寒剤を使用した 13C および 15N 過分極のパフォーマンスと再現性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11694 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

前臨床イメージングセンターで溶解動的核分極 (dDNP) を使用して過分極造影剤を生成するための無冷媒装置のセットアップ、操作手順、および性能について説明します。偏光は、固体の DNP 増強 NMR 信号を使用して最適化され、サンプルの位置、マイクロ波と NMR の周波数、パワー、およびフリップ角が校正されました。水溶液中で約 4 mL、60 mM 1-13C-ピルビン酸を生成する標準製剤の分極は、溶解後の P(13C) = (38 ± 6) % (19 ± 1) 秒まで 5 つの実験で定量化されました。固体分極の蓄積の一指数時定数は (1032 ± 22) 秒と定量化されました。サンプルのロード、分極の蓄積、溶解のモニタリング、および次の分析の準備を含む 1.5 時間のデューティサイクルを達成しました。 in vivo での造影剤の注入後、代謝物マップを測定することにより、ピルビン酸、ピルビン酸水和物、乳酸、およびアラニンが観察されました。この作業手順に基づいて、過分極 15N 尿素が得られました (溶解後 P(15N) = (5.6 ± 0.8) % (30 ± 3) 秒)。

磁気共鳴画像法 (MRI) は、電離放射線を使用せずに 3D で高解像度の解剖学的および機能イメージングを提供することにより、現代の診断に革命をもたらしました 1,2。しかし、生体内での生化学的プロセスの多くは依然として最善の努力を払っており、これらにアクセスすることは依然として多くの研究の主要な目的である。

ここで、過分極造影剤は、非侵襲的かつ生体内で代謝への独自の窓を提供するため、大きな期待を抱いています。選択された、多くの場合内因性分子のシグナルを増強することにより、高い空間的および化学的分解能で、限られた時間内にその運命を追跡することができます。これらの特性により、腫瘍が明らかになる前に癌組織を特定することが可能になり、治療反応のモニタリングに役立ちました。

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 は、生体内イメージング用の過分極 (HP) 生体分子の最も確立された技術であり、ヒトへの適用可能性を共有するのは過分極キセノン 6 のみです 4,5。他の HP 技術には、ブルートフォース 7、パラ水素誘起分極 8、化学誘起動的核分極 9、希ガスの場合はスピン交換光ポンピング 10、11 などがあります。

dDNP は、約 1 時間で生体分子を 50% 以上に分極させることができました 12,13。ターゲットの核分極は、低温 (約 1.4 K) と高磁場 (約 6.7 T) を使用して、最初に電子スピンを分極することによって実現されます。次に、関与する 2 つの電子スピンのラーモア周波数の差に対応する周波数で送信される電磁波の作用下で、電子スピンと核スピンの間の相互作用を利用して、電子分極が核分極に変換されます14。不対電子スピンは、TEMPO15、TEMPOL、トリチルラジカルなどの安定したラジカルの形で追加されるか、または UV 放射によって誘導されます 18。さらに、HYPOP19 など、他のタイプのサンプル製剤もあります。

所望のレベルの核スピン偏極が達成されると、凍結サンプルは加圧過熱水によって急速に融解、溶解され、偏光子から排出され、注入可能な造影剤が得られます。

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、GE社のSpinLabおよびPolarize24社のSpinAligner。

ここでは、このファミリーに新たに追加された前臨床用途向けの無冷媒溶解偏光子 (SpinAligner、Polarize、デンマーク) に関する最初の経験を紹介します 24。装置の設置と 13C および 15N 過分極のルーチンについて報告します。日常的な操作手順を実行することにより、再現性の高い分極が達成されました。

この研究で使用されている偏光子 (SpinAligner、Polarize、デンマーク) は、201924 で説明されているセットアップに似ていますが、異なる磁石 (6.7 ～ 10.4 T) と溶解モジュールを備えています。主なコンポーネントは、閉サイクルヘリウムクライオスタットによって冷却される無冷媒超電導磁石、可変温度インサート (VTI)、マイクロ波源、NMR 分光計、溶解モジュール、および制御ソフトウェアです (図 1、2)。。超電導マグネットは 230 V/10 A の電源で駆動され、最大 300 kW に達しました。 9.4 T (201924 で説明されている 10.4 T の代わり)、ここでは ~ 6.7 T で使用されました。溶解のための流路が前臨床および試験管内用途向けに最適化されていることを指摘することは重要です。

この作品で使用した偏光板の写真(a、b)と図(c)。ポラライザーは、磁石（b セクション、マゼンタの正方形）に取り付けられた溶解モジュール（a）と補助部品用のラックで構成されます。溶解モジュール (a) には、溶解媒体 (DM) 用の入口、DM 用ヒーター (5)、Swagelok マニホールド (1 ～ 4)、スイッチバルブ (6)、サンプルカップ、および出口が含まれています。磁石 (b セクション、マゼンタの正方形) には可変温度インセット (VTI) が装備されており、VTI の底部にある液体ヘリウムの槽を排気することによって 1.4 K まで冷却されます。 VTI 内部と入口内のヘリウムガスの圧力は、それぞれ P1 (8) と P2 モニターに表示されます。 VTI 内の DNP プローブは、サンプルカップ用のトンネル、マイクロ波を送信する導波管、下部の NMR コイルで構成されています。サンプルは上部のエアロック (7) を介して VTI に挿入されます。このラックは、VTI のヘリウムを循環させるポンプ、NMR 分光計、磁石電源、温度コントローラー、およびユーザーインターフェイスを収容するために使用されます。図 c は、すべての主要コンポーネントの名前を付けた偏光子の概略図を示しています。

寸法、漂遊磁界 (破線)、およびオペレータ領域 (赤線) を示す dDNP システムの図。 (図面は許可を得て SpinAligner ユーザーマニュアルから転載しています)。

過分極の場合、ラジカルと濃縮造影剤を含む製剤約 22 mg をサンプルカップ (PEEK、最大充填量は 400 μL) に充填し、磁石内に下げて分極しました。所望の分極に達したら、過熱した溶解媒体をカップに注入することによってサンプルを溶解、排出し、希釈しました。カップは使い捨て O リングシールを使用してポラライザーの流体システムに接続され、エアロック (図 1) を介して VTI に挿入され、中央制御機構を使用して磁石内に下げられました。 VTI では、液体ヘリウム槽をポンピングすることにより 1.5 K 未満の温度に達しました。磁石の極低温冷却器で凝縮した後、ヘリウムを 50 L の貯蔵シリンダーから閉じた冷却回路にポンプで送り込み、ヘリウム槽に補充しました。チャコールフィルターを通ってタンクに戻ります（磁石ハウジングの内部。VTI へのヘリウム供給を制御するためにニードルバルブが使用され、安全性を確保するために大気圧を決して超えない量が選択されました。P1 および P2 モニターは内部のヘリウム圧力を示しています）それぞれ VTI と He タンクのすぐ外側で、サンプルの温度は銅製マイクロ波キャビティの外側にあるセラミックサーミスタによって推定され、VTI 内の圧力はエアロックの下で測定されました。

