Ontbinding Dynamic Nuclear Polarisatie Instrumentatie voor Real-time enzymatische reactie snelheidsmetingen door NMR

Dynamic nucleaire polarisatie (DNP), ^1,2 een techniek ontwikkeld om de kernspin polarisatie, dat wil zeggen, het gebrek aan evenwicht tussen de 'up' en 'down' spin populaties (P = verbeteren [N _↑ – N _↓] / [N _↑ + N _↓]), werd het eerst geïntroduceerd in 1950. Kernspins zoals ^13C kan worden gepolariseerd P = ^-1 10 in gunstige omstandigheden, kenmerkend bij een temperatuur in de orde van 1 K en in een magnetisch veld van ^3,4 3,357 T. Een doorbraak voor biologische toepassingen kwam in de vroege 2000 met de ontwikkeling van ontbinding DNP bestaande in ontdooide gepolariseerde monsters oververhit water met behoud van de hoge nucleaire polarisatieniveau verkregen bij lage temperaturen. ⁵ de vloeistof-NMR signaal wordt versterkt met een factor 10 ³ -10 ⁴ ten opzichte gemeenschappelijkthermisch-gepolariseerde RT NMR omstandigheden. Ontbinding DNP verschaft derhalve een manier om niet-invasief meten biochemische reactiesnelheden in situ in realtime, waardoor controle dynamiek van NMR met een tijdsresolutie van 1 seconde of minder ^{6 -. 10} het mogelijk werd ook virustypen in zeer lage concentraties ^11.

Onder de niet-invasieve moleculaire beeldvorming modaliteiten, hypergepolariseerde NMR is de enige techniek die tegelijkertijd een substraat en metabolieten daarvan in realtime waardoor metingen. Ontbinding DNP werd enthousiast ontvangen in verschillende wetenschappelijke gebieden, variërend van in vitro NMR klinische MRI ¹² en de meest veelbelovende toepassingen hebben betrekking op de in situ bewaking van de stofwisseling. ^13,14 De belangrijkste beperking van ontbinding DNP is dat na verloop van tijd op de volgorde van vijfmaal de longitudinale relaxatietijd _T1 constant, de verbeterde polaireordening is verloren. Het is daarom noodzakelijk om moleculen te dragen nucleaire spins vertonen relatief lange T ₁ te gebruiken. De tijdspanne van de polarisatie verbetering breiden, langzaam ontspannen kernspin toestanden, bekend als langlevende toestanden (LLS), kan worden gebruikt ^{15 -. 17} LLS ongevoelig zijn voor de intra-pair dipool-dipool wisselwerking, zodat hun karakteristieke relaxatietijdconstante t _LLS, kan veel langer dan _T1. ¹⁸ een magnetisatie levensduur van tientallen minuten tot 1 uur kan daarom worden verkregen, ^19,20 en LLS zijn zowel resonantiespectroscopie voorgesteld (MRS) en MRI. ²¹

De belangrijkste punten die zorgvuldig moeten worden geoptimaliseerd voor het bestuderen van enzymatische reactiesnelheden door hypergepolariseerde NMR zijn: (i) het maximaliseren van de solid-state polarisatie en (ii) het minimaliseren van de polarisatie verlies tijdens het overbrengen van het gehyperpolariseerde oplossing vanpolarisator aan de NMR spectrometer. Dit artikel beschrijft de aanpassing van een op maat gemaakte oplossing DNP apparatuur en injectie systeem om enzymatische reacties te bestuderen. De eigenschappen en prestaties van de installatie zal worden gedemonstreerd met de bekende en algemeen gebruikte gehyperpolariseerde substraat [1- ¹³ C] pyruvaat. De belangrijkste redenen voor deze keuze zijn, ten eerste, het is natuurlijk lang ^13C longitudinale relaxatietijd (T _1> 50 sec bij hoge magnetische velden en temperaturen boven 293 K), die toezicht reacties mogelijk maakt gedurende een aantal minuten, en ten tweede zijn centrale rol in kanker metabolisme. ^13,14 behulp oplossen DNP NMR en een speciaal ontwikkelde injectiesysteem, de oxidatie van pyruvaat gekatalyseerd door lactaatdehydrogenase (LDH) kan worden gecontroleerd aanwezigheid van een eerste verzameling ongemerkt lactaat ^9,22 of zonder ongelabelde lactaat toegevoegd , zoals hier getoond. Aangetoond is dat de [1- ¹³ C] lactaat gemeten signaal in vivo (met inbegrip van in de cellen) na de injectie van gehyperpolariseerde [1- ¹³ C] pyruvaat is voornamelijk te wijten aan een snelle label uitwisseling tussen pyruvaat en lactaat in plaats van lactaat productie. ⁶

We presenteren hier de realtimeproductie van [1- ¹³ C] lactaat van gehyperpolariseerde [1- ¹³ C] pyruvaat geïnjecteerd in een NMR-buis met LDH maar aanvankelijk geen lactaat.

