פירוק דינמי גרעיני קיטוב Instrumentation מדידות קצב התגובה האנזימטית בזמן אמת על ידי התמ"ג

The sensitivity enhancement provided by dissolution dynamic nuclear polarization (DNP) enables following metabolic processes in real time by NMR and MRI. The characteristics and performances of a dedicated dissolution DNP setup designed for study enzymatic reactions are discussed.

המגבלה העיקרית של חקירות מבוססות NMR היא רגישות נמוכה. זו מבקש לזמני רכישה ארוכים, ובכך למנוע מדידות NMR בזמן האמת של טרנספורמציות מטבולית. Hyperpolarization באמצעות פירוק DNP עוקף חלק הרגישות מנפיק הודות המגנטיזציה הגרעיני מחוץ לשיווי משקל הגדול הנובע מהעברת קיטוב אלקטרון אל גרעין ספין. אות התמ"ג הגבוהה המתקבלות ניתן להשתמש כדי לפקח על תגובות כימיות בזמן אמת. החסרון של hyperpolarized NMR מתגורר בחלון הזמן הקצר העומד לרשותם לרכישת אות, שהיא בדרך כלל בסדר גודל של קבוע זמן רגיעת אורך הספין הגרעיני, T _1, או, במקרים חיוביים, על הסדר קבוע הרפית הזמן הקשורים את סינגלט של גרעינים מצמידים, T _LLS. ספיגת הסלולר של מולקולות אנדוגני קצב חילוף חומרים יכולה לספק מידע חיוני על התפתחות גידולים ותגובת תרופה. נומחקרים תמ"ג הקודם merous hyperpolarized הוכיחו את הרלוונטיות של פירובט כמו מצע מטבולית לניטור הפעילות האנזימטית in vivo. מחקר זה מספק תיאור מפורט של הגדרת הניסוי ושיטות נדרש לחקר תגובות אנזימטיות, בפרט ההמרה פירובט אל לקטט שיעור בנוכחותו של לקטט דהידרוגנאז (LDH), על ידי התמ"ג hyperpolarized.

קיטוב גרעיני דינמי (DNP), ^1,2 טכניקה שנועדה לשפר את הקיטוב הספין הגרעיני, כלומר, את חוסר האיזון בין "למעלה" ו "למטה" אוכלוסיות ספין (P = _[↑ N - N _↓] / [N _↑ + N _↓]), הוצג לראשונה בשנת 1950. ספינים גרעיניים כגון ¹³ C יכולים להיות מקוטב עד P = ¹⁰ -1 בתנאים נוחים, בדרך כלל בטמפרטורה בסדר גודל של 1 K וב שדה המגנטי של 3.357 ט ^3,4 פריצת דרך עבור יישומים ביולוגיים הגיעה 2000 מוקדם של עם התפתחות הפירוק DNP אשר מורכב המסת דגימות קפואות מקוטבות שחון מים תוך שמירה על רמת הקיטוב הגרעינית הגבוהה מתקבלת בטמפרטורה נמוכה. ⁵ האות נוזל מדינת התמ"ג מוגבר על ידי גורם 10 ^{3 -10 4} לעומת מְשׁוּתָףתרמית מקוטב תנאי NMR RT. פירוק DNP ולכן מספק דרך שיעורי תגובה הלא פולשני ביוכימיים מידה באתרו בזמן אמת, ומאפשר דינמיקת ניטור ידי NMR עם רזולוציה זמנית של 1 שניות או פחות ^{- 6. 10} כמו כן ניתן היה לזהות analytes בריכוזים נמוכים מאוד ^11.

בין שיטות הדמיה מולקולרית לא פולשנית, hyperpolarized תמ"ג היא הטכניקה היחידה שמאפשרת מדידה בו זמנית מצע ומוצרי מטבולית שלה בזמן אמת. DNP הפירוק התקבל בהתלהבות התחומים מדעיות שונים, החלו במבחנת תמ"ג ל- MRI הקליני ¹² ואת היישומים המבטיחים ביותר קשורים הניטור באתרו של חילוף חומרים. ^13,14 המגבלה העיקרית של DNP הפירוק היא, שאחרי זמן על הסדר חמש פעמים בזמן הרגיעה האורכת T ₁ מתמיד, משופרת קוטבization הולך לאיבוד. לכן, יש להשתמש מולקולות נושאות ספינים גרעיניים מפגין ארוך יחסית T _1. כדי להאריך את תוחלת זמן של שיפור הקיטוב, לאט-מרגיע במצבי ספין גרעיני, המכונה מדינות חיים ארוכים (LLS), ניתן להשתמש ^{15 -. 17} LLS יהיו רגישים האינטראקציה דיפול דיפול התוך-זוג, כך שלהם זמן הרפיה מאפיין קבוע, T _LLS, יכול להיות הרבה יותר זמן מאשר T _1. ¹⁸ חיים שלמים המגנטיזציה של עשרות דקות עד שעה 1 יכול אפוא להיות מושגת, ^19,20 ו LLS הוצעו שני ספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית (MRS) ו- MRI. ²¹

עיקרי כי צריך להיות מותאם בקפידה ללימוד שיעורי התגובה האנזימטית ידי NMR hyperpolarized הם: (i) למקסם את הקיטוב מצב מוצק ו (ii) למזער את ההפסד הקיטוב במהלך ההעברה של הפתרון hyperpolarized מןמקטב אל ספקטרומטר התמ"ג. מאמר זה מתאר את התאמת מנגנון DNP פירוק מחוייט הזרקת מערכת ללמוד תגובות אנזימטיות. המאפיינים והביצועים של ההתקנה יהיו הפגינו עם מצע hyperpolarized הידוע ו-בשימוש נרחב [1 ¹³ C] פירובט. הסיבות עיקריות לבחירה זו הן, ראשית, שלה ארוכה טבעי ¹³ זמן הרגיעה האורך C (T _1> 50 שניות על שדות וטמפרטורות מגנטיים גבוהים מעל 293 K) המאפשרות תגובות ניטור במהלך כמה דקות, ושנית, תפקידה המרכזי מטבוליזם סרטן. ^13,14 שימוש פירוק DNP NMR ומערכת הזרקה מותאמת אישית שפותח, החמצון של פירובט מזורזת על ידי לקטט דהידרוגנאז (LDH) ניתן לנטר בנוכחותו של ברכה ראשונית של לקטט נטולות-תווית ^9,22 או ללא לקטט נטולות-תווית הוסיף , כפי שמוצג כאן. הוכח כי האות [1- ¹³ C] לקטט נמדד viVO (כולל בתאים) בעקבות ההזרקה [1- ¹³ C] פירובט hyperpolarized נובע בעיקר חילוף תווית מהירה בין פירובט ומיניק ולא לייצור חומצת חלב. ⁶

