קסנון hyperpolarized לNMR ו-MRI יישומים
Summary
הייצור של קסנון hyperpolarized באמצעות ספין חילופים אופטיים שאיבה (סאופ) מתואר. שיטה זו מניבה ~ 10,000 שיפור של פי קיטוב הספין הגרעיני של Xe-129 ויש יישומים בספקטרוסקופיה תהודה המגנטית הגרעיניות והדמיה. דוגמאות למצב גזים וניסויי פתרון מדינה מקבלות.
Abstract
תהודה מגנטית גרעינית (NMR) ספקטרוסקופיה והדמיה (MRI) סובלים מרגישות נמוכה מהותית משום ששדות מגנטיים חיצוניים אפילו חזקים של ~ 10 T לייצר רק נטו המגנטיזציה גילוי קטנה של המדגם בטמפרטורת חדר 1. לפיכך, NMR ו-MRI שרוב היישומים לסמוך על זיהוי של מולקולות בריכוז גבוה יחסית (למשל, מים להדמיה של רקמות ביולוגיות) או לדרוש פעמי רכישה מוגזמות. זה מגביל את היכולת שלנו לנצל את הספציפיות המולקולריות מאוד שימושיות של אותות NMR ליישומים רבים ביוכימיים ורפואיים. עם זאת, גישות חדשות צמחו בשנים האחרונות: מניפולציה של מין הספין אותר לפני הגילוי בתוך מגנט NMR / MRI יכול להגדיל באופן משמעותי את המגנטיזציה ולכן מאפשר זיהוי של מולקולות בריכוז נמוך בהרבה 2.
כאן, אנו מציגים שיטה לקיטוב של תערובת גז קסנון (2-5% Xe, 10%N 2, הוא מאזן) בהגדרה קומפקטית עם CA. שיפור אות 16,000 כפול. לייזרי דיודה מודרני קו מוצרות-לאפשר קיטוב יעיל 7 ושימוש מיידי בתערובת גז גם אם לא הופרד הגז האציל מהמרכיבים האחרים. מנגנון סאופ מוסבר ונחישות של קיטוב הספין השיג הוא הוכיח לבקרת ביצועים של השיטה.
ניתן להשתמש בגז hyperpolarized להדמית חלל הריק, כולל הדמית זרימת גז או לימודי דיפוזיה בממשקים עם חומרים אחרים 8,9. יתר על כן, אות תמ"ג Xe היא מאוד רגישה לסביבתו המולקולרית 6. זה מאפשר את האפשרות להשתמש בו כחומר ניגוד NMR / MRI כשהם מומסים בתמיסה מימית עם מארחים מולקולריים פונקציונליים שאופן זמני לכידת הגז 10,11. זיהוי ישיר ועקיף גילוי רגישות גבוהה של מבנים כאלה באו לידי ביטוי במצב שניהם ספקטרוסקופיות והדמיה. </ P>
Introduction
סוכני hyperpolarized צוברים תשומת לב הולך וגובר ליישומי NMR / MRI מאחר שהם יכולים לפתור את בעית הרגישות בנסיבות מסוימות 2. שלוש גישות עיקריות משמשות כיום (קיטוב דינמי גרעיני, DNP; קיטוב פסק מימן מושרה, PHIP; וספין חילופים אופטי שאיבה, סאופ) שכל להכין הבדל אוכלוסיית ספין גדל באופן מלאכותי מחוץ מגנט NMR לפני ספקטרוסקופיה בפועל או ניסוי הדמיה . כאן אנו מתארים את התפקוד והתפעול של התקנת סאופ כי כבר מותאם לייצור של 129 Xe hyperpolarized משמש בניסויי מדינת פתרונות.
מרכיב חיוני הוא מקור אור חזק פולט פוטונים באינפרא אדום 795 ננומטר. מערכי דיודת ליזר (LDA) הם מכשירים נוחים המספקים הספק גבוה> 100 ואט ובעלות סבירה. במערכים רבים, LDA הוא פולט לתוך סיב אופטי שפחות או יותר שומר על הקיטוב של הדואר אור ליזר. כדי להבטיח תהליך סאופ מספיק קיטוב אליפטי זה חייב להיות מומר לקיטוב מעגלי של טוהר גבוה. מרכיבים עיקריים של אופטיקה הקיטוב מוצגים באיורי 1 ו 2 והקמת המערכה מוסברת אופן סכמטי בסרט משלים 1.