Systeembeschrijving
Er zijn twee belangrijke onderdelen in een ontbinding DNP setup (figuur 1): de DNP polarisator en de NMR-spectrometer. Het belangrijkste element van de DNP polarisator een cryostaat koeling van het monster tot ongeveer 1 K in een bad gepompt helium. De cryostaat wordt in een 3,35 T supergeleidende magneet en een geometrie heeft die garandeert de gepolariseerde monster bij het ​​isocentrum van de magneet (figuur 1) hebben. Binnen de cryostaat, het monster (a) wordt omringd door een NMR-spoel (b) om de polarisatie te meten buildup, in een overmoded microgolfruimte (c). Het gehele monster wordt bewaard bij lage temperatuur in een bad gepompt helium (d) en bestraald met microgolven door de golfgeleider. Het hele systeem wordt beheerd door op maat gemaakte software (Figuur 2D).

De hardware en cryogene apparatuur die nodig is om DNP te voeren en de daaropvolgende ontbinding zijn nog steeds een technologische uitdaging. Een nieuwe DNP cryostaat ^23,24 werd ontwikkeld en getest om de cryogene prestaties te bepalen en vervolgens geoptimaliseerd voor snelle cool-down, helium hold-tijd en de totale minimale helium verbruik tijdens het gebruik.

De cryostaat bestaat uit twee delen. Het eerste deel van de cryostaat is de isolatie Dewar (figuur 2A) die ongeveer in bovenste deel kan worden gescheiden (a) de staart of uitkomstenruimte (b) en de buitenste vacuümkamer (OVC) gehouden onder hoog vacuüm en huisvesting de stralingsschermen (c). Het tweede deel van de cryostaat is de belangrijkste insert (figuur 2B), geplaatst in de isolerende Dewar, waarbij alle processchema voorschriften worden beheerd. De vloeibare helium uit de externe opslag Dewar door de transportleiding (a), in de eerste trap gecondenseerd in de afscheider (b), een tussenkamer die zowel aan de bovenkant van de cryostaat koud en de helium afgedampt verwijderen tijdens de overdracht. De separator druk wordt verlaagd door pompen door een capillair (c) rond het bovenste deel van de cryostaat; de stroom van koude helium in de capillair wordt gebruikt afkoelen van de schotten (d) en de stralingsschermen in de isolatie Dewar (OVC). Het monster wordt geplaatst en gepolariseerd in de steekproef ruimte. De uitkomstenruimte is verbonden met de separator via een andere capillair (e), rond de staart van de belangrijkste cryostaat insert. Dit capillair kan worden geopend of gesloten door een naaldklep handbediende buiten.

Om de lage temperatuur gebruikt tijdens de DNP pr bereikenocess, vloeibaar helium moet worden verzameld in de cryostaat steekproef ruimte en de druk verlaagd tot het mbar bereik. De handelingen die nodig zijn voor cryostaat operatie worden uitgevoerd door middel van een vrij complex pompsysteem met drie sets van pompen, bewaakt en beheerd in verschillende plaatsen met elektronische en elektro-mechanische instrumenten (figuur 2C). De cryostaat OVC dient door het eerste pompsysteem naar hoog vacuüm te pompen. Dit systeem bestaat uit een turbomoleculaire pomp ondersteund door een rotatiepomp (a). De vloeibare helium wordt vanuit de opslag Dewar (b) door de cryostaat transportleiding inlaat naar de cryostaat separator. De separator heeft een uitlaat verbonden met de tweede pompende set. Deze set bestaat uit een 35 m ³ / h membraanpomp (c). Deze lijn maakt het verwijderen van het heliumgas gekookt tijdens de overdracht van de Dewar en tijdens separator koeling. De vloeibare helium verzameld in de afscheider kunnen dan worden overgebracht naar de monsterruimte door de dopIllary buizen hierboven beschreven. Vloeibare helium brengen van de scheider naar de monsterruimte vervolgens lagere uitkomstenruimte druk bereik, een derde pompsysteem bestaande uit een 250 m ³ / uur Roots mbar pomp ondersteund door een 65 m ³ / uur centrifugaalpomp (d) is verbonden met de cryostaat via een handmatige vlinderklep (e).