אנו בזאת להציג את הייצור בזמן אמת של [1- ¹³ C] לקטט מ hyperpolarized [1- ¹³ C] פירובט מוזרק לתוך צינור NMR המכיל LDH אבל בתחילה לא לקטט.

תיאור מערכת
ישנם שני חלקים עיקריים בתוך התקנת DNP פירוק (איור 1): מקטב DNP ואת ספקטרומטר התמ"ג. המרכיב העיקרי של מקטב DNP הוא cryostat קירור המדגם לכ 1 K באמבט הליום שאוב. Cryostat מוכנס מגנט superconductive 3.35 T ויש לו גיאומטריה שמבטיחה יש המדגם מקטב על isocenter של המגנט (איור 1). בתוך cryostat, המדגם (א) מוקף סליל NMR (ב), כדי למדוד את b הקיטובuildup, כלול חלל מיקרוגל overmoded (ג). המדגם כולו נשמר בטמפרטורה נמוכה באמבט הליום שאוב (ד) ו- מוקרן עם מיקרוגל דרך מוליך הגל. המערכת כולה מנוהלת באמצעות תוכנת מחוייט (איור 2 ד).

החומרה וציוד קריוגני הדרושים לביצוע DNP והתפרקותה לאחר מכן הם עדיין אתגר טכנולוגי. Cryostat DNP חדש ^23,24 פותח ונבדק כדי לקבוע הופעות קריוגני שלה ולאחר מכן אופטימיזציה עבור מגניב למטה מהר, הליום להחזיק במשרה וצריכת הליום מינימלית הכוללת במהלך המבצע.

Cryostat מורכב משני חלקים. החלק הראשון של cryostat הוא דיואר הבידוד (איור 2 א) כי ניתן להפריד בערך חלק עליון (א) הזנב, או מרחב המדגם (ב), ואת תא הוואקום החיצוני (OVC) כל זמן תחת גבוה ואקום הדיור מסכי קרינה (ג). החלק השני של cryostat הוא ראשי בבהלבשה (איור 2 ב), להציב לתוך דיואר בידוד, שבו כל התקנות זרימת מנוהלים. ההליום הנוזלי מאגף דיואר האחסון החיצוני דרך קו ההעברה (א), נמצא בשלב הראשון המרוכז ב המפריד (ב), תא ביניים משמש הוא כדי לשמור על החלק העליון של קור cryostat וכדי להסיר את הליום התאדה במהלך ההעברה. הלחץ המפריד הוא הוריד על ידי שאיבה באמצעות נימים (ג) עטופות סביב החלק העליון של cryostat; זרימת הליום קר נימים זה משמשת כדי לצנן את המתסכל (ד) ומסכי קרינת דיואר הבידוד (OVC). המדגם מושם ומקוטבת במרחב המדגם. חלל המדגם מחובר אל מפריד דרך נימים אחרות (ה), עטוף סביב הזנב של כנס cryostat הראשי. נימי זה יכול להיות פתוח או סגור דרך שסתום מחט פעלו באופן ידני מבחוץ.

כדי להשיג את הטמפרטורה הנמוכה שימוש במהלך יח"צ DNPocess, הליום נוזלי צריך להיות שנאספו במרחב מדגם cryostat והלחץ שלה הוריד לטווח mbar. הפעילות דרושה לפעולה cryostat מבוצעת באמצעות מערכת שאיבה מורכבת למדי עם שלושה סטים של משאבות, פיקוח ומופעלים בנקודות שונות עם מכשירים אלקטרוניים ואלקטרו-מכונאי (איור 2 ג). OVC cryostat צריך להישאב אל ואקום גבוה על ידי מערכת השאיבה הראשונה. מערכת זו מורכבת משאבה טורבו-מולקולרית מגובים על ידי משאבה סיבובית (א). ההליום הנוזלי מועבר מן דיואר אחסון (ב) דרך כניסת קו העברת cryostat אל מפריד cryostat. המפריד יש פורקן ומחובר למכשיר השאיבה השנייה. קבוצה זו מורכבת משאבת קרום 35 מ ^'3 / hr (ג). קו זה מאפשר הסרת גז הליום מבושל במהלך ההעברה מן דיואר ובמהלך קירור מפריד. ההליום הנוזלי שנאסף מפריד מכן, ניתן להעביר למרחב המדגם דרך הכובעצינורות illary שתוארו לעיל. כדי להעביר הליום נוזלי מן המפריד למרחב המדגם ובהמשך ללחץ מרחב מדגם נמוך יותר mbar טווח, מערכת שאיבה שלישית המורכב 250 מ ^'3 / שורשים hr משאבה מגובה על ידי המשאבה סיבובית 65 מ ³ / שעה (ד) מחובר cryostat דרך שסתום פרפר ידני (ה).

