-13C]Pyruvic Acid</td>
			<td style="width:244px;">Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA</td>
			<td style="width:79px;">677175</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">10mm NMR Tube</td>
			<td style="width:244px;">Norell, Inc., Morganton NC, USA</td>
			<td style="width:79px;">1001-8</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">De-ionized water</td>
			<td style="width:244px;"></td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:263px;">Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA)</td>
			<td style="width:244px;">Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA</td>
			<td style="width:79px;">E5134</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="294">
			<td height="294" style="height:294px;width:263px;">HyperSense Dynamic Nuclear Polarizer</td>
			<td style="width:244px;">Oxford Instruments, Abingdon, UK</td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;">Includes the following: &#34;DNP-NMR Polarizer&#34; software used to control and monitor the whole DNP polarizer; &#34;RINMR&#34; used to monitor the solid state polarization levels; &#34;HyperTerminal&#34; 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</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:263px;">MATLAB R2017b</td>
			<td>MathWorks, Natick, MA</td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;">Include scripts for non-linear fitting of magnetization decay over time and T1 NMRD analysis of hyperpolarized pyruvic acid.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">OX063 Triarylmethyl radical</td>
			<td style="width:244px;">Oxford Instruments, Abingdon, UK</td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:263px;">pH meter - SympHony</td>
			<td style="width:244px;">VWR International, Mississauga, ON., Canada</td>
			<td style="width:79px;">SB70P</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">ProHance</td>
			<td style="width:244px;">Bracco Diagnostics Inc.</td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;">Gadoteridol, Gd-HP-DO3A</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:263px;">Pure Ethanol (100% pure)</td>
			<td style="width:244px;">Commercial Alcohols, Toronto, ON, Canada</td>
			<td style="width:79px;">P016EAAN</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Shim Coil</td>
			<td style="width:244px;"></td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;">Developed in-house</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Sodium Chloride</td>
			<td style="width:244px;">Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA</td>
			<td style="width:79px;">S7653</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Sodium Hydroxide</td>
			<td style="width:244px;">Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA</td>
			<td style="width:79px;">S8045&#160;</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
		<tr height="210">
			<td height="210" style="height:210px;width:263px;">SpinMaster FFC2000 1T C/DC</td>
			<td style="width:244px;">Stelar s.r.l., Mede (PV) Italy</td>
			<td style="width:79px;"></td>
			<td style="width:240px;">Includes the software &#34;AcqNMR&#34; 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.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:263px;">Trizma Pre-Set Crystals (pH 7.6)</td>
			<td style="width:244px;">Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA</td>
			<td style="width:79px;">T7943</td>
			<td style="width:240px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring the spin-lattice relaxation magnetic field dependence of hyperpolarized [1-13c]pyruvate

O limite fundamental para as aplicações de imagem in vivo de 13C hiperpolarizada-compostos enriquecidos é o seu tempo de relaxamento finito-treliça. Vários fatores afetam as taxas de relaxamento, como composição tampão, pH da solução, temperatura e campo magnético. Neste último aspecto, o tempo de relaxamento da centrifugação pode ser medido em pontos fortes do campo clínico, mas em campos inferiores, onde estes compostos são dispensados do polarizador e transportados para a RM, o relaxamento é ainda mais rápido e difícil de medir. Para ter uma compreensão melhor da quantidade de magnetização perdida durante o transporte, nós usamos a Relaxometria rápida do campo-ciclagem, com deteção da ressonância magnética de núcleos de 13C em ~ 0,75 T, para medir a dispersão nuclear da ressonância magnética do Spin-lattice tempo de relaxamento de hiperpolarizada [1-13C] piruvato. A polarização nuclear dinâmica da dissolução foi usada para produzir amostras hyperpolarizada do piruvato em uma concentração de 80 mmol/L e do pH fisiológico (~ 7,8). Estas soluções foram transferidas ràpida a um relaxometer rápido do campo-ciclagem de modo que o abrandamento da magnetização da amostra pudesse ser medido em função do tempo usando um ângulo pequeno calibrado da aleta (3 °-5 °). Para mapear a dispersão t1 do C-1 de piruvato, registramos dados para diferentes campos de relaxamento variando entre 0,237 MT e 0,705 T. Com esta informação, nós determinamos uma equação empírica para estimar o abrandamento da girar-estrutura do substrato hyperpolarizado dentro da escala mencionada de campos magnéticos. Estes resultados podem ser usados para prever a quantidade de magnetização perdida durante o transporte e para melhorar projetos experimentais para minimizar a perda de sinal.