Alle vacuümsysteem activiteit wordt gecontroleerd en gereguleerd door een elektro-hulpmiddel naar maat (f). Dit apparaat regelt vacuüm lijn verbindingen tussen de cryostaat separator (g) en sample ruimte (h) verkooppunten, de tweede / pompsystemen derde (c, d), een gecomprimeerde helium fles (i) en de buitenwereld. Communicatie tussen (f) als buiten gaat door een eenrichtingsklep (j). De elektro-pneumatische inrichting (f) en alle systeemparameters en de ontbinding hardware worden gecontroleerd en beheerd door een op maat gemaakte elektronische inrichting aangesloten USB met een gemeenschappelijke pc. Uiteindelijk alle systeem via het elektronischeapparaat, wordt beheerd door op maat gemaakte standalone software (Figuur 2D) in voorkomend geval activiteiten worden gelanceerd door middel van een interface met behulp van software knoppen.

Om het monster te beheren en meet NMR signaal opbouw in vaste toestand een aantal inserts (Figuur 3A). Om de cryostaat voor polarisatie te bereiden, plaatst u de belangrijkste monster inzetstuk (a), in de cryostaat. De hoofdmonster inzetstuk is voorzien van een NMR-spoel (b) geplaatst binnen een overmoded verguld microgolfruimte. Pre-vries het substraat bevattende oplossing gepolariseerd (polariserende oplossing) bij de temperatuur van vloeibare stikstof in een geschikte monsterhouder en plaats het op het bodemeinde van de glasvezel monsterhouder (c). Schuif de monsterhouder in de belangrijkste monster insert aan de magneet isocentrum bereiken. Steek de vergulde golfgeleider (d) in het monster houder. De golfgeleider kan de microgolf gegenereerd vanuit een externe microgolfbron reizen met minimale verliezen to het monster.

De op maat gemaakte software voor cryostaat beheer verwerkt automatisch op op de overeenkomende interface-toets verschillende bewerkingen zoals cooldown (de cryostaat temperatuur dicht verlaagd tot vloeibaar helium temperatuur), het vullen (de cryostaat is gevuld met vloeibaar helium tot een vooraf bepaald niveau ), een extra stap van het afkoelen tot T ≈ 1 K (het vloeibare helium bad wordt gepompt de laagst mogelijke temperatuur te bereiken), druk brengen (de cryostaat enigszins druk boven kamertemperatuur druk P = 10-30 mbar cryostaat opening zonder risico toestaan besmetting van de cryostaat per vliegtuig) en oplossing (automatische procedure om de DNP monster op te lossen en breng de verkregen oplossing van het hypergepolariseerde meetplaats, dwz de NMR spectrometer).

De polarisatie wordt uitgevoerd bestralen van het monster met microgolven op 94 GHz (in een polariserend veld B ₀ </sub> = 3,35 T). Een monster geacht volledig gepolariseerd na 3 _DNP T, waarbij T _DNP is de polarisatie opbouw tijd. T _DNP is van dezelfde orde van grootte als de longitudinale relaxatietijd van het doel kernen in vaste toestand bij het ​​gegeven gebied en temperatuur. In alle experimenten werd het monster gepolariseerd langer dan 5 T _DNP.

Aan het einde van de polarisatie tijd, het monster moet worden opgelost in een RT oplossing om te worden gebruikt voor het meten van enzymatische activiteit. Tijdens het oplossingsproces worden 5 ml oververhitte D ₂ O uit de ketel van de ontbinding insert (Figuur 3B) gedrukt door samengeperst helium gas (P = 6-8 bar) om de DNP-versterkte staal te bereiken en los het. De resulterende hypergepolariseerde oplossing wordt naar buiten geduwd de ontbinding insert door de samengeperst gas helium, door de ontbinding insert het stopcontact (zie 3C-b </sTrong>), een 2 mm binnendiameter teflon verbindingsbuis. De tijd die nodig is voor het oplossen proces is 300 msec. ^{23 De} tijd die nodig is voor de steekproef transfer van de DNP polarisator om de NMR-spectrometer site gaat over 3 sec.

Het oplossingsproces wordt uitgevoerd met een oplossing insert (Figuur 3B). Het oplossen inzetstuk bestaat uit een elektronisch-pneumatische eenheid (a), een koolstofvezel stok (b) met verbindingsslangen tussen de boiler in de pneumatische montage en de monsterhouder kast (c), die lekdichte koppeling maakt met het monster container, en terug naar de uitlaat. De elektropneumatische samenstel (figuur 3C) wordt gebruikt voor de productie en rijden oververhitte D ₂ O tot de koolstofvezel vasthouden aan de monsterhouder en vervolgens het gehyperpolariseerde oplossing uit de cryostaat extraheren. De elektro-pneumatische assemblage bestaat uit pneumatische kleppen (a) dat de verbindingen tussen de co controlempressed helium (P = 6-8 bar) lijn (b), het toestel (c) wanneer de D ₂ O wordt geïnjecteerd door de klep (d) en de uitlaat (e) door de koolstofvezel stok (f). Het systeem wordt gecompleteerd door een druk G, een thermometer en een verwarmingsmantel weerstandsdraad in de ketel (c), een trekker (h) en een aansluitdoos (i) gebruikt om het systeem te communiceren met het elektronisch beheer inrichting.