כל הפעולות במערכת ואקום נשלטים מוסדר על ידי מכשיר מחוייט אלקטרו (f). התקן זה שולט קשרים קו ואקום בין מפריד cryostat (ז) ו- מדגם החלל (ח) שקעים, מערכות שאיבה שנייה / שלישית (ג, ד), בקבוק הליום דחוס (i) וגם מבחוץ. תקשורת בין (ו) ו- מבחוץ עוברת דרך שסתום חד כיווני (j). מכשיר אלקטרו פנאומטי (ו) כמו גם את כל הפרמטרים של המערכת ואת חומרת הפירוק נשלטים ומופעלים על ידי USB ממשק מכשיר האלקטרוני מחוייט עם מחשב משותף. לבסוף כל המערכת, הדרך האלקטרוניתמכשיר, מנוהל באמצעות תוכנה עצמאית מחוייט (איור 2 ד) שבו פעילות רלוונטית משוגרות באמצעות ממשק משתמש כפתורי תוכנה.

כדי לנהל את המדגם ולמדוד תמ"ג אות הצטברות של מצב מוצק סדרה של מוסיף משמשים (איור 3 א). כדי להכין את cryostat עבור קיטוב, למקם את כנס המדגם העיקרי (א), לתוך cryostat. את כנס המדגם העיקרי מסופק עם סליל NMR (ב) ממוקם בתוך חלל מיקרוגל מצופה זהב overmoded. בהקפאה טרום המצע המכיל הפתרון להיות מקוטב (פתרון מקטב) בטמפרטורת חנקן נוזלי במיכל מדגם מתאים ולמקם אותו בתחתית סוף בעל מדגם פיברגלס (ג). החלק את מחזיק המדגם לתוך כנס המדגם העיקרי להגיע isocenter המגנט. הכנס את מוליך גל מצופה זהב (ד) ב בעל מדגם. מוליך גל מאפשר במיקרוגל שנוצר ממקור מיקרוגל חיצוני לנסוע עם t הפסדים מינימלייםo המדגם.

התוכנה מחוייט לניהול cryostat מטפל באופן אוטומטי, לאחר שלחצתי על כפתור ממשק המתאים, פעולות שונות כמו cooldown (הטמפרטורה cryostat הוא הוריד קרוב לטמפרטורת הליום נוזלי), מילוי (את cryostat מתמלא הליום נוזלי לרמה שנקבעה מראש ), צעד נוסף של קירור 1 K ≈ T (באמבטית הליום הנוזלת נשאבת כדי להשיג את הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית), שמירת לחץ קבוע (את cryostat בלחץ מעט מעל לחץ בחדר ב- P = 10-30 mbar לאפשר פתיחת cryostat ללא סיכונים זיהום של cryostat בדרך אוויר) והתפרקות (הליך אוטומטי לפזר מדגם DNP ולהעביר פתרון hyperpolarized וכתוצאה לאתר המדידה, כלומר, ספקטרומטר התמ"ג).

הקיטוב מתבצע irradiating המדגם עם מיקרוגל ב 94 GHz (בשדה מקטב B ₀ = 3.35 T). מדגם נחשב מקוטב לחלוטין לאחר 3 T _DNP, שבו T _DNP הפעם הצטברות קיטוב. T _DNP הוא מאותו סדר הגודל כמו זמן הרגיעה האורך של גרעיני יעד המצב מוצק בשדה הנתון והטמפרטורה. בכל הניסויים שלנו המדגם היה מקוטב במשך יותר מ 5 T _DNP.

בסוף הזמן הקיטוב, המדגם צריך להיות מומסים בתמיסה RT כדי לשמש למדידת הפעילות האנזימטית. במהלך תהליך פירוק, 5 מ"ל של שחון D _{2 O} מן הדוד של הכנס פירוק (איור 3B) נדחפים על ידי גז הליום דחוס (P = 6-8 בר) להגיע המדגם DNP-משופרת לפזר אותו. פתרון hyperpolarized וכתוצאה מכך נדחף החוצה את כנס הפירוק על ידי גז הליום הדחוס, דרך השקע הכנס פירוק (איור 3 ג-ב ), צינור העברת טפלון בקוטר פנימי 2 מ"מ. משך הזמן הנדרש לתהליך הפירוק הוא 300 אלפיות שני. ²³ הזמן הנדרש להעברת המדגם המקטב DNP לאתר ספקטרומטר התמ"ג הוא כ -3 שניות.

תהליך הפירוק מתבצע באמצעות הוספה של פירוק (איור 3 ב). את כנס הפירוק מורכב של הרכבה אלקטרונית-פנאומטי (א), מקל סיבי פחמן (ב) המכיל צינורות חיבור בין הדוד באסיפת פנאומטי ואת ההלבשה מיכל המדגם (ג), אשר מאפשר צימוד דליפה חזקה עם מדגם מיכל, ובחזרה אל השקע. הרכבת אלקטרו פנאומטי (איור 3 ג) משמשת לייצור ולנסוע שחון D _{2 O} באמצעות מקל סיבי פחמן למכל המדגם ולאחר מכן לחלץ את פתרון hyperpolarized מן cryostat. הרכבת אלקטרו פנאומטי מורכבת שסתומי פנאומטיים (א) השולטים קשרים בין השיתוףהליום mpressed (P = 6-8 בר) קו (ב), את הדוד (ג) שבו D _{2 O} מוזרק דרך שסתום (ד), ולשקע (ה) באמצעות המקל סיבי פחמן (f). המערכת תושלם על ידי G לחץ, מדחום ואת חוט התנגדות חימום בדוד (ג), טריגר (ח) וקופסא חיבור (i) המשמשת ממשק המערכת עם בהתקן ניהול האלקטרוני.

Cryostat DNP ואת ספקטרומטר תמ"ג מחוברים באמצעות קו ההעברה, כלומר, צינור PTFE של 2 מ"מ קוטר פנימי בתוך כשהפתרון hyperpolarized נדחף על ידי הליום דחוס (P = 6-8 בר) כאשר פירוק מופעלת.