NMR 分光計 (Cameleon、Spinit、RS2D) を VTI 内の Alderman-Grant コイルに接続し、その場で NMR 信号を取得しました。 NMR プローブの周波数とインピーダンスは、ボアの外側のアルミニウムボックス内の LC 回路の可変コンデンサを使用して調整されました。回路を調整または交換することで、1H、13C、15N、63Cu、129Xeの信号を取得できるようになりました。

最大連続出力 100 mW のマイクロ波源は、制御ソフトウェアの設定に従って、VTI 内のサンプルに一定または周波数変調 25 照射を提供しました。

すべての手順は、中央ソフトウェアとデジタルアナログコンバーター（Polarize、LabVIEW、National Instruments）によって制御されました。特に、4 つを超えるセンサーのデータが常に監視され、圧縮されて保存されていました。

dDNP システムは、7 T MRI (30 cm ボア、BioSpec 70/30、Bruker)、2 台の 1 T ベンチトップ NMR 分光計 (Spinsolve Carbon and Nitrogen、Magritek)、および 9.4 T 高分解能ワイドボア NMR の近くにセットアップされました。分光計 (9 cm ボア、WB400、Avance NEO、5 mm BBFO プローブ、Bruker)。設置後、一連の校正を実行しました (表 2)。

標準サンプルに関するすべての情報は、SpinAligner ユーザーマニュアルから取得されています。

造影剤 (CA)、つまりラジカル濃縮物の調製に関する一般的な段階的な説明を表 1 に示します。ピルビン酸に特化した手順を表 4 に示しますが、他の物質にも適用できます。

一般に、毎回多量（例えば 1.5 g）の CA ラジカル濃縮物を調製し、より小さなアリコート（例えば 250 mg）に分割し、-22 °C で保存しました。 DNP 実験では、これらのバッチの 1 つを温め、必要な量 (たとえば 22 mg) を取り出しました。

すべての実験は、トリチルラジカル (AH111501、分子量 1595 g/mol、POLARIZE) および以下に説明する造影剤の 1 つを使用して実施されました。

30 mM トリチルラジカルおよび 14 M 1-13C-ピルビン酸を含む約 1.5 mL のピルビン酸ラジカル濃縮物を調製し、250 μl アリコートで -24 °C で凍結しました (表 2 1-13CPA、分子量 89.05 g/mol、Sigma) -アルドリッチ、CAS: 99124-30-8)。各 dDNP 実験では、1 つのアリコートを温め、指定された量の濃縮物を回収しました (通常 22 mg)。

51 mg のトリチルラジカルおよび 250 mg の 13C,15N2-尿素 (分子量 60.05 g/mol、Sigma-Aldrich、CAS: 58069-83-3) を 500 mg の脱イオン水および 500 mg のグリセロール (G7893-500) に溶解しました。 mL、MW 92.09 g/mol、CAS: 56-81-5、Sigma-Aldrich)。得られた濃縮物には 35.5 mM のトリチルラジカルと 4.62 M の尿素が含まれており、-24 °C で保存されました。各 DNP 実験では、指定された量の濃縮物 (通常 54 mg) をストックから採取し、サンプルカップに移しました。

51 mg のトリチルラジカルおよび 250 mg の [1,3-15N] 尿素 (分子量 60.05 g/mol、Sigma-Aldrich、CAS: 2067-80-3) を 500 mg の脱イオン水および 500 mg のグリセロールに溶解しました。 (G7893-500 mL、MW 92.09 g/mol、CAS: 56-81-5、Sigma-Aldrich)。得られた濃縮物には 35.5 mM のトリチルラジカルと 4.62 M の尿素が含まれており、-24 °C で保存されました。各 DNP 実験では、指定された量の濃縮物 (通常 54 mg) をストックから採取し、サンプルカップに充填しました。

溶解媒体は、1.51 g の Trizma プレセット結晶 (pH 7.6、平均分子量 149.0 g/mol Sigma-Aldrich、T7943) を混合してサンプルを緩衝して最終 pH を 7 に近づけることによって調製しました。エチレンジアミン四酢酸 27 mg (EDTA、SERVA、CAS: 9002-07-7)、0.756 g の NaCl (Sigma-Aldrich) および 0.81 g の NaOH (Sigma-Aldrich、CAS: 1310-73-2) を 250 mL の脱イオン水に溶解し、次の温度で保存しました。 −20℃。通常、1 回の実験には 3.9 mL が使用されました。尿素実験では、代わりに 0.27 mM EDTA を含む H2O のみを使用しました。

SpinAligner マニュアルに示されているように、磁石を立ち上げた後、磁場強度は NMR コイルの固体 63Cu NMR 信号 (B0 = 2π ν63Cu/γ63Cu) を検出することによって決定されました。ここで、ν63Cu は 63Cu 共鳴の周波数であり、 γ63Cu/2π = 11.319 MHz/T がその磁気回転比です。 B0 では、13C、15N、129Xe、および e- の周波数が対応して計算されました (νx = B0 γx/2π) (SI の他の γx 値を参照)。周波数のより詳細な校正は、原子核の NMR 信号を使用して実行されました。

以下で、NA はスペクトルごとの平均数、NS はスペクトルごとのスキャン数、NX は TR 期間内の励起の数、TR は繰り返し時間、TX は 1 つの一連のパルス内の 2 つの連続する励起間の時間です。。 DNP (Spinit、RS2D) で NMR スペクトルを測定するときは、TX < TR で NS = 1 または 4 を使用することがよくありました。共通パラメータは TX = 217 μs、TR は 1 分から 1 時間でした。 NMR 分光計で NMR スペクトルを測定すると、NS は 1 であるため、TX = TR になります。

RF フリップ角 α は、DNP 増強サンプルに対する一連の低フリップ角励起を使用して校正されました。 10 秒間に 490 回の励起が適用されました (TR = 1 秒、TX = 217 μs、NX = 49、NS = 1)。その結果、毎秒の平均励起数 N = NX/TR = 49 s−1 が得られました。 49 番目の自由誘導減衰 (FID) がそれぞれ記録され、処理されました。次に、単指数関数的減衰関数をデータに適合させました。

(このアプローチの広範な説明は、Elliott et al. によって説明されています)26。

同じ関数を使用して液体状態での分極の減衰をフィッティングし、見かけの \(T_{1}^{obs}\) を取得します (詳細は以下で説明します)。

実験中に偏光が大幅に緩和しなかったと仮定すると、適用されたフリップ角を取得できました (式 2、詳細は SI を参照)。

ここで、S(t) は時点 t で取得された信号、S0 は初期信号、\({\uptau }\) は近似定数、NX は TR 期間あたりの励起の総数、N は 1 秒あたりの励起の数です。。