מעגלי לקטב את האור שאנו מייחסים בהתחלה את קצה הסיב לאופטיקה הרחבת קורה עיקרית (למשל, collimator סיבים) להפחתת צפיפות הספק. אור ואז עובר דרך קוביית קיטוב קרן מפצל, יצירת אור מקוטב לינארית. על ידי סיבוב קובייה זו אנו יכולים לקבוע את הציר המועדף של הקיטוב שנותר עם מד כוח. שידור מרבי מתאים למצב שבו הציר המהיר של הקובייה מיושר עם ציר קיטוב האור העיקרי. קוביות עם מקדמי הכחדה גבוהים (100000: 1 או יותר) תנבנה הפרדה טובה של רכיבי קיטוב. זה יכול להיבדקבאמצעות קוביית מפצל קורה שנייה כמנתח שהוא הסתובב בזמן הראשון מיושר לשידור מרבי של הקרן המיוחדת הזה.
ברגע הקיטוב לינארי של האור המועבר אושר, צלחת גל λ / 4 מיועדות ל795 ננומטר מוחדרת לקרן המיוחדת הזה להמיר יניארית לקיטוב מעגלי. לצורך כך, הציר המהיר של צלחת הגל הוא לסובב על ידי 45 מעלות יחסית לציר המהיר קוביית מפצל הקורה. (אם תרצה, קיטוב מעגלי של הקרן הרגילה משתקפת בניצבה יניארי קיטוב הציר לקרן המיוחדת הזה יכול להיות מושגת באופן דומה.)
איכות הקיטוב המעגלי, ניתן לבדוק עם קוביית מפצל קורה שנייה שאמורים להניב שידור קבוע על המחזור. אופטיקה הרחבת קורה משנית (שתי עדשות למשל בתצורת הטלסקופ גלילית) ואז מגדילה את קוטר האלומה ללחלוטיןlluminate תא הזכוכית לתהליך השאיבה בתוך תיבת תנור. קליטה של אור הליזר על ידי Rb אדים בתא מנוטרת דרך חור סיכה מאחורי תא השאיבה בסוף התיבה: collimator אוסף קרן IR נחלש להיות מנותח בספקטרומטר אופטי (ראה איור 3 לשאיבת התקנת תא ).
מנגנון חימום מחוץ לתא השאיבה חלקי מאדה טיפת Rb יושב בתוך התא (איור 4 א) ולכן גורם לספיגת אור ליזר. צפיפות האדים יכולה להיות מותאמת דרך נקודת סט החימום של בקר PID המתאים. טמפרטורות גבוהות (בערך 190 מעלות צלזיוס) הן טובות עבור setups הקומפקטי בי קסנון יש כמות מוגבלת של זמן כדי לבנות את הקיטוב. תערובת הגז המכילה Xe, N 2 והוא זורם דרך התא ההפוך לכיוון קרן ליזר השאיבה (איור 3). שדה מגנטי חיצוני מיושרים עם קרן הליזר מבטיח כי הדואר פוטוני IR רק שאיבת מעבר Rb אחד. ההרפיה של מדינות האלקטרונים היא מהירה וצריכה להיות ללא קרינה, כדי למנוע פליטה של פוטוני IR עם קיטוב "לא בסדר". כאן, N 2 נכנסו לשחק כגז להרוות. סופו של דבר, מערכת Rb בונה את התפוצצות אוכלוסין של אחד מsublevels מצב הקרקע ואילו השני מתרוקן ברציפות על ידי הליזר (איור 5). קסנון מקבל בקשר הדוק לאטומי RB חווה אינטראקציות ספין ספין וקיטוב ספין האלקטרון מועבר אל גרעיני Xe בתהליכי שנוי.