רצף פירוק מורכב את הפעולות הבאות: ב -300 אלפיות השניה הראשונה, שחון D _{2 O} נדחקת מיכל מדגם כדי להמיס להמיס הפתרון קפוא hyperpolarized. לאחר מכן, הפתרון hyperpolarized מופק cryostat ידי מתכוון של פרהsurized (P = 6-8 בר) גז הליום ודחף דרך הצינור PTFE בקוטר 2 מ"מ פנימי (איור 3 ג-ה) לאתר המדידה שבו ההזרקה מבוצעת עם באחד הליכים מתוארים שלב 6.2.1 או שלב 6.2 .2.

המרכיב השני של התקנת פירוק DNP NMR הוא ספקטרומטר התמ"ג. ב ההתקנה כפי שיתואר בהמשך, ספקטרומטר תמ"ג פועל בשדה B ₀ = 11.7 טסלה. בדיקת NMR 5 מ"מ משמש כדי למדוד את אות hyperpolarized לאחר פירוק. ספקטרומטר תמ"ג מופעל באמצעות קונסולת NMR, המשמש הן מצב מוצק ונוזל-המדינה מדידות תמ"ג, ואת XWinNMR תוכנה המסופקת על המשרד. מדידה טיפוסית מורכבת דופק קשה זווית נמוכה להעיף (מכויל או עבור liquidstate או בלתי מכויל, למדידות מצב מוצק) ואחריו רכישות האות.

מדידות של אות קיטוב תרמית המצב מוצקי נגזרות DNP סיהצטברות gnal מבוצעות באמצעות סליל מחוייט ¹³ C באתר של מקטב DNP (איור 3Ab) מצמידים את ספקטרומטר תמ"ג. במצב מסוים הזה ספקטרומטר התמ"ג אינו מבצע נעילת אות. כאשר מדידות מצב מוצק מתבצעים, כדי למנוע הפרעות משמעותיות לקיטוב, השהיית הזמן בין הרכישות צריכה להיות ארוכה מספיק, בערך עוד מ -0.5 T _DNP.

השיפור במצב מוצק מוגדר אֵיפֹה הוא אות hyperpolarized (שהושג בשלב 3.3) ו הוא האות של מצב מוצק (שהושג בשיווי משקל תרמי בטמפרטורת הליום נוזלי נשאבים פנימה שלב 3.2) (איור 4 א). ד פרמטר זהefines הקיטוב המקסימאלי זמין עבור ניסויי NMR, לפני הפסדים בלתי נמנעים במהלך ההעברה של פתרון hyperpolarized. המדידה מתבצעת עם רצף דופק לרכוש פשוט באמצעות דופק זווית להעיף נמוך un-מכויל. כיול Pulse הוא דילג נפוץ למדידות solidstate.

הליך מקביל ניתן להשתמש כדי לקבוע את שיפור אות hyperpolarized ב-במצב נוזלי. במקרה זה, המדגם להציב צינור ספקטרומטר לפני הזריקה (שלב 6.2) מורכב 500 μl של D _{2 O.} לאחר פירוק ואת הזריקה, ישנם שני פרמטרים חשובים כדי לפקח. הראשון הוא שיפור hyperpolarized באתר ספקטרומטר תמ"ג, (איור 4B), שם הוא אות רק לאחר הזרקה של Hyper פתרון מקוטב (שהושג בשלב 7.1) ו הוא אות קיטוב התרמי (שהושג בשלב 7.2). השני הוא זמן הרגיעה האורך, ₁ T (איור 4 ב ', הבלעה), הקשורים המצע וכל מוצר מטבולית (מתקבל על ידי אותות הולמים מעריכים שהושגו בשלב 7.1). שני פרמטרים אלה מגדירים את ריכוז המצע המינימלי הדרוש כדי לקבל יחס אות לרעש מספיק (SNR) ואת חלון הזמן הפנוי מדידת תמורות מטבולית. היחס בין קיטוב מצב המוצק ואת הקיטוב liquidstate נותן אומדן הפסדי הקיטוב בשל הרפיה במהלך העברת פתרון hyperpolarized. ערךation12 "src =" / files / ftp_upload / 53,548 / 53548equation12.jpg "width =" 80 "/> יש לשים לב בהיעדרו של הפסדים הרפיה.

הערה: כל ניתוח הנתונים בוצע באמצעות תוכנה מסחרית.

1. מכין את הפתרון המקטב

1. כן 2 מיליליטר של פירובט נתרן 1.12 M ¹³ שכותרתו C (Na ⁺ [CH ₃ -CO- ¹³ COO] ^-, מצע) פתרון מסומם עם 33 מ"מ של TEMPOL הרדיקלי (4-הידרוקסי-2,2,6,6- tetramethylpiperidin-1-oxyl, סוכן מקטב) ⁴ ב 2: 1 D _{2 O} / D ₆ -ethanol עבור ¹³ תצפיות C. זהירות: הוראות טיפול יש לנקוט בשל אופי הדליק של -ethanol ד _6.
2. ודא כי ריכוז קיצוני הוא אופטימלי מבחינת הקיטוב מושגת.
   1. שנה את ריכוז קיצוני מעט של הפתרון בשלב 1.1 (למשל, 30 מ"מ או 35 מ"מ).
   2. לקבוע באופן איטרטיבי שיפור מצב מוצק (ראה שלב 3) ולמצוא את הריכוז הקיצוני שמוביל שיפור מקסימלית.