RF パワーアンプの線形性を仮定すると、このキャリブレーションは、他の期間の励起角度 \(p_{d}^{RF}\) またはパワー減衰 \(p_{a}^{RF}\) (dB 単位) を設定するために使用されました。校正された角度の設定を使用して:

電子から原子核への分極伝達は、DNP で増強された 13C-または 15N-NMR 信号をマイクロ波出力 (W) の関数として取得することによって最適化されました \(p_{w}^{{{\mathbf{\mu W}} }}\) (\(p_{w}^{{{\mathbf{\mu W}}}}\) の一般的な増分は 5 mW でした) および周波数 νµW (νµW の一般的な増分は 10 MHz) でした。 1 ～ 2 分間のマイクロ波照射後、一定の 2° ～ 5° 励起パルスを使用した DNP 分極 CA ラジカル濃縮物の固体 13C (または 15N)-NMR シグナルを、μW の周波数または出力のさまざまな設定で測定しました。残りの偏光を飽和させるために、各取得後に同じフリップ角を持つ 1,000 個のパルスが適用されました。

ピルビン酸ラジカル濃縮物は 40 分間分極され、VTI 内の異なる位置に移動し、そこで約 2° 13C スペクトルが取得されました。

偏光子内で熱平衡状態にある固体 13C NMR シグナルを検出するために、247.9 mg のピルビン酸ラジカル濃縮物 (30 mM トリチルラジカルおよび 14 M 1-13C-PA) を調製し、約 1.4 K でプローブに挿入しました。、平衡状態 (\(\alpha\) ~ 0.32°、\(p_{d}^{RF}\) = 2 us、\(p_{a) に達する磁化を監視するために、いくつかの低フリップ角 13C NMR スペクトルが取得されました。 }^{RF}\) = 38 dB、NS = 256、TS = 217 us、TR = 1 時間)。データはエクスポートされ、オフラインで処理されました (ベースライン、位相補正、4096 へのゼロ埋め、統合、MestReNova)。単指数関数回復関数 (式 4) をデータに当てはめて、見かけの平衡信号 \(S_{inf}^{\alpha }\) と見かけの固体回復時間 \(T_{1}^ を取得しました) {obs}\):

励起角度 \(\alpha\) と 1 秒あたりの励起回数 \(N\) がわかっているので、実際の緩和時間と平衡信号を次のように推定しました (詳細については SI を参照)。

\(S_{inf}\) は、以前の \(N = NX/TR\) と同様に、RF 励起なしで信号の完全な平衡に達したときの平衡信号です (式 2)。

固体状態の DNP 増強分極の蓄積は、13C-DNP の場合は NS = 4、15N の場合は NS = 1 の約 3.5°で \(\alpha \cong 0.7^\circ\) 励起を使用してその場でモニタリングされました。 -DNP。信号 S(t) は自動的に積分され、データに適合した指数回復関数とともに偏光子上に表示されました。より詳細な分析のために、スペクトルはオフラインで処理されました (ゼロ充填、ベースライン補正、位相補正、積分; MestReNova)。単指数関数的回復関数 (式 5) をデータに当てはめて、フリップアングルの効果を考慮して (式 6)、ビルドアップ定数 TDNP を取得しました。

偏光子内の固体サンプルの DNP 信号増強 ε は、取得パラメータ (式 8) を考慮して、熱スペクトルと過偏極スペクトルの信号強度を使用して計算されました。

ここで、S は対応する NMR 信号の積分です、\(NS_{{{\text{acq}}}}^{TP}\) および \(NS_{{{\text{acq}}}}^{HP}\ ) は熱サンプルと過偏極サンプルのスキャン数、\(\alpha_{HP}\) と \(\alpha_{TP}\) はそれぞれ過偏極スペクトルと熱スペクトルを取得するために使用される励起フリップアングルです。 \(RG_{TP}\) と \(RG_{HP}\) は、線形受信機ゲインの値です (T1 したがって、S 値の補正が SI に示されていることに注意してください)。

絶対分極は、熱分極と増強を乗算することによって計算されました (\(P^{{{\text{TP}}}}\), 式 (9)): PTP(13C) (1 T, 295 K) = 0.8711 ppm、PTP(13C) (6.65 T、1.4 K) = 1220 ppm、PTP(13C) (9.4 T、295 K) = 8.187 ppm、(15N)PTP(15N) (9.4 T、295 K) = 3.3 ppm。

ここで、\(\hbar\) は換算プランク定数、ε は増強係数、kB はボルツマン定数、B0 は磁場、T は温度です。

液体状態 NMR は、1 T ベンチトップ NMR (Spinsolve Carbon、Magritek) または 9.4 T 高分解能 NMR (WB400、Avance NEO、5 mm BBFO プローブ、Bruker) のいずれかによって取得されました。 13C または 15N 信号強度は、数値積分の前に自動ベースラインと手動位相補正を使用して定量化されました (TopSpin または MestReNova を使用した場合、信号周辺の積分領域は 9.4 T で ± 1 ppm、1 T で ± 2 ppm でした)。

1 T での熱分極サンプルの 13 C NMR の取得を促進するために、4 vol% Gd 造影剤 ([Gd]、1 mmol/mL、Gadovist、Bayer) を添加しました。 3600 の平均、フリップ角 20°、TR = 2 秒、RG = 31 を使用しました (同じ RG を使用して過分極溶液の液体状態 NMR スペクトルを取得したことに注意してください)。推定 T1 は 50 ミリ秒でした。

9.4 T で熱分極 13C 信号を取得するために、溶解 20 分後に RG = 101 で 90° フリップ角のシングルスキャンを使用しました (過分極溶液の液体状態 NMR スペクトルの場合は RG = 0.25)。

15N NMR の場合、3 vol% [Gd] を追加し、TR = 17 秒を使用して 90° フリップアングル後の 128 回の取得を 9.4 T で収集しました。 100,000 回の平均および TR = 2 秒の 1 T では、熱 15N 信号は観察されませんでした。

過偏光スペクトルは、固定繰り返し時間 TR と一定のフリップアングル \(\alpha_{HP}\) を使用して、それぞれのデバイスに手動で転送した後に取得されました。

過分極の寿命 \(T_{1}^{HP}\) を定量化するために、単指数関数的減衰関数をデータに当てはめて \(T_{1}^{obs}\) を生成しました (式 1)。 \(T_{1}^{obs}\) は、式 (1) を使用して、繰り返しの RF 励起によって消費される分極を考慮して補正されました。 (6) (式 6、詳細は SI を参照)。