A Figura 2 apresenta um exemplo de uma varredura de microondas de alta resolução de gama completa para o ácido pirruvic. Para o caso apresentado, que a freqüência óptima da microonda corresponde a 94,128 gigahertz, realçado na inserção da figura. Nosso sistema de DNP pode normalmente trabalhar na escala de 93,750 gigahertz a 94,241 gigahertz com tamanho da etapa de 1 megahertz, tempo da polarização de até 600 s, e potência de até 100 mW. Uma gama completa de frequências é inv...

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Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

Nós apresentamos um protocolo para medir a dependência do campo magnético do tempo do abrandamento da girar-estrutura de 13C-compostos enriquecidos, hyperpolarizado por meio da polarização nuclear dinâmica, usando o relaxometry Field-Cycled rápido. Especificamente, temos demonstrado isso com [1-13C] piruvato, mas o protocolo pode ser estendido para outros substratos hiperpolarizados.

Medindo a dependência do campo magnético do abrandamento da girar-estrutura de Hyperpolarizado [1-13C] piruvato

The fundamental limit to in vivo imaging applications of hyperpolarized 13C-enriched compounds is their finite spin-lattice relaxation times. Various ...

Queremos estimar a perda de polarização de uma solução hiperpolarizada durante o transporte do equipamento hiperpolarizador para o scanner de ressonância magnética à medida que atravessa diferentes campos magnéticos. Nossa técnica estima o tempo de relaxamento spin-rettice de soluções hiperpolarizadas em campos magnéticos baixos com alta precisão. Este método não se limita à polarização nuclear dinâmica e pode ser usado para estimar o tempo de relaxamento spin-rettice de outros métodos de polarização, incluindo a polarização induzida por parahidrogênio.Ao executar esta técnica, certifique-se de que a amostra hiperpolarizada não cruze ou fique na região de campo zero por qualquer período de tempo, caso contrário você pode perder completamente a polarização. Prepare um mililitro de carbono-13 enriquecido solução de ácido piruvico, amplamente utilizada para pesquisas in vivo, consistindo de 15 milimoles por litro de radical trinimtil dissolvido em ácido piruvico 1-13C. Na interface dinâmica do software polarizador nuclear, clique no botão Cooldown para baixar a temperatura da inserção de temperatura variável para 1,4 kelvin.Uma vez que o DNP tenha atingido a temperatura desejada, carregue 10 microliters da solução de estoque em um copo de amostra. Abra as portas da torre e insira o copo no VTI usando uma varinha de inserção especificamente projetada para esta tarefa. Extraia rapidamente a varinha e certifique-se de que o copo está liberado.Em seguida, feche as portas da torre e deixe que a temperatura do VTI volte para 1,4 kelvin. Enquanto isso, prepare o DNP para executar uma varredura de micro-ondas, a fim de encontrar a frequência de rádio ideal para a hiperpolarização da solução de estoque. No final da varredura de micro-ondas, recupere a amostra.Em seguida, coloque o sistema em marcha lenta e regisse a frequência ideal onde a polarização máxima é alcançada. Essa frequência ideal é definida como a frequência de polarização que proporciona a máxima polarização. Esta frequência será usada para hiperpolarizar todas as alíquotas obtidas daquela solução específica de estoque de ácido piruvico.Prepare 250 mililitros de meio de dissolução de estoque, conforme descrito no protocolo de texto, e adicione EDTA a uma concentração de 100 miligramas por litro para sequestrar qualquer contaminação de íons metálicos. Além disso, prepare 500 mililitros de solução de limpeza de estoque consistindo de 100 miligramas por litro EDTA dissolvido em água desionizada. Aproximadamente 10 mililitros desta solução de limpeza são utilizados após cada polarização para limpar o caminho de dissolução do DNP.Esfrie o aparelho DNP para 1,4 kelvin na preparação de uma amostra de ácido piruvico de 1-13C selecionando o botão Cooldown na janela principal do DNP. Pese 30 miligramas da solução preparada de ácido piruvico em um copo de amostra. Quando a temperatura VTI desejada for atingida, clique em Insert Sample, selecione Amostra Normal e clique em Próximo.Seguindo as precauções de segurança exibidas na tela, insira o copo no aparelho DNP frio usando uma varinha longa especificamente projetada para esta tarefa. Uma vez que o copo seja inserido, remova a varinha e feche as portas do DNP. Na interface de software DNP, clique em Next e, em seguida, termine.Aguarde até que a temperatura volte para 1,4 kelvin e clique no botão Amostra polarizar. Na nova janela pop-up, defina o valor de frequência para o obtido a partir da varredura de micro-ondas. Na mesma janela, defina a potência para 50 miliwatts e o tempo de amostragem para 300 segundos.Clique em Next, verifique a caixa de monitoramento de configuração e clique em Concluir. Polarize até que o acúmulo da magnetização de estado sólido atinja pelo menos 95% do máximo. Quando a polarização desejada for alcançada, clique em Executar dissolução.Em Método, selecione o teste do ácido piruvico e, em seguida, clique em Próximo. Seguindo as instruções na tela, abra as portas da torre DNP. Carregue a câmara de aquecimento e pressurização na parte superior do aparelho com aproximadamente 4,55 mililitros do meio de dissolução.Isso produz uma concentração de 80 milmoles por litro de piruvato após a dissolução a um pH de 7,75 e uma temperatura