גז hyperpolarized זורם אל מחוץ לתא השאיבה מכיל כמויות זעירות של Rb אדים מעובים שעל קיר הצינורות בתוך כמה סנטימטרים של המשקע בשל הטמפרטורה הנמוכה (דומה לאיור 4 ב). ביישומי vivo, לעומת זאת, היה דורשים חיסול נוסף של מתכת אלקלי (למשל באמצעות מלכודת קרה) ואילו במבחנה experimeNTS יכול להתבצע בבטחה עם הגז כפי שהוא עוזב hyperpolarizer. צינורות טפלון מתחברים לשקע מקטב עם כניסתו של מנגנון זכוכית לבצע ניסויי NMR בפתרוני בדיקה. בקרי זרימה המונית משמשים כדי להתאים את כמות Xe זורמת לתוך הגדרת NMR. הם מופעלים על ידי פקודות ברצף דופק NMR. לאחר שבדק את שיפור הקיטוב הושג, ניתן להשתמש בגז כחומר ניגוד NMR / MRI בניסויי מדינת פתרונות.
Xe יש מסיסות מסוימת במים (4.5 מ"מ / אטמוספרות) וממסים אחרים. לפיכך, כבר יכול לשמש בעצמו כסוכן בניגוד להצגת ההפצה של נוזלים מסוימים. עם זאת, אפשר גם לקשר את גרעיני NMR הפעילים למולקולות מסוימות על מנת להשיג מידע מולקולרי ספציפי באמצעות גז אינרטי אחרת. על ידי מתן מארח מולקולרי לXe המומס, אפשר להעניק סגולי מולקולרית לאות תמ"ג Xe. זה מספק את ההזדמנותסוכני עיצוב פונקציונליים ניגוד – הנקרא גם חיישנים ביולוגיים – כאשר מבנה מארח כזה מצמיד את יחידת מיקוד שנקשרה לanalytes הספציפי של העניין ביו (איור 6).
שיפור רגישות יתר נדרש כאשר צריך להיות מזוהה biosensor בריכוזים שאינם נמוכים לסוכנים בניגוד MR (<100 מיקרומטר). זו יכולה להיות מושגת על ידי העברת רווית חילופים כימיים (CEST). שיטה זו מזהה biosensor בעקיפין על ידי השמדת המגנטיזציה של Xe כלוב והתבוננות בשינוי האות של Xe החופשי בתמיסה. מאז גרעיני hyperpolarized מוחלפים ברציפות לאחר כ 10 אלפיות רבת 100-1000 העברה, גרעיני מידע על הברכה זוהתה ולהגביר את אות CA. 10 פי 3 (ראה סרט 2).
Protocol
Discussion
היבטים קריטיים בהכנה של קסנון hyperpolarized הם זיהומי חמצן בסעפת הגז כולל תא השאיבה ותאורה מספקת בתא עם אור מקוטב מעגלי. מבחן הנורה שהוזכר לעיל הוא דרך פשוטה לזהות ריכוזי חמצן מזיקים בעת העברת רובידיום. מתכת אלקלי עלולה לאבד המשטח המבריק שלה על ידי זמן התא מותקן במקטב. עם ז?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט מחקר זה קבל מימון ממועצת המחקר האירופית תחת התכנית של הקהילה האירופית השביעית מסגרת (FP7/2007-2013) / המענק ERC ההסכם n ° 242710 ובנוסף נתמך על ידי תכנית האדם Frontier מדע והתכנית של אמי נטר הגרמני קרן מחקר (SCHR 995/2-1).
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Rb ingot | Sigma-Aldrich | 276332-1G | |
| P4O10 | Sigma-Aldrich | 79610-500G | |
| Ar | Praxair | ||
| Xe | Sigma-Aldrich | 00472-1EA | |
| O2 | Sigma-Aldrich | 00476-1EA | |
| Laser system | QPC Lasers/Laser Operations | Brightlock 50 | |
| Vacuum system | Pfeiffer | HiCube | |
| Thermocouples | Newport Omega | SA2F-KI-3M | |
| Silicon heater | Newport Omega | FMA5514 | |
| Pressure transducer | Newport Omega | PR 33X-V-10 | |
| Process meter | Newport Omega | INFCP-100B | |
| Mass flow controllers | Newport Omega | MFC | |
| PID regulators | Newport Omega | CN7800 | |
| Control Software | Newport Omega | DasyLab | |
| Data acquisition | Newport Omega | Daqboard 3000 | |
| Vacuum sensor | Oerlikon | TTR91 | |
| Vacuum controller | Vacom | MVC-3 | |
| Beam collimator | Thorlabs | F810SMA-780 | |
| Polarizing beam splitter cube | Thorlabs | GL15-B | |
| λ/4 wave plate | Thorlabs | WPQ10M-780 | |
| Beam expansion lenses | Thorlabs | ||
| Optical spectrometer | Ocean Optics | HR4000 | |
| Optical fiber | Ocean Optics | ||
| Low pressure NMR tube | Wilmad | 513-7LPV-7 | |
| 5mm NMR tube | Sigma-Aldrich | HX58.1 | |
| Helmholtz coils | Phywe | 06960-00 | |
| Fused silica capillaries | Polymicro | TSG 250350 |
References
- Schröder, L. Xenon for NMR biosensing – Inert but alert. Phys Med. , (2011).