信号増強 \(\バレプシロン\) と絶対分極 P は、(式 5 および 7) を使用して、熱分極サンプルからの (平均) 信号に関して定量化されました。

ここで示されているすべての実験は、バックグラウンドを差し引くことなく分析されたことに注意してください。

2 頭の雄 FVB.TgN(Ela1KRAS.G12D)9EPS.CEABAC は、ドイツのキールにあるシュレースヴィヒホルシュタイン大学病院の中央動物施設で飼育されました。動物の体重は約 9 か月で測定され、約 35 g でした。この研究はドイツの動物保護法に従って実施されました。地方自治体の動物保護委員会（エネルギー、農業、環境、自然、デジタル化省シュレースヴィヒホルシュタイン省（MELUND））は、すべての実験を承認しました（V242-18779/2021(2-1/21)）。

この研究はARRIVEガイドラインに従って報告されています。

自然発生膵臓腫瘍のマウスモデルを、75 mg/kg ケタミンと 0.5 mg/kg メデトミジンの腹腔内注射を使用して麻酔しました。麻酔薬を0.9% NaClで1:5に希釈し、マウス1匹当たり155μlの溶液を得た。尾静脈カテーテルを使用して、200 μL の HP 1-13C-PA 溶液を注入しました。インビボ測定中、動物はベッドを介して加熱され、動物の生命パラメータが継続的に監視されました。 MRI 測定後 (約 1 時間)、動物は頸椎脱臼により目覚めることなく安楽死させられました。画像は、円筒形デュアルチューン 1H/13C ボリューム送信コイル (直径 72 mm、長さ 100 mm) を備えた 7 T、30 cm MRI システム (Biospec 70/30、Avance Neo、ブルカー、ドイツ) で取得されました。柔軟な 13C 表面受信コイル (直径 20 mm、RAPID biomed、ドイツ))。

解剖学的参照のために T2 強調 1H 2D RARE MRI を取得しました（取得時間 = 76.5 秒、TR = 0.75 秒、TE = 13 ミリ秒、256 × 256 マトリックスサイズおよび視野 FOV = 33 mm × 33 mm、9 スライス）スライス厚さ = 4.26 mm、フリップ角度 90°/180°)。

自由誘導減衰 2D 化学シフト画像 (CSI) を 5 秒ごとに 8 回連続して取得しました (取得時間 = 5 秒、TR = 44.62 ミリ秒、TE = 0.489 ミリ秒、11 × 11 マトリックスサイズ、FOV = 33 mm) × 33 mm、シングルスライス、スライス厚さ = 4.26 mm、フリップ角 5°)27、28、29。

13C-CSI 画像は、Franz Schilling のグループ (Matlab) によって開発されたスクリプトを使用して処理されました。

偏光子は可動式でホイールに取り付けられており (図 1)、7 T 前臨床 MRI から 3 m、2 台の 1 T ベンチトップ NMR 分光計から 2 m、9.4 T NMR から 5 m の距離に配置されました。このセットアップには、単相電源コンセント (10 A)、乾燥加圧空気 (アトラスコプコ 8F1 タイプエアコンプレッサー)、および 50 L ボトルからのヘリウムガス (純度 5.0、エアリキード) が備えられていました。磁石を冷却するためのヘリウムコンプレッサーは、20 m のヘリウムラインを使用して 9 m の距離に設置されました。 He コンプレッサーには冷却水と三相電力が必要です (F-70H、住友)。

閉サイクル He 冷却器をオンにする前に、磁石を排気しました (HiCube 80 Classic 真空ポンプ、Pfeiffer Vacuum) (推奨圧力 < 1 × 10−4 mbar)。温度が 1.5 K に達したとき (VTI 出口の圧力から計算)、偏光子のユーザーインターフェイスで目標磁場 6.7 T が設定され、磁石は約 30 分で I = 72.811 A まで上昇しました (工場出荷時の校正）。安定化には約 20 分かかりました。

VTI の NMR コイルの 63Cu-NMR 信号は、4 つの平均と 32° のフリップ角を使用して、ν63Cu = 75.259 MHz で検出されました (\(p_{a}^{RF}\) = − 2 dB、\(p_{ d}^{RF}\) = 2 µs、SI、セクション 4.1 を参照。) B0 = 6.6489 T、13C 周波数 ν13C = 71.197 MHz、電子ラーモア周波数 νe− = 186.397 GHz となります。 63Cu 信号の半値全幅 (FWHM) は 0.25 MHz でした (校正手順全体は SpinAligner マニュアルに記載されています)。

炭素共鳴周波数をより詳細に校正するために、約 22 mg のピルビン酸ラジカル濃縮物 (30 mM トリチルラジカルおよび 14 M 1-13C-PA) をサンプルカップに充填し、カップの底から 10 mm 上まで下げました。調査。 LC 回路を調整した後、連続波マイクロ波照射 (\(p_{a}^{MW}\) = 16 mW および νµW = 187.135 GHz) を使用して DNP を開始し、ν13C = 71.492 MHz で固体 13C NMR シグナルが検出されました。 (4 つの平均、同じ RF パラメータ)、B0 = 6.6765 T および νe− = 187.17 GHz となります。 13C-FWHMは0.16MHzでした。

NMRコイルの感知領域は、サンプルの位置の関数として固体状態のDNP増強13C信号を取得することによって決定されました（図3a）。最も低い位置 (プローブの底部) から測定すると、xs = 14 mm 付近で幅広い最大値が見つかりました。低いサンプル温度を確保するために、以下のすべての実験で xS = 10 mm を選択しました (最大信号の 90% 以内)。

サンプルの位置とフリップ角度のキャリブレーション。 (a) プローブ内のサンプルの位置の関数としてのピルビン酸の DNP 増強固体 13 C-NMR シグナル。十分な信号を確保するために、サンプルは最初に 40 分間分極されました。次に、2°の低いフリップ角を使用して、13C 信号を毎分異なる位置で取得しました。サンプルを最初に下に動かし、次に上に動かすと、xs = 14 mm 付近で幅広い最大値が見つかりました。視線を誘導するために直線がプロットされました。 (b) \(p_{d}^{RF}\) = 2 us、\(p_{a}^{RF}\) = 18 dB パルス、TX = 217 の一連のパルスによって取得された DNP 増強 13C NMR 信号µs、TR = 1 s、NS = 1、NX = 49。単指数関数をデータに当てはめることにより (赤線、\(\tau =\) 13.3 s、式 1)、フリップ角は次のように決定されました。 α = 3.2° (式 2)。

13C フリップ角を校正するために、標準サンプルを DNP で分極し、マイクロ波をオフにした後に一連の低角度自由誘導減衰 (FID) を取得しました (\(p_{d}^{RF}\) = 2 us 、\(p_{a}^{RF}\) = 18 dB、TX = 217 μs、TR = 1 s、NS = 1、NX = 49 から N = 49 s−1 になります（図 3b）。式を当てはめることにより、 (1) 式 (1) を使用して、信号に対する信号減衰定数 \(\tau =\) 13.3 秒および α = 3.2° が得られました。 (2)。以下の実験の多くでは、約 0.32°のフリップアングルが使用されました (\(p_{d}^{RF}\) = 2 us、\(p_{a}^{RF}\) = 38 dB)。