2. Polarizatיוֹן

1. מנמיכים את הטמפרטורה cryostat DNP בהליך cooldown. לחצו על כפתור ה "הרגעות" על ממשק תוכנה cryostat (איור 2 ד).
2. אסוף הליום נוזלי ב cryostat DNP בהליך מילוי. לחצו על כפתור 'מילוי' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).
3. מניחים 300 μl של פתרון מקטב אופטימיזציה משלב 1.1 במיכל מדגם מסופק עם מקטב DNP. להקפיא את מיכל המדגם עם מדגם בתוך ידי טבילה אותו בעדינות באמבט חנקן נוזלי.
4. לחסל את החנקן הנוזלי שעשוי להיות נוכח בתוך המכל מדגם לאחר הליך ההקפאה (שלב 2.3) על ידי שאיבת המכל מדגם מאמבטית החנקן הנוזלית והסיבוב אותו ההפוך.
   הערה: שלב זה הוא חיוני כדי לקבל פירוק יסודי של המדגם (ראה שלב 5).
5. הכנס את המדגם לתוך cryostat.
   הערה: זה StEP, מורכב המשנה בשלב הבא, חייב להתבצע במהירות (כלומר, תוך פחות מ 10-20 שניות) כדי למנוע את דוגמא ההיתוך.
   1. הכנס את מיכל מדגם בעל מדגם. הכנס את בעל המדגם של כנס cryostat הראשי. הכנס את מוליך גל מיקרוגל של בעל המדגם.
6. מנמיכים את הטמפרטורה cryostat ידי שתתחיל בהליך קירור 1 K. לחצו על כפתור 'קירור 1K' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).
7. סובב את מקור המיקרוגל ועוד מקרין את המדגם. לחצו על כפתור 'MW-ON' על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד).

3. מדידות מצב מוצק תמ"ג

1. נתק את הכבל הקואקסיאלי של ערוץ זיהוי קונסולת NMR מן סליל ספקטרומטר ידי סיבוב נגד כיוון השעון מחבר ידי 90 ° ומשיכתו. חבר את הכבל הקואקסיאלי של ערוץ זיהוי למחבר קואקסיאליים של cryostatסליל NMR. כנס מחבר הזכר של כבל מסוף תמ"ג המחבר נקבה של סליל NMR cryostat, בשים לב סיכת האורינטציה; ולחץ בחוזקה וסובב את השעון מחבר ידי 90 °.
2. מדוד את אות תמ"ג תרמית מצב מוצק באתר cryostat באמצעות רצף הדופק לרכוש פשוטה עם פולסים להעיף זווית נמוכה un-מכויל חזר בהפרש של דקות T = 5. לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על מקש המקלדת 'Enter'. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.
3. מדוד את אות התמ"ג המשופרת DNP. ניתוחים חוזרים של צעד 3.2 לאחר התחלת תהליך DNP כמתואר בסעיף 2.
4. נתק את כבל קואקסיאלי ערוץ זיהוי קונסולת NMR מן סליל NMR cryostat ידי סיבוב נגד כיוון השעון מחבר ידי 90 ° ומשיכתו. חבר את הכבל הקואקסיאלי של Deteערוץ ction למחבר קואקסיאליים של סליל ספקטרומטר. כנס מחבר הזכר של כבל מסוף תמ"ג המחבר נקבה של סליל ספקטרומטר, בשים לב סיכת האורינטציה; ולחץ בחוזקה וסובב את השעון מחבר ידי 90 °.

4. מטב את ההומוגניות של שדה המגנט הראשי ( 'shimming')

1. מניחים את ספקטרומטר צינור המכיל 500 μl של תערובת מיוצר בניסויים קודמים (כלומר, לאחר שלב 6.2).
2. בצע shimming ספקטרומטר תמ"ג ידי שינוי הזרם הסליל שיפוע shimming מחפש את המקסימום "לנעול" אות של דאוטריום. בחר את סליל shimming הרלוונטי על ידי לחיצה על הכפתור המתאים על קונסולת NMR.
   1. סובב את הידית על קונסולת התמ"ג כדי לקבוע את הכיוון הסיבוב המגביר את אות המנעול. המשך לסובב עד האות מגיע לשיא. בחר אחר סליל shimming וחזור על האו"ם מקסוםtil מקסימום מקומי לכלל סלילי shimming נמצא. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוספים. בסוף, להסיר את המדגם המשמש נעילה.

5. פירוק

1. הכנס 5 מ"ל של D _{2 O} בדוד הכנס פירוק. לחצים ולחמם את D _{2 O} באמצעות חוט התנגדות עד להשגת 180-200 מעלות צלזיוס ≈ T. לחץ על כפתור ה "כן המחמם 'על ממשק תוכנת cryostat (איור 2 ד).
2. לאחר השלמת הליך הקיטוב מדגם (למשל, לאחר 3 T _DNP), לחצים על cryostat מעט מעל הלחץ בחדר. לחצו על כפתור ה "SS תפעול 'על ממשק התוכנה cryostat (איור 2 ד). הסר את מדריך מיקרוגל מן הכנס פירוק.
3. חלק את כנס הפירוק (איור 3B) למטה לתוך מחזיק המדגם (איור 3 א-ג). את הכנס פירוק יש להגיע לתחתית של בעל המדגם חייב להיות דחף בחוזקה כדי ליצור חיבור leaktight עם מיכל מדגם על מנת למנוע D _{2 O} דולף ב cryostat.
4. לחץ על הדק החומרה (איור 3 ג-ח) כדי להתחיל את רצף הפירוק, רצף מתוזמן מראש של פעולות שסתומי פנאומטיים.

6. הזרקה

1. לפני פירוק במקום צינור NMR 5 מ"מ, המכיל 500 מדגם μl (למשל, D _{2 O} עבור המדידה בתמיסה שלב 7 או LDH משלב 8 למדידות הפעילות האנזימטית בשלב 9), ב isocenter של ספקטרומטר 11.74 T NMR (ראה שלב 4).
2. רק לאחר פירוק (שלב 5), לערבב 500 μl של פתרון hyperpolarized עם המדגם להציב ספקטרומטר תמ"ג שלב 6.1.
   1. הזרקה ידנית: לאסוף את hyperpolarizedפתרון בסוף צינור העברה ארוכה 2.5 מ בכוס זכוכית להציב קרוב מגנט ספקטרומטר התמ"ג. באופן ידני להזריק 500 μl של פתרון hyperpolarized בצינור מדגם NMR באמצעות מערכת נימי בהתאמה אישית.
   2. הזרקה אוטומטית: לפני תהליך הפירוק, לחבר את העברת הצינור להתקן הזרקה אוטומטית בהתאמה אישית שמפריד פתרון hyperpolarized מגז הליום המשמש להעברה. המכשיר מספק אוטומטית 500 μl של פתרון hyperpolarized לתוך הצינור המדגם.