de 37 graus Celsius. Posicione a varinha em recuperação na posição direita e feche as portas da torre. Na interface de software DNP, clique em Next e, em seguida, em Concluir.Nesse ponto, a mídia de dissolução será superaquecida até que a pressão atinja 10 bar. Uma vez que a pressão de 10 barras é atingida, o piruvato congelado e hiperpolarizado é automaticamente levantado do banho de hélio líquido, rapidamente misturado e descongelado com a mídia de dissolução superaquecida. A mistura é então ejetada através de uma tubulação capilar em um frasco em forma de pera.Enquanto a mistura de mídia de piruvato hiperpolarizado e dissolução é ejetada, redemoinho constantemente o frasco para garantir uma mistura homogênea. Quando toda a mistura tiver sido ejetada, desenhe rapidamente 1,1 mililitros do líquido em uma seringa. Transfira a mistura para um tubo NMR pré-aquecido de 10 mililitros de diâmetro e transporte rápido para o relaxante de ciclismo de campo.Limpe imediatamente o caminho do fluido DNP utilizando meio de dissolução limpo, seguido de etanol. Em seguida, remova o copo e exploda gás hélio pelo caminho do fluido para remover os fluidos de limpeza restantes e purgar o caminho do oxigênio. Limpe todos os vidros.Após cada medição, registo o pH das amostras do espectrômetro benchtop. Além disso, registo o pH das amostras no relaxante de ciclismo de campo. Antes da dissolução, o ângulo de lançamento do relaxante deve ser calculado, e o relaxante deve ser configurado e pronto para a medição da solução hiperpolarizada.Para realizar as medições T-one, certifique-se de que a bobina de calço externo esteja instalada e energizada. No software de instrumento, selecione a guia Main Par. Em seguida, clique na célula ao lado da etiqueta Experimentar e role para baixo na janela pop-up para selecionar a sequência de pulso HPUB/S.Agora, defina os parâmetros de aquisição. Defina atenuação de radiofrequência para 25 decibéis, T1 máximo para valores entre três e cinco segundos, tempo de mudança para 0,2 segundos, reciclar atraso para zero segundos e campo de relaxamento para o campo de relaxamento desejado em mega-hertz. Em seguida, selecione a guia Parâmetros de Aquisição, seguida pelo subtab básico.Clique na célula ao lado da etiqueta Nucleus e role para baixo na janela pop-up para selecionar carbono-13. Em seguida, defina a frequência do sistema para oito mega-hertz, varrer a largura para um mega-hertz, o tamanho do bloco para 652 e filtrar a largura de banda para 50.000 hertz. Em seguida, selecione o subtab de configuração.Defina o tempo de largura do pulso de 90 graus para o valor previamente determinado, o receptor inibe o tempo para 25 microsegundos, e o tempo de atraso de aquisição para 25 microssegundos. Selecione o subtab pulsar e defina o ângulo principal de lançamento do pulso RF em cinco graus. Em seguida, selecione o subtabto número de dimensões e defina o número de blocos para 100.Aguarde e prepare-se para receber a solução hiperpolarizada para iniciar a aquisição de dados. Imediatamente antes de inserir a amostra no relaxador, inicie manualmente a sequência de pulso do console para evitar inserir a amostra em um campo magnético nulo. Por essa razão, é importante ignorar a primeira decadência de indução livre, ou FID, durante a análise dos dados.É importante iniciar a aquisição de dados antes de introduzir a amostra no relaxante para evitar campos magnéticos nulos que causarão uma perda de polarização. Uma vez feita a aquisição, salve os dados clicando no botão Salvar. Utilizando o software de análise, integre a magnitude de cada sinal FID para produzir uma série de dados composta de magnetização de amostras em função do tempo.Um exemplo de varredura de micro-ondas de alta resolução e de alcance completo para ácido piruvico é mostrado. Para o caso apresentado, essa frequência de micro-ondas ideal corresponde a 94.128 giga-hertz. Mostrado aqui é uma série típica de FIDs em decomposição à medida que a magnetização hiperpolarizada é amostrada.A curva de relaxamento para piruvato 1-13C hiperpolarizado foi obtida a partir dos dados da figura anterior. Cada ponto azul na curva representa a área sob um FID. O valor T1 de 53,9 mais ou menos 0,6 segundos foi obtido por um ajuste não linear de menos quadrados da equação de sinal para os dados da curva de decomposição, que incluíam os efeitos do ângulo de lançamento usado para excitação.Os resultados do T1 para todas as 26 medições em uma faixa de 0,237 milítesla a 0,705 tesla a 37 graus Celsius são mostrados. Cada medição T1 em um determinado campo de relaxamento é uma dissolução hiperpolarizada separada do aparelho DNP. A linha sólida representa a fórmula, e as linhas tracejadas representam as faixas de confiança de 95%.A análise dos resultados mostrou que o tempo de relaxamento para o núcleo C-1 é de 46,9 segundos no campo magnético da Terra, em comparação com 65 segundos em três tesla, o que representa uma diminuição de 28% É importante instalar e energizar a bobina de calço externo e iniciar a aquisição logo antes de inserir a amostra para evitar campos magnéticos nulos e a perda potencial de polarização. Seguindo este método, o procedimento amostral poderia ser usado com mídia de dissolução deuterada para estender os tempos de relaxamento spin-rettice da solução hiperpolarizada.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Measuring the Spin-Lattice Relaxation Magnetic Field Dependence of Hyperpolarized [1-13C]pyruvate