DNP、電子から原子核への分極移動を最適化するために、ピルビン酸ラジカル濃縮物の DNP 増強固体 13C-NMR 信号を、μW 周波数の関数として TR = 2 分を使用して取得しました（図 4a、10 MHz ステップ）、 \(p_{a}^{RF} =\) 3 dB、NS = 4、α = 18°) および固定電力 \(p_{w}^{{{\mathbf{\mu W}}}} \) = 30mW。 2 つの極値が見つかりました。次の dDNP 実験では、187.135 GHz の最大値が選択されました。各取得後、偏光は励起角 18°の 1000 パルス列で飽和されました。

μWの電力を校正するために、周波数を一定に保ち電力を変化させて実験を繰り返しました（図4b、5 mWの増分）。 13C 信号は、約 5 ～ 15 mW の間で急激に増加し、約 40 mW を超えるパワーでは減少するゆっくりとした下降プラトーを形成することがわかりました。高分極を維持しながらμW 照射によるサンプルの加熱を避けるために、次の dDNP 実験では 16 mW の出力を選択しました。

13C 分極伝達の最適化。マイクロ波周波数 (a, \(p_{w}^{MW}\) = 30 mW) およびマイクロ波出力 (b, νMF ≈ 187.135) の関数としての、≈ 1.4 K でのピルビン酸塩の DNP 増強固体 13C-NMR シグナルGHz）。周波数を変化させると (a)、2 つの極値が観察され、後の実験のために 187.135 GHz 付近の最初の最大値が選択されました。パワースイープの場合、信号は最大 20 mW まで増加することがわかりました。その後の実験では 16 mW を使用しました。視線を誘導するために直線を追加しました。 13C 偏光は各信号取得後に破壊されました。各データポイントは、2 分間の DNP 後に取得された 13C シグナルに対応します。 NMR 取得パラメータは、\(p_{w}^{RF} =\) 2 μs、\(p_{a}^{RF} =\) 3 dB、NS = 4、α ≈ 18°でした。

固体分極の定量化。 30 mM ラジカルと混合した 14 M 1-13C ピルビン酸 (サンプル総重量 112.3 mg) の固体 13C-NMR シグナルを低フリップ角励起 (\(\alpha\) ~ 0.32°、NS = NX = 256) でモニタリング、TR = 1 時間 (a) または TR = 5 分 (b))、約 1.4 K および 6.7 T で熱平衡に達する間 (a)、および DNP の間 (b)。青い四角は、以下に示すスペクトルを示します (c、d)。単指数回復関数 (式 5) を µW なし (a) および µW あり (b) での分極の蓄積に当てはめ、RF 励起 (式 6) を補正することにより、固体緩和 \(T_{ 1}^{ss} { } \about { }\left( {5.45{ } \pm { }0.44} \right){\text{h }}\)、熱平衡時の信号 \({\text{signal } }S_{inf}^{ssTP } { } = { }\left( {4.07 \cdot 10^{4} \pm 0.1 \cdot 10^{4} } \right)\)、DNP ビルドアップ時間 TDNP = (18.396 ± 0.49) 最小値と平衡信号 \(S_{inf}^{ssDNP}\) = (\(2.0 \cdot 10^{7}\) ± \(0.2 \cdot 10^{6}\)) au （この蓄積は標準サンプルよりも速いことに注意してください）。 110 分 DNP 後に取得されたスペクトルの偏光は \(P^{obs,ssDNP}\) (110 分) = \(S_{ }^{ssDNP}\)(110 分) \(P^{{ {\text{TP}}}}\)/\(S_{inf}^{ssTP }\) ≈ 64%。 RF 励起がなければ、予想される定常状態信号は \(P_{inf}^{ssDNP}\) = \(S_{inf}^{ssDNP}\) \(P^{{{\text{TP}} }}\)/\(S_{inf}^{ssTP }\) ≈ 61% スペクトル (c) と (d) は、最後に測定された熱回復と DNP スペクトルです ((a) と (b) に青でマークされています)長方形)。 (a) の最初の 6 つのデータポイントは、SNR が非常に低いため、近似では無視されました。

ピルビン酸ラジカル濃縮物をカップに充填し、約 1.4 K で VTI の底部から xs = 10 mm 上に下げました。サンプルは B0 ≈ 6.7 T および T ≈ 1.4 K で熱平衡に近づきましたが、熱温度は 13C でした。シグナルを 24 時間監視しました (図 1)。漸近的な信号増加が観察され、データに当てはめた単指数関数的回復関数 (式 6) により、見かけの固体緩和時間 \(T_{1}^{obs,ss}\) = (4.98 ± 0.40) が得られました。 ) h および見かけの定常状態の熱信号 \(S_{inf}^{obs,ssTP}\) = 3.9 × 104 (R2 = 0.969)。 NMR 取得パラメータ (\(\alpha\) ~ 0.32°、NS = NX = 256、TR = 1 h) と式を使用します。 (3) と (6) より、励起に対して補正された寿命は \(T_{1}^{ss}\) ≈ (5.45 ± 0.44) h (式 6、N = 256/3600 s) と推定されました。 −1) および熱分極信号 \(S_{inf}^{ssTP }\) = 4.07 × 104 (R2 = 0.97) (式 7)。最後に、熱分極は 5° のフリップ角の 1000 パルス列で飽和しました。

次に、上記の最適化された設定を使用して、連続波モードでマイクロ波源をオンにすることにより、DNP が開始されました。 DNP 増強 13C シグナル SDNP(t) の増加は、NMR スペクトルを毎分取得することによってモニターされました (図 1、パラメータは前と同じですが、TR = 1 分)。最後のスペクトルは、DNP の開始から tDNP = 110 分後に取得され、Pob の固体分極、ssDNP = 64% をもたらしました。単指数関数的回復関数をデータに当てはめると、Tobs,DNP = (18.39 ± 0.50) 分の見かけの時定数が得られました。 RF 励起は DNP 信号の蓄積にほとんど影響を与えませんでした: TDNP = (18.396 ± 0.49) 分、これは約 61% の分極に相当します。

標準サンプルは、22 mg のサンプルで上記のように分極されました。所望の分極に達したら、溶解媒体 (トレーサーおよびサンプルサイズに固有) を加熱チャンバーに充填します (図 1a-1)。溶液を、温度 T ≈ 115 °C に相当する 11 bar の圧力に達するまで加熱しました。媒体をサンプルカップに注入する直前に、VTI 内のヘリウム槽への熱い溶液の影響を軽減するためにカップを 8 cm 持ち上げました。サンプルカップへの溶解媒体の注入は、偏光子のソフトウェアを介して開始されました。およそ以内 2 秒後、サンプルが溶解し、二重壁チューブアセンブリ (内側のチューブを介して注入、外側のチューブを介して排出) を介してレシーバー容器に移されました。高温で加圧された液体が関与するため、注意が払われ、安全対策が適用されました。

