Desempenho e reprodutibilidade da hiperpolarização 13C e 15N usando um criogênico

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 11694 (2022) Citar este artigo

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A configuração, procedimentos operacionais e desempenho de um dispositivo isento de criogênio para produzir agentes de contraste hiperpolarizados usando polarização nuclear dinâmica de dissolução (dDNP) em um centro de imagem pré-clínica são descritos. A polarização foi otimizada usando o estado sólido, sinal NMR aprimorado por DNP para calibrar a posição da amostra, micro-ondas e frequência NMR e potência e ângulo de rotação. A polarização de uma formulação padrão para produzir ~ 4 mL, 60 mM de ácido 1-13C-pirúvico em uma solução aquosa foi quantificada em cinco experimentos para P(13C) = (38 ± 6) % (19 ± 1) s após a dissolução. A constante de tempo monoexponencial do acúmulo da polarização de estado sólido foi quantificada em (1032 ± 22) s. Atingimos um ciclo de trabalho de 1,5 h que inclui carregamento de amostra, monitoramento do acúmulo de polarização, dissolução e preparação para a próxima execução. Após a injeção do meio de contraste in vivo, foram observados piruvato, piruvato hidratado, lactato e alanina, por meio da mensuração dos mapas de metabólitos. Com base nesta sequência de trabalho, ureia 15N hiperpolarizada foi obtida (P(15N) = (5,6 ± 0,8) % (30 ± 3) s após a dissolução).

A Ressonância Magnética (MRI) revolucionou os diagnósticos modernos ao fornecer imagens anatômicas e funcionais de alta resolução em 3D sem radiação ionizante1,2. Muitos dos processos bioquímicos in vivo, no entanto, ainda decorrem de nossos melhores esforços, e acessá-los continua sendo o objetivo principal de muitas pesquisas.

Aqui, os agentes de contraste hiperpolarizados são uma grande promessa, pois fornecem uma janela única para o metabolismo, de forma não invasiva e in vivo. Ao aumentar o sinal de moléculas selecionadas, muitas vezes endógenas, seu destino pode ser seguido – por um tempo limitado – com alta resolução espacial e química. Essas propriedades permitiram a identificação de tecido cancerígeno antes que um tumor se tornasse aparente e ajudou a monitorar a resposta ao tratamento.

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 é a técnica mais estabelecida para biomoléculas hiperpolarizantes (HP) para imagens in vivo e compartilha a aplicabilidade em humanos4,5 apenas com Xenon6 hiperpolarizado. Outras técnicas de HP incluem força bruta7, polarização induzida por para-hidrogênio8, polarização nuclear dinâmica induzida quimicamente9 e, para gases nobres, bombeamento óptico de troca de spin10,11.

O dDNP permitiu polarizar biomoléculas a mais de 50% em cerca de 1 h12,13. A polarização nuclear do alvo é obtida pela polarização do spin eletrônico primeiro, usando baixas temperaturas (≈ 1,4 K) e altos campos magnéticos (≈ 6,7 T). Em seguida, a polarização do elétron é transferida para a polarização nuclear usando as interações entre o spin eletrônico e o nuclear sob a ação de ondas eletromagnéticas, transmitidas em uma frequência correspondente à diferença na frequência de Larmor dos dois spins dos elétrons envolvidos14. Os spins de elétrons desemparelhados são adicionados na forma de radicais estáveis: TEMPO15, TEMPOL ou radicais tritil16,17 ou induzidos por radiação UV18. Além disso, existem outros tipos de formulações de amostra, por exemplo HYPOP19.

Quando o nível desejado de polarização do spin nuclear é alcançado, a amostra congelada é rapidamente derretida, dissolvida e ejetada do polarizador por água superaquecida pressurizada, de modo que um agente de contraste injetável seja obtido.

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>