Magnetic Resonance Elastography Methodology for the Evaluation of Tissue Engineered Construct Growth

Metodologia Elastografia por Ressonância Magnética para a Avaliação de engenharia de tecidos Crescimento Construct

Traditional mechanical testing often results in the destruction of the sample, and in the case of long term tissue engineered construct studies, the use ...

Bioengenharia

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Medir as propriedades mecânicas das células vivas Usando Microscopia de Força Atômica

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

Microfluidic Platform for Measuring Neutrophil Chemotaxis from Unprocessed Whole Blood

Plataforma microfluídica para medição de quimiotaxia de neutrófilos não transformados Sangue Total

Neutrophils play an essential role in protection against infections and their numbers in the blood are frequently measured in the clinic. Higher ...

Magnetic Tweezers for the Measurement of Twist and Torque

Pinças magnéticas para a Medição do Twist and Torque

Single-molecule techniques make it possible to investigate the behavior of individual biological molecules in solution in real time. These techniques ...

Alternating Magnetic Field-Responsive Hybrid Gelatin Microgels for Controlled Drug Release

Alternando microgéis de gelatina híbrido Campo-Responsive magnética para controlada de fármacos de libertação

Magnetically-responsive nano/micro-engineered biomaterials that enable a tightly controlled, on-demand drug delivery have been developed as new types of ...

Metabolic Support of Excised, Living Brain Tissues During Magnetic Resonance Microscopy Acquisition

Suporte metabólico de extirpado, tecidos de cérebro vivos durante a aquisição de microscopia de ressonância magnética

This protocol describes the procedures necessary to support normal metabolic functions of acute brain slice preparations during the collection of magnetic ...

Measuring Global Cellular Matrix Metalloproteinase and Metabolic Activity in 3D Hydrogels

Medição de metaloproteinase matriz celular Global e atividade metabólica em hidrogel 3D

Three-dimensional (3D) cell culture systems often more closely recapitulate in vivo cellular responses and functions than traditional two-dimensional (2D) ...

Biofunctionalization of Magnetic Nanomaterials

Biofuncionalização de Nanomateriais Magnéticos

Magnetic nanomaterials have received great attention in different biomedical applications. Biofunctionalizing these nanomaterials with specific targeting ...

Fabrication of Magnetic Platforms for Micron-Scale Organization of Interconnected Neurons

Fabricação de plataformas magnéticas para organização em escala de micron de neurônios interligados

The ability to direct neurons into organized neural networks has great implications for regenerative medicine, tissue engineering, and bio-interfacing. ...

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos

Electric fields (EFs) and magnetic fields (MFs) have been widely used by tissue engineering to improve cell dynamics such as proliferation, migration, ...