液体状態の分極を定量化するために、サンプルを 5 mm NMR チューブに分割し、手動で 1 T および 9.4 T NMR 分光計に移し、そこで過分極信号と（その後の）熱分極信号を取得しました（図 6）。この例では、分極は 1 T、溶解後 26 秒で 26%、9.4 T、溶解後 30 秒で 20% と定量化されました。分極の寿命は、1 T で 67 秒、9.4 T で 48 秒と測定されました。下部磁場にも対応する最長の T1 を使用して、溶解時の分極は 1 で測定したサンプルの 38% であると推定しました。 1 T、9.4 T サンプルでは約 31%。サンプルは、転写中に異なる、変動する、より低い磁場にさらされたため、高磁場 T1 を使用して分極を推定しても、非常に大まかな推定しか得られないことに注意してください。

1 T (a) および 9.4 T (b) で測定した過分極 (黒) 熱分極 (青) 1-13C-PA の高分解能 13 C-NMR スペクトル。 (a) 過偏光信号は、約 1 秒後に 1 回のスキャン (NSDNP = 1) で測定されました。溶解後 26 秒 (\(\alpha\) = 5°、pw = 3.05 μs、pa = − 5.6 dB、SDNP = 32.38 au)。熱偏光信号は、4 vol% Gd 造影剤を添加して取得されました (\(\alpha\) = 20°、pw = 12.20 μs、pa = − 5.6 dB、SDNP = 4.18 × 10−4 au)。結果として生じる SDNP に対する信号増強は 1.09 × 109 (式 8)、偏光 = 26% (式 9、10) でした。 (b) 9.4 T で、信号は 5° パルス (SDNP = 7.59 × 105 au、pw = 10 μs、pa = − 18.9 dB、RG = 0.25) を使用して溶解後約 30 秒後に取得され、単一の 90° パルス (STP = 1.41 × 105 au、pw = 0.55 μs、pa = − 18.9 dB、RG = 101) で取得された熱偏光信号。エンハンスメントは 2.5 × 104 (式 8)、偏光は 20% です。 (式9、10)。 RG の違いにより、両方の過偏光スペクトルが 1 に正規化され、1 T で測定された熱スペクトルがスケールに収まるように 5000 倍になっていることに注意してください。

100 件を超える DNP 実験を実施したところ、次の手順が 1-13C-ピルビン酸の再現可能な分極を得るのに役立つことがわかりました。セットアップ中の初期キャリブレーション (表 2) に加えて、日常的なキャリブレーション (表 3)、化学物質の特定の準備 (表 4)、21 ステップの分極手順 (表 5)、および毎週のメンテナンスルーチン (表 6)。これらの手順はピルビン酸分極用に開発されたものですが、いくつかの修正は必要ですが、他の薬剤 (たとえば、以下の 15N-尿素) の出発点として機能する可能性があります。

これらの手順を使用して、動物実験に適した組成物である 60 mM 過分極ピルビン酸を含む約 4 mL の溶液を得るための再現性と収量を評価しました 30、31、32。 dDNP プロセスは、(21.64 ± 0.15) mg の標準サンプルと 3.9 mL の溶解媒体を使用して、異なる日に 5 回繰り返し、1 T で検出しました (表 7)。平均して、蓄積定数 TDNP = (1032 ± 21.7) 秒、および (42.1 ± 3.7) au の固体分極が得られました。移動時間 ttrans (17 ～ 20 秒) に応じて、熱分極サンプルに関して液体状態の分極は P ≈ 33% ～ 46% (平均 (38 ± 5.7) %) に定量化されました。溶解直後の分極を推定するために、サンプルの T1 を使用し、(47.2 ± 7.8) %33 の平均分極を得ました。 NMR チューブ内のサンプルの pH 値を測定したところ、8.51 ± 0.02 でした。

再現性実験に加えて、一定時間内にどれだけのサンプルを分極できるかを評価するために、上記の手順を使用して約 90 分ごとにさらに 7 回の 1-13C-PA DNP 実験を実行しました。サンプルの準備と洗浄に約 30 分が必要でした。システム、およびおよそ。 dDNP の場合は 60 分。平均して、測定された液体状態分極 P(ttrans ≈ 26 s) = (33 ± 3.3) % が達成されました。これは、溶解直後の推定値 P(ttrans = 0) = (53.9 ± 12.4) % に相当します。

in vivo での代謝イメージングの実現可能性を実証するために、上記の手順で 1-13C-PA を P(ttrans = 0) ≈ 50% に偏光させました。

分極の蓄積中、CEBAC マウスに麻酔をかけ、尾静脈カテーテルを装着し、7 T MRI システムの加熱された動物ベッド上に置きました。 MRI コイルを調整し、溶解前に解剖学的画像を取得しました (図 7)。従来のMRIでは腫瘍は見られませんでした。

1 T で測定した過分極 (黒) 熱分極 (青) 1-13C-PA (表のサンプル 5) の高分解能 13 C-NMR スペクトル。溶解後 17 秒 (\(\alpha\) = 5°、pw = 3.05 μs、pa = − 5.6 dB)。熱偏光信号は、4 vol% Gd 造影剤を添加して取得されました (\(\alpha\) = 20°、pw = 12.20 μs、pa = − 5.6 dB、SDNP = 39.5 au)。結果として得られる SDNP に対する信号増強は 310 × 106 (式 8)、偏光 = 43% (式 9、10) でした。測定された熱スペクトルは、スケールに収まるように 50,000 倍されました。

5 mL の培地で溶解した後、約 5 mL の造影剤が含まれます。４６ｍＭの１－１３Ｃ－ＰＡを迅速にＭＲＩに移し、溶解後４０秒以内に約１００μＬをマウスの尾静脈カテーテルに注入した。注射終了から約 10 秒後、腹部軸方向スライスにわたって 13C-CSI を実行しました。ピルビン酸、乳酸、アラニンのシグナルを観察し、各代謝産物のマップを作成しました（図8）。同じ形状を使用して、1H T1w MRI が測定されました。肝臓と腎臓で強い乳酸とピルビン酸のシグナルが観察されました。個々のボクセルでも大きな ROI でも高い SNR が観察されました。

In vivo T1w 1H-MRI、過分極 1-13C-PA および 1-13C-乳酸 (LA) のマップ、および 7 T で取得した膵臓腫瘍ラットモデルの選択された 13C スペクトル。 46 mM 1-13C-PA、8 つの CSI データセットが取得されました。乳酸の顕著なシグナルは、腎臓 (ROI1)、肝臓 (ROI2)、大動脈および下大静脈枝 (ROI3) の領域で見つかりました。選択したボクセル (青い四角形) で強い SNR が観察され、線幅約 10 mm の乳酸塩、ピルビン酸塩、アラニン (Ala) の共鳴が示されました。 84Hz。受信専用ループコイルは腹側に配置され (黄色の長方形)、水で満たされた小さな容器がコイルの中央に配置されました (緑色の長方形、仮想線 - Pha)。動物のベッドに温水を供給するチューブがエイリアシングのために上部に表示されていることに注意してください。結果として得られる 8 つの取得の合計が表示されます。