7. מדידת NMR נוזלית-מדינה

1. לאחר פירוק, למדוד את אות hyperpolarized NMR מן המדגם ב ספקטרומטר על ידי סדרה של 10 ° רצפים-לרכוש דופק זווית להעיף במרווחים על ידי 1.5 שניות לבצע את ההתקדמות של המגנטיזציה של מצע (א) לבין מוצר (B). לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על & #39; מקש Enter במקלדת. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.
2. לאחר המגנטיזציה הוא רגוע לחלוטין (כלומר, לאחר T = 10 T _1), למדוד את אות תמ"ג תרמית על ידי סדרה של 90 מעלות זווית להעיף הדופק לרכוש רצפים במרווחים על ידי T = 3 T ₁ ≈ 3 דקות. לאחר הגדרת מדידה, לכתוב בשורת הפקודה של התוכנה 'ZG' ולחץ על מקש המקלדת 'Enter'. עיין במדריך תפעול ספקטרומטר תמ"ג לפרטים נוסף על מבצע ספקטרומטר והתקנת מדידה.

הכנת 8. דוגמאות אנזימים המכילים (ספציפית עבור טרנספורמציה פירובט אל לקטט)

1. הכן את החיץ תגובה עם המתכון הבא: 50 מ"מ מופחת dinucleotide אדנין nicotinamide (NADH), 1 מ"מ חומצה אתילן-diaminetetraacetic (EDTA), 0.1 מ"מ dithiothreitol (DTT) ב 0.1 M חיץ פוספט, pH =7.0.
2. כן פתרון LDH ארנב שריר 1 U / ml מוכן טרי חיץ תגובה עם 20 מיקרוגרם / מיליליטר אלבומין בסרום שור, BSA.
3. מערבבים 478 חיץ התגובה μl (שלב 8.1), 20 μl D _{2 O} כדי לאפשר ייצוב שדה ספקטרומטר ( "נעילה") ו -2 μl פתרון LDH (שלב 7.2).
4. מניחים את נפח פתרון 500 μl מוכן בשלב 8.3 לתוך צינור NMR 5 מ"מ ומקם את הצינור לתוך ספקטרומטר תמ"ג 500 MHz.

9. קצב התגובה האנזימטית להשלים הליך מדידה

1. הכן את המדגם המקטב (שלב 1) ומקצינות זה (שלב 2).
2. בצע shimming על ספקטרומטר (שלב 4) ולהכין מדגם אנזימטי (שלב 8).
3. בצע את הפירוק (שלב 5) ואת הזריקה (שלב 6).
4. מדוד סדרה של אותות מן המדגם hyperpolarized עם 10 מעלות רכישות פולסים זווית להעיף במרווחים על ידי 1.5 שניות (שלב 7). שלב זה מאפשר מדידת hyperpolarizedריקבון אות ואת הצטברות האות של מטבוליטים.

התאמה 10.

1. עבור כל קשת רכשה בשלב 9.4, לזהות את פסגות המתאימים למצע (א) לבין מוצר (B) בהתאמה ולשלב אותם (לקבוע את האזור של פסגות). אינטגרלים פסגות לתת אותות כמובן המגנטיזציה זמן (M _{(A, B)} (t), ראו משוואה 2).
2. השימוש בפתרון של המשוואה (2), לקבוע את הערך של F = (R _{A + K EFF} מ) בכושר מעריכים פשוט של אות המצע משולב שלב 10.1.
3. בעזרת ערך F = _(EFF R _{A + K} 10.2 נקבע) בשלב, לקבוע _EFF k ו- R _{B מ} בהתקף של _B M אות המוצר (t) עם הפונקציה מתקבל על ידי שילוב המשוואה (2). ראה גם סעיף נציג תוצאות (Enzymatic פעילות ומדידות מטבולית) לפרטים על דוגמנות תגובה, ראוי ולא rf התיקון.

רווחי אות תמ"ג באמצעות DNP פירוק
השפעת DNP מורכבת בהעברת הקיטוב הגבוה של ספיני אלקטרונים מזווגים, בדרך כלל ממולקולות רדיקליות יציבות, כדי גרעיני NMR-פעילים, תחת קרינת מיקרוגל של מדגם. רדיקלים חופשיים בדרך כלל בשימוש הם TAM (OXO63) ו TEMPOL. ⁴ נהלים קיטוב באמצעות TEMPOL יכול להיות מותאם על ידי 'חוצה-הקיטוב'. ²⁵

אופטימיזציה של הריכוז הקיצוני יציב על מנת להשיג את הקיטוב הגרעיני המרבי של המצב המוצק היא קריטי להצלחת הטכניקה. ריכוז TEMPOL האופטימלי נמצא 33 מ"מ תנאי ניסוי של מחקר זה. הקיטוב זה של המצע הנבחר מספיק כדי לעקוב אחרי ההמרה האנזימטית שלו בזמן האמת.

השדה המגנטי של polariזר מותקן פריז דקארט הוא B ₀ = 3.35 T ואת הרכיבים של מערכת זו תוארו לעיל (איורים 1 - 3). עיצוב cryostat מבטיח כי עמדת המדגם הסופי עולה בקנה אחד עם isocenter המגנט. השדה המגנטי של המקטב היה ramped ו ונוקד באמצעות סלילי פחית superconductive בלבד, עם cryostat במקום. השורה ברוחב פרוטון הסופי של דגימת מים 1 x 0.5 x 0.5 ס"מ היה 23 KHz. החוקרים העריכו ו עבור [1 ¹³ C] פירובט. לשם כך, יש צורך קודם כדי לקבוע את ¹³ C DNP-משופרת אות במצב מוצק באתר המקטב לפני (איור 4 א) הפירוק. לאחר פירוק, מדדנו את [1-13 C] אות hyperpolarized פירובט והריקבון שלה באתר ספקטרומטר. האות במצב הנוזלית נמדדה על להשלת בדיקה באמצעות 500 μl של D _{2 O} כמו לדוגמה ב ספקטרומטר התמ"ג. זה מאפשר לנו לקבוע את שיפור DNP מצב המוצק (איור 4 ב ', הבלעה), רמת קיטוב נוזלי מדינת NMR (איור 4 ב) ואת הפסדי הקיטוב במהלך העברה. היחס בין האותות נמדד שלב 3.3 ו שלב 3.2 להגדיר את שיפור המצב המוצק, . היחס בין האות הראשונה נמדד שלב 7.1 ואת האות משלב 7.2 מגדיר את שיפור hyperpolarized-במצב נוזלי, .