De DNP cryostaat en de NMR-spectrometer verbonden met een transportleiding, dwz een PTFE-buis van 2 mm binnendiameter waarbinnen het gehyperpolariseerde oplossing wordt geduwd door druk gebrachte helium (P = 6-8 bar) bij ontbinding wordt geactiveerd.

Het oplossen sequentie bestaat uit de volgende stappen: in de eerste 300 msec, oververhitte D ₂ O wordt geduwd om de monsterhouder om te smelten en los het hypergepolariseerde bevroren oplossing. Daarna wordt het hypergepolariseerde oplossing geëxtraheerd uit de cryostaat zich op grond van pressurized (P = 6-8 bar) heliumgas en geduwd door de 2 mm binnendiameter PTFE-buis (figuur 3C-e) om de meting plaats waar de injectie wordt uitgevoerd met een van de in stap beschreven procedures 6.2.1 of Step 6.2 0,2.

De tweede component van de ontbinding DNP NMR opstelling is de NMR spectrometer. In de hierin beschreven opstelling, de NMR-spectrometer werkt op een veld B ₀ = 11,7 Tesla. Een 5 mm NMR probe wordt gebruikt om het gehyperpolariseerde signaal na ontbinding meten. De NMR-spectrometer wordt bediend door middel van de NMR-console, gebruikt voor zowel solid-state en vloeibare toestand NMR-metingen, en de firma meegeleverde software XWinNMR. Een typische meting bestaat uit een lage kantelhoek vaste puls (hetzij gekalibreerd voor liquidstate of niet gekalibreerde voor solid-state metingen) gevolgd door signaal acquisities.

Metingen van de solid state thermische polarisatie signaal en DNP-afgeleide signaal opbouw worden uitgevoerd met de op maat gemaakte ¹³ C spoel op de plaats van de DNP polarisator (figuur 3ab) gekoppeld aan de NMR spectrometer. In deze specifieke situatie de NMR-spectrometer niet signaal vergrendeling uit te voeren. Wanneer solid-state metingen worden uitgevoerd, aanzienlijke verstoringen op de polarisatie te voorkomen, moet de tijd tussen verwervingen lang genoeg is globaal meer dan 0,5 T _DNP.

Het vaste verbetering wordt gedefinieerd als waar wordt het hypergepolariseerde signaal (verkregen in stap 3,3) en is de solid state signaal (verkregen bij thermisch evenwicht bij gepompt vloeibaar helium temperatuur in stap 3.2) (Figuur 4A). Deze parameter defines de maximale polarisatie vindt NMR experimenten vóór onvermijdelijke verliezen tijdens het overbrengen van het gehyperpolariseerde oplossing. De meting wordt uitgevoerd met een eenvoudige puls-verwerven sequentie met behulp van een niet-gekalibreerde lage flip hoek pols. Puls kalibratie wordt vaak overgeslagen solidstate metingen.

Een analoge procedure kan worden gebruikt om het gehyperpolariseerde signaalversterking in de vloeibare toestand te bepalen. In dit geval wordt het monster geplaatst in de spectrometer buis voor de injectie (stap 6,2), bestaande uit 500 gl D ₂ O. Na oplossing en injectie, zijn er twee belangrijke parameters te controleren. De eerste is de versterking van de hypergepolariseerde NMR spectrometer site, (Figuur 4B), waarbij het signaal direct na de injectie van de hyper gepolariseerde oplossing (verkregen in stap 7,1) en is de thermische polarisatiesignaal (verkregen in stap 7,2). De tweede is de longitudinale relaxatietijd _T1 (Figuur 4B, bijvoegsel), verbonden met het substraat en elke stofwisselingsproduct (verkregen door exponentiële fitting signalen verkregen in stap 7,1). Deze twee parameters bepalen de minimum substraatconcentratie gezorgd voor een voldoende signaal-ruisverhouding (SNR) en de beschikbare tijdvenster voor de meting van de metabole omzettingen te verkrijgen. De verhouding tussen de solid-state polarisatie en liquidstate polarisatie geeft een schatting van de polarisatie verliezen door ontspanning tijdens het gehyperpolariseerde oplossing overdracht. Een waardeation12 "src =" / files / ftp_upload / 53548 / 53548equation12.jpg "width =" 80 "/> moeten worden waargenomen in afwezigheid van ontspanning verliezen.