LC ボックスを交換することで、偏光子内の NMR コイルの共振周波数を約 28.83 MHz、つまり 6.7 T での 15N の共振周波数に設定できるようになりました。これにより、200 mg のマイクロ波を使用して 15N のフリップ角、μW の周波数および出力を校正できるようになりました。 4.16 mM 13C,15N2-尿素および 35.7 mM ラジカルのサンプル (pw = 3 us で α = 3.5°、pa = 10 dB、ν(μW) = 187.18 GHz、p(μW) = 35 mW)。 DNP 増強固体 15N-NMR シグナルが容易に観察され、蓄積定数 TDNP = (2140 ± 391) s が 13C,15N2-尿素について、および (3358 ± 425) s が 15N2 尿素について得られました。

5 mL の脱イオン H2O と 0.27 mM EDTA を使用して溶解を実行し、溶解後の名目上の尿素濃度は 45.4 mM になりました。 9.4 T NMR 分光計に転送した後、60 個の 5° 15 N スペクトルが取得され (TR = 3 秒)、T1 の計算と偏光の定量化に使用されました。過分極サンプルの寿命は、T1(13C-15N 尿素) = (26.3 ± 1.0) 秒および T1(15N-尿素) = (26.1 ± 0.7) 秒と決定されました。

13C-15N2 尿素の場合、溶解後 ttrans = (30 ± 1) 秒で (4.5 ± 0.7) % の 15N 分極が観察され (n = 4)、15N2-尿素の場合、分極は (5.6 ± 0.8) % と測定されました。 (30 ± 3) 秒後 (n = 4)、両方とも熱平衡状態にある各サンプルの 15N シグナルに関して (TR = 17 秒、128 平均、RG 101、α = 90°)。溶解時 (ttrans = 0 秒) の初期 15N 分極は、13C-15N2 尿素および P(15N) (t = 0 秒) について P(15N) (t = 0 秒) = (14.7 ± 1.7)% と推定されました。 s) = (18.4 ± 1.1)% (15N2 尿素の場合)34。

この論文では、6.7 T で動作する無冷媒 dDNP 偏光子の最初の経験、操作ルーチン、および性能について説明します。

偏光子には、約 2 ～ 3 m2 の設置面積、標準的な単相電力、圧縮空気およびヘリウムが必要です。磁石は積極的にシールドされていないため、安全性を考慮し、他のデバイスからある程度の距離を維持する必要があります。ヘリウムコンプレッサーには三相電力と冷却水が必要ですが、この前提条件は多くの NMR または MRI 施設で満たされていると考えられます。ポラライザーとクライオエクスパンダのヘリウムポンプの騒音は、長時間近くで作業する人にとっては迷惑になる可能性があります。

セットアップの主な危険には、高温および低温の加圧流体が含まれます。115 °C、11 bar の水、液体窒素、最大 200 MPa です。 2 バールのヘリウムと圧縮空気、酸と塩基、磁場 (6.7 T) および電気 (230 V)。さらに、加圧ヘリウムライン、標準ガスボトル (例: 200 bar)、および化学的危険性も考慮する必要があります。溶解 (加熱、加圧、抽出) は閉じた透明なドアの中で適切に制御された方法で行われるため、飛沫や破片からの保護が提供されます (ただし、そのような事態は発生しませんでした)。溶解後、培地は約 37 °C まで十分に冷却されます。必要に応じて、氷の入った瓶をレシーバーバイアルの下に置きます。液体 N2 中でサンプルを凍結する際には低温が発生するため、適切な安全具 (手袋、ゴーグル) を使用するなどの予防策が必要です。

磁石には液体冷媒が含まれていないため、安全上の注意事項をそれに応じて調整できます。クローズドサイクル He クライオスタットにはさらに多くのヘリウムが存在しますが、VTI の冷却に使用されるガス状ヘリウムの量はわずか 50 標準リットルであるため、クエンチパイプは必要ありません。

このシステムは 4 つを超えるセンサー読み取り値への完全なアクセスを提供し、そのすべては後で検索できるように継続的に保存されます。これは、実験条件の正確な文書化と再構築を可能にする、優れた不可欠な機能であることがわかりました。ソフトウェアインターフェイス (LabView) は、多くの重要な DNP パラメータの制御を提供し、ユーザーまたはメーカーによって新しい機能が追加される場合があります。ただし、サンプル自体の温度を直接測定することはできず、VTI の温度を測定することで推定されることに注意してください。

ほとんどの部品は、過分極物質の量を調整したり、濾過された空気を筐体に供給したりするために、修理や改造のために簡単にアクセスできます。ほとんどのバルブは圧縮空気によって作動するため、バルブの加熱や溶融は観察されませんでした。

LC 回路の調整または交換による異なる原子核間の切り替えは、異なる原子核の過分極を監視するのに非常に便利でした。

上記の分極ルーチンを使用すると、堅牢で信頼性の高い液体状態の過分極が達成されました。P(13C ) (ttrans = 19 s ± 1 s) = (38 ± 6)%、および P(13C ) の溶解時の推定分極はt0 ≈ (47 ± 7)% (表 7)。大きく変化する磁場を横切る移動中のサンプルの実際の減衰は正確にはわかっていないため、溶解時の分極は推定値です。固体分極の蓄積により、約 17 分の時定数が得られ、2 時間未満のデューティサイクルで繰り返し溶解が可能になり、必要に応じてさらに加速する可能性があります。報告されたデータは、ディスクを液体に浸すことによって VTI 内の液体ヘリウムのレベルを上げた後に取得されました。この変更により、ビルドアップ時間のばらつきが少なくなり、ワッシャーありとワッシャーなしでそれぞれ cv(TDNP) = 2.1% と 22.8% になりました。 VTI 内の温度がバイアル内のサンプルの温度である必要はないという指摘は重要です。

興味深いことに、過分極後の溶解サンプル中のピルビン酸の 13 C-NMR シグナルは、比較的大きな変動 (cv(SlsTH) = 13.1%) を示しました。この結果は、ピルビン酸濃度の変化を示している可能性があり、不均一な溶解を示唆しています。

再現性に関して文献で公開されているデータはほとんどありませんが、絶対収率は以前に報告されたもの (トリチルラジカルを含む 1-13C-PA、つまり 36 ～ 64%35) に匹敵します。もちろん、サンプルの移送がより速く、より再現性が高ければ、これらの数値の重要性は向上します。専用の配信システムは別の場所で提供されます。

LC 回路が VTI の外側のシールドボックス内に配置されているため、DNP の NMR コイルを他の原子核に合わせて調整するのは簡単でした。 13C に近い共振周波数 (129Xe など) の場合は、可変コンデンサを調整するだけで十分でした。他の原子核については、異なる LC 回路が使用されました。我々は、磁気回転比が1Hの約1/10、13Cの40%である15N尿素を使用してこれを実証し、分光計で5.6%の偏光を得た。