נתונים משלב 3, summarized באיור 4 א ו איור 4 א (הבלעה), מראים כי הטכניקה מאפשרת לקטב ¹³ צלזיוס [1- ¹³ C] פירובט עד = 22 ± 5, מתאימים קיטוב ¹³ C = 1.5 ± 0.3%.

רמת הקיטוב זה היא יותר מאלף פעמי קיטוב פחמן התרמית בתנאי MRS משותפים (למשל, 11.74 T ו -300 K). מנתוני שלב 7, סיכם באיור 4B ואיור 4B (הבלעה), לאפשר קביעת hyperpolarization ¹³ C-במצב נוזלי של [1- ¹³ C] פירובט, = 1 ± 0.2%. השיפור שהושג במצב מוצק עבור פירובט היהמספיק לצורך הניסוי, למרות שיפורים גבוהים הוכחו באמצעות רדיקלים שונים. ⁵ השעה נתונים כמובן עונה משלב 7.1 נותנת מידה של קבוע זמן הרפיה. השעה הרפיה האורך פירובט בתערובת המורכבת 500 פתרון μl DNP משופרת 500 μl D _{2 O,} היה T ₁ = 75 ± 5 שניות לאחר תיקון RF (ראו משוואה (3)).

הפעילות האנזימטית ומדידות מטבולית
זיהוי פירוק DNP תמ"ג של ¹³ מצע C שכותרתו (א) ניתן להשתמש כדי לעקוב אחרי בדינמיקת מרה האנזימטית בזמן אמת ולבחון את ההיווצרות של מוצר (B):

מיד לאחר ההזרקה של המצע hyperpolarized (א),האות של המוצר (B) היא null. ואז, המרה אנזימטית (1) מתחיל לייצר (B). המגנטיזציה של ¹³ גרעיני C אינה מושפעת על ידי המשמרות הכימיות השונות והשינוי הכימי של המולקולות. עם זאת, הסביבה החדשה עשויים להוביל לשיעורי הרפית אורך שונה עבור ¹³ C ב B. קורס אות זמן מוצר ניתן להפריד איכותי בשלושה שלבים: בהתחלה, המרה אנזימטית הפיכה לתוך B מייצרת גידול אות B; לאחר פרק זמן מסוים, תלוי תנאי הניסוי, ההפסדים המגנטיזציה בשל הרפיה, לאזן עלייה זו ואת האות של B הוא מגיע לשיא; סוף סוף, לפעמים יותר, אות של B דועך בשל הרפיה אורכת. ב ההשערה של רווית אנזים, מזניח בחזרה מרה תוך לקיחת הרפיה מגנט חשבון, המגנטיזציה של שני המינים המולקולריים (A ו- B) במהלך ההמרה האנזימטית יכולה להיות מתוארת על ידי couמערכת משוואות דיפרנציאליות הודתה: ²²

כאשר M _{(A, B)} (t) הם magnetizations של מינים המולקולריים A ו- B, בהתאמה, _EFF k הוא קבוע יחס ההמרה היעיל להעברת אות על ידי התגובה האנזימטית ו- R _{(A, B)} הוא קבוע הקצב הרפיה האורך לכאורה של גרעיני התצפית של המינים המולקולריים ו- B, בהתאמה R _{(A, B)} חשבון הוא עבור ההרפיה המגנטיזציה האורכת הטהורה והשפעת פועם rf.:

שם T _{1, (A, B)} הוא הרפיה האורךקבוע זמן של גרעין בסביבה המולקולרית המקומית של מינים מולקולריים ו- B, בהתאמה. θ ו τ הוא זווית rf להעיף והעיכוב בין שתי רכישות אות, בהתאמה.

במחקר זה, מצע B המוצר היו [1- ¹³ C] pyruvate ו [1- ¹³ C] לקטט, בהתאמה, ואת המטרה הייתה למדוד [1- ¹³ C] ייצור חומצת החלב על ידי LDH בתנאים בהם אין (isotopically לקטט נטולות-תווית) נכח הפתרון בתחילת הניסוי. המדידה מורכבת בסדרה של ספקטרום ¹³ C רשמה עם רצף pulseacquire פשוט ב- T = 21 ° C. דופק זווית מכויל 10 ° להעיף שמש את הריגושים הרציפים (שלב 9). העיכוב בין שני פולסים רצופים היו τ = 1.5 שניות. רצף רכישת NMR החל כמה עשרות שניות לפני solut hyperpolarizedהזרקת יון. ריכוז המצע פירובט בצינור מדגם לאחר ההזרקה היה 25-35 מ"מ. בשלב 10 לקטט מהירות המרת פירובט לעבר ריכוז LDH של ¹⁰ -3 U / ml נמדד. האות רשמה חומצת חלב ו פירובט בכושר טוב המודל במשוואה (2) (הקו המקווקו באיור 5) תשואה _EFF k = 0.9 ± 0.1 x ¹⁰ -3 שניות ^-1 (איור 5). ערך זה מסכים עם קצב התגובה הראשונית נקבע על ידי היחס [Lac] / [Pyr] בזמן 0 שניות (איור 5, הבלעה).