- Viale, A., Reineri, F., Santelia, D., Cerutti, E., Ellena, S., Gobetto, R., Aime, S. Hyperpolarized agents for advanced MRI investigations. Q J Nucl. Med. Mol. Imaging. 53, 604-617 (2009).
- Walker, T. G., Happer, W. Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei. Rev. Mod. Phys. 69, 629-642 (1997).
- Albert, M. S., Cates, G. D., Driehuys, B., Happer, W., Saam, B., Springer, C. S., Wishnia, A. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370, 199-201 (1994).
- Cherubini, A., Bifone, A. Hyperpolarised xenon in biology. Progr. NMR Spectrosc. 42, 1-30 (2003).
- Goodson, B. M. Nuclear magnetic resonance of laser-polarized noble gases in molecules, materials, and organisms. J. Magn. Reson. 155, 157-216 (2002).
- Nikolaou, P., Whiting, N., Eschmann, N. A., Chaffee, K. E., Goodson, B. M., Barlow, M. J. Generation of laser-polarized xenon using fiber-coupled laser-diode arrays narrowed with integrated volume holographic gratings. J. Magn. Reson. 197, 249-254 (2009).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn. Reson. Med. 44, 349-357 (2000).
- Driehuys, B., Cofer, G. P., Pollaro, J., Mackel, J. B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 18278-18283 (2006).
- Spence, M. M., Rubin, S. M., Dimitrov, I. E., Ruiz, E. J., Wemmer, D. E., Pines, A., Yao, S. Q., Tian, F., Schultz, P. G. Functionalized xenon as a biosensor. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 10654-10657 (2001).
- Schröder, L., Lowery, T. J., Hilty, C., Wemmer, D. E., Pines, A. Molecular imaging using a targeted magnetic resonance hyperpolarized biosensor. Science. 314, 446-449 (2006).
- Schrank, G., Ma, Z., Schoeck, A., Saam, B. Characterization of a low-pressure high-capacity 129Xe flow-through polarizer. Phys. Rev. A. 80, 063424 (2009).
- Levron, D., Walter, D. K., Appelt, S., Fitzgerald, R. J., Kahn, D., Korbly, S. E., Sauer, K. E., Happer, W., Earles, T. L., Mawst, L. J., Botez, D., Harvey, M., DiMarco, L., Connolly, J. C., Möller, H. E., Chen, X. J., Cofer, G. P., Johnson, G. A. Magnetic resonance imaging of hyperpolarized 129Xe produced by spin exchange with diode-laser pumped Cs. Appl. Phys. Lett. 73, 2666 (1998).
- Zhou, X., Sun, X. P., Luo, J., Zeng, X. Z., Liu, M. L., Zhan, M. S. Production of Hyperpolarized 129Xe Gas Without Nitrogen by Optical Pumping at 133Cs D2 Line in Flow System. Chin. Phys. Lett. 21, 1501-1503 (2004).
- Zhou, X. Hyperpolarized noble gases as contrast agents. Methods Mol. Biol. 771, 189-204 (2011).
- Seltzer, S. J., Michalak, D. J., Donaldson, M. H., Balabas, M. V., Barber, S. K., Bernasek, S. L., Bouchiat, M. A., Hexemer, A., Hibberd, A. M., Kimball, D. F., Jaye, C., Karaulanov, T. Investigation of antirelaxation coatings for alkali-metal vapor cells using surface science techniques. J. Chem. Phys. 133, 144703 (2010).