この研究の過程で、失敗した実験は全体の 5% 未満でした。これらのほとんどは、解散中および清掃手順が実施される前に発生しました。発生した問題には次のようなものがあります。

溶解用チューブは密閉性を確保するために表面が滑らかであるため、下降機構が滑ることがあることが判明しました。この問題は、手動で挿入を優しく補助することで簡単に解決できました。さらに深刻な問題は、3 週間連続使用した後に発生しました。サンプルを磁石に下ろす際に問題が発生しました。これは、おそらく小さな漏れまたはサンプルカップの頻繁な挿入/排出によって、サンプルを挿入するために使用されたチューブ内に氷が形成され始めたことが原因であると考えられます。この問題は VTI を暖機することで解決したため、毎週のクリーニング手順 (約 10 時間以内に VTI を約 180 K まで暖機し、真空ポンプでガスを排出 (1 時間)、その後約 1.4 K まで冷却) を実施しました。 5時間）。この手順は、週末などに自動的に実行できます。

一貫した固体分極を得るには、磁石に挿入する前にサンプルをカップ内 (液体窒素内) で凍結させることが不可欠であることが判明しました。このようにして、加圧中のサンプルの飛散が回避され、サンプルはカップの底に留まりました。さらに、(ESR および NMR) 送信機の周波数とラーモア周波数の不一致 (磁場のドリフトによって引き起こされる) により偏波の損失が発生する可能性があるため、定期的な調整が必要です。さらに、最高の電子分極の移動を確実にするために、ビルドアップ中にサンプルバイアルを液体 He 中に保持することの重要性を強調することも重要です。過分極と T の関係により、温度が 3 K を超えると、分極にかなりの損失が生じることになります。

不完全な溶解を避けるために、サンプルを挿入して分極手順を開始する前に、すべてのチューブを圧縮空気で 7 ～ 10 分間フラッシュして溶解モジュールを 2 回乾燥させることが不可欠でした。溶解用のチューブとコネクタは非常に変化する温度と圧力にさらされるため、定期的なメンテナンスが必要です。 100 回を超える溶解の中で、これまでに溶解経路の重大な障害が 1 つ観察されました (チューブの破損、理由は不明)。

明らかに、転写中の時間と磁場が変化すると分極も変化します。この問題は、磁場が約 10 mT の磁石の上に NMR 管を充填し、12 mT の抵抗磁石を使用してサンプルを 9.4 T NMR に移すことで改善しました。低磁場 NMR 分光計を使用して増強された 13C シグナルを検出すると、DNP システムの近くに設置できるため有利です。ただし、感度が制限されているため、偏光の定量化はより困難であり、熱 13C の十分な SNR を取得するにはガドリニウム緩和剤の使用と大規模な平均化が必要です (15N では信号は観察されませんでした)。

このペーパーでは、1 年間にわたる 100 件を超える実験の経験、結果、SpinAlinger 偏光子を操作するためのヒントを共有します。

全体として、この偏光子は信頼性が高く、コンパクトで、使いやすく、高い偏光を提供することがわかりました。他の利点としては、液体寒剤が存在しないこと、短いデューティサイクル、オープンなモジュール設計により、例えば異なる原子核の固体信号のモニタリングが可能であることが挙げられる。溶解後の 1-13C-PA の液体状態分極は (38 ± 5.7) %、15N2-尿素は (5.6 ± 0.8) % と推定されました。これは、ここで正常に実証されたように、代謝イメージングには十分です。

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、Zenodo リポジトリ (https://doi.org/10.5281/zenodo.5957503) で入手できます。

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研究ユニット miTarget (FOR 5042)、研究訓練グループ「脳のための材料」(GRK 2154/1-2019)、エミーネザープログラム「代謝および分子 MR」(HO 4604/2-2)、DFG による支援に感謝します。 INST 257/616-1 (FUGG)、SFB「バルク反応」(TRR 287)、卓越したクラスター「炎症における精密医療」(PMI 2167)、およびドイツ連邦教育研究省 (BMBF) e:Med 研究および資金提供コンセプト (01ZX1915C) および DFG PR-1868/3-1 (TryIBD) の枠組み内。キール大学と医学部は、生体内イメージングの中核施設として分子イメージングノースコンピテンスセンター (MOIN CC) を支援していることが認められています。 MOIN CC は、欧州地域開発基金 (ERDF) とシュレースヴィヒホルシュタイン州の Zukunftsprogramm Wirtschaft からの助成金によって設立されました (プロジェクト番号 122-09-053)。さらに、アンドレア・カポッツィ博士のご支援に多大な感謝の意を表します。さらに、溶解サンプルの実際の濃度を定義するための UV-Vis 分光計の測定については、Thomas Griebenow 氏と Rainer Herges 教授に感謝します。また、Polarize 様の日頃のご支援に心より感謝申し上げます。 13C-CSI の分析と視覚化のためのカスタム作成された Matlab ベースのソフトウェアを提供してくれた Franz Schilling と Geoffrey Topping に感謝します。ソフトウェアを入手できるようにするには、Franz Schilling に問い合わせてください。 CSI データを処理するソフトウェアを提供してくれた Stephan Düwel に感謝します。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセス資金調達。

セクションバイオメディカルイメージング、MOIN CC、放射線科および神経放射線科、シュレースヴィヒホルシュタイン大学医療センター、キール大学、キール、ドイツ

アリアナ・フェラーリ、ジョシュ・ピーターズ、マリア・アニケワ、アンドレイ・プラウディフツェフ、フローウィン・エラーマン、コーリャ・ゼム、オルガ・ウィル、エヴァ・ペシュケ、ヤン＝ベルント・ヘヴェナー

EPFL (ローザンヌ連邦工科大学) 物理学研究所、機能的および代謝イメージング研究所、ローザンヌ、スイス

Hikari Yoshihara

キール大学、シュレースヴィヒ・ホルシュタイン大学医療センター、放射線科および神経放射線科、キール、ドイツ

オラフ・ヤンセン

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AF、JP、MA、AP が実験を実施しました。 AP は、NMR および MRI 実験の準備を支援しました。 OW と EP は生体内実験を支援しました。 AF、JP、MA、AP、JBH がこの記事の初稿を執筆しました。 JBH がプロジェクトを設計、買収、監督しました。著者全員が記事の批判的な改訂に協力し、最終版を承認しました。

Arianna Ferrari または Jan-Bernd Hövener への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

フェラーリ、A.、ピーターズ、J.、アニケバ、M. 他無冷媒 DNP 偏光子を使用した 13C および 15N 過偏極のパフォーマンスと再現性。 Sci Rep 12、11694 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15380-7

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受信日: 2022 年 1 月 31 日

受理日: 2022 年 6 月 23 日

公開日: 2022 年 7 月 8 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15380-7

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