איור 1. שרטוטים של מנגנון הניסוי. מקטב (משמאל) מורכב חלל מיקרוגל (ג) ממוקם בתוך cryostat (ד) להציב לתוך רחב נשא מגנט מוליך 3.35 T. סליל NMR מחוייט (ב) שמסביב tהוא לדגום (א) משמש לניטור קיטוב הספין הגרעיני באתרו. הטמפרטורה באמבטיה הליום נשמר 1.12 ± 0.03 K תוך המדגם הוא מוקרן על _mw ν תדר מיקרוגל = 94 גיגה-הרץ. המערכת מאפשרת מדידה NMR להתבצע על מדגם של מצב מוצק במהלך הקיטוב. המדגם המקוטב הוא מומס שחון מים ודחף בגז הליום דחוס דרך הקו העביר לתוך הצינור מדגם להציב בעבר בתוך ספקטרומטר תמ"ג סמוך (מימין). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

שרטוטי איור 2. cryostat ומערכת ואקום. (א) דיואר בידוד cryostat; (ב) לבכות ostat הכנס המרכזי; (C) וחיבורי מערכת ואקום; (ד) צילום מסך של ממשק תוכנה לניהול עם הלחצנים המשמשים לביצוע פעולות ספציפיים מתוארות שלב 2 ושלב 5 של סעיף הפרוטוקול. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. טיפול מדגם והתמוססות. (א) טיפול מדגם מוסיף; (ב) הוספת פירוק; (ג) פרט קשרי אלקטרו פנאומטי של כנס פירוק. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. פעילות LDH ותוצאות מטבוליזם תאי סרטן. הצטברות של [1- ¹³ C] אות לקטט בשל enzymaמרת טיק בריכוז LDH של ¹⁰ -3 U / ml ואחריו ריקבון אות בשל הרפיה אורכת של ¹³ המגנטיזציה C. הקו האדום מראה את ההתאמה עם למודל שתואר במשוואה (2), הכולל את ההשפעות של רגיעה והמרה האנזימטית. (הבלעה) היחס בין [1- ¹³ C] לקטט ו [1 ^-13 C] ריכוז פירובט עם אקסטרפולציה של מהירות התגובה בזמן t = 0 (קו אדום). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

את הנקודות קריטיות של ניסוי פירוק DNP התמ"ג הם: (i) רמת הקיטוב מושגת עבור המצע, אשר קובע את ריכוז המוצר הנמוך ביותר הדרושה עבור ניסויים כמו גם מספר רכישות אות שניתן לבצע וכן (ii) את תקופות חיים המגנטיזציה, לעומת משך ההעברה בין הקיטוב ואת אתרי איתור לשיעור שינוי מצע. מערכת ההזרקה של התקנת DNP הפירוק המתוארים כאן מאפשרת העברת מדגם קטן כמו 3-4 שניות. למרות ההעברה לא הייתה מהירה כמו השיטה המוצעת על ידי ס בואן ו ג Hilty, ²⁶ פסדי קיטוב עבור פירובט הוגבלו בשל ההרפיה האורך המתונה בתחום הנמוך. [1 ¹³ C] פירובט, עם T ₁ גרעיני קרבוקסיליות הארוכה שלה, מאפשר מדידת השטף דרך LDH בריכוזים נמוכים כמו ¹⁰ -3 U / ml.

אות לרעש גבוה מתקבל יחס באמצעות פירוק DNP עולה כי אחד שעלול להיות רגיש אפילו נמוכה [1- ¹³ C] ריכוזי פירובט, ושיעורי מרת האנזימטית נמוכים. רמת הקיטוב המושגת מקנה יותר מ -200 ניסויים עם יחס אות לרעש משמעותי להירכש ב ספקטרומטר תמ"ג נוזלי המדינה באמצעות α זווית נמוך להעיף = 10 °. זה מותיר מקום אופטימיזציה הן מבחינת פעמים חזרה וזוויות להעיף. עבור הצטברות של הקיטוב של מצב מוצק מולקולות כמה לקטב גם עם כמה סוכנים מקטב (TEMPO, OXO63) ⁴ ואחרים לא, מסיבות שאינן עדיין לא ברור לגמרי. ניסויים ניסיוני הם הדרך היחידה לקבוע אם הצעד הקיטוב הוא מוצלח. כדי לשפר את רמת הקיטוב, אפשר לחקור את שימוש מינים רדיקליים שונים ^{4 ואת} היישום של טכניקות שונות להסתמך על '-קיטוב חוצה'. ²⁵

הניסוי DNP-תמ"ג המתואר כאן מותאם למדידת מטבוליזם פירובט בתאים סרטניים. ⁶ המדידה בזמן אמת של פעילות אנזימטית על ידי התמ"ג DNP פירוק משופר יכול לעזור המאמצים הנוכחיים באבחון סרטן באמצעות MRI DNP-משופרת, כבר בשימוש מרפאה. ¹² סגוליות המולקולריות של תמ"ג DNP-משופר עושה את זה שיטת בחירה להבחנה בין מטרות מולקולריות ואת המוצרים של טרנספורמציות שלהם. שיפורים עתידיים יתמקדו בהערכת קליעים נותבים מולקולריים אחרים עבור מטבולית טרנספורמציות ³⁰ רגישים להיות רלוונטי לאבחון MRI, כמו גם על קבלת חלונות זמן תצפית ממושכת.

החוקרים מצהירים כי הם לא היו מתחרים אינטרסים כלכליים

המחברים מודים ד"ר ג'יי ג'יי ואן דר קלינק על הסיוע בבחירת והרכבה של ציוד, כמו גם ד"ר פ Kateb וד"ר ג Bertho לדיונים מועילים. AC נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע השויצרי (להעניק PPOOP2_157547). אנו מכירים מימון מפריז הסורבון סיטה (NMR @ Com, Analytics DIM, Ville de Paris, מגט de la משוכלל ונדיר Medicale (FRM ING20130526708), ואת Parteneriat הוברט Curien ברנקוזי 32662QK. הצוות שלנו הוא חלק תוכניות Equipex פריז-אן-תהודה ו CACSICE.