Hiperpolarización (física) - Hyperpolarization (physics)

La hiperpolarización es la polarización del espín nuclear de un material en un campo magnético mucho más allá de las condiciones de equilibrio térmico determinadas por la distribución de Boltzmann . Se puede aplicar a gases como ¹²⁹ Xe y ³ He , y moléculas pequeñas donde los niveles de polarización se pueden mejorar en un factor de 10 ⁴ -10 ^{5 por} encima de los niveles de equilibrio térmico. Los gases nobles hiperpolarizados se utilizan normalmente en la formación de imágenes por resonancia magnética (IRM) de los pulmones. Las moléculas pequeñas hiperpolarizadas se utilizan típicamente para la formación de imágenes metabólicas in vivo . Por ejemplo, se puede inyectar un metabolito hiperpolarizado en animales o pacientes y se puede rastrear la conversión metabólica en tiempo real. Otras aplicaciones incluyen la determinación de la función de las estructuras de espín de neutrones mediante la dispersión de electrones polarizados de un objetivo muy polarizado ( ³ He), estudios de interacción de superficies y experimentos de polarización de neutrones.

Bombeo óptico de intercambio de espín

Introducción

El bombeo óptico de intercambio de espines (SEOP) es una de las varias técnicas de hiperpolarización que se describen en esta página. Esta técnica se especializa en la creación de gases nobles hiperpolarizados (HP), como el ³ He, el ¹²⁹ Xe y ​​el cuadrupolar ¹³¹ Xe, ⁸³ Kr y ²¹ Ne. Se requieren gases nobles porque la SEOP se realiza en fase gaseosa, son químicamente inertes, no reactivos, químicamente estables con respecto a los metales alcalinos y su T ₁ es lo suficientemente largo para acumular polarización. Los gases nobles de centrifugado 1/2 cumplen con todos estos requisitos, y los gases nobles de centrifugado 3/2 lo hacen hasta cierto punto, aunque algunos gases nobles de centrifugado 3/2 no tienen suficiente T ₁ . Cada uno de estos gases nobles tiene su propia aplicación específica, como caracterizar el espacio y el tejido pulmonar a través de imágenes moleculares in vivo e imágenes funcionales de los pulmones, para estudiar los cambios en el metabolismo de células sanas frente a las cancerosas, o utilizar como objetivos para experimentos de física nuclear. Durante este proceso, se utiliza luz láser infrarroja polarizada circularmente , sintonizada a la longitud de onda apropiada, para excitar electrones en un metal alcalino , como cesio o rubidio, dentro de un recipiente de vidrio sellado. La luz infrarroja es necesaria porque contiene las longitudes de onda necesarias para excitar los electrones de metales alcalinos, aunque la longitud de onda necesaria para excitar los electrones de sodio está por debajo de esta región (Tabla 1).

El momento angular se transfiere de los electrones de metales alcalinos a los núcleos de los gases nobles a través de colisiones. El nitrógeno se utiliza como gas de extinción, que evita la fluorescencia del metal alcalino polarizado, lo que conduciría a la despolarización del gas noble. Si la fluorescencia no se apagó, la luz emitida durante la relajación se polarizaría aleatoriamente, trabajando contra la luz láser polarizada circularmente. Si bien se utilizan diferentes tamaños de recipientes de vidrio (también llamados celdas) y, por lo tanto, diferentes presiones, según la aplicación, un amagat de presión total de gas noble y nitrógeno es suficiente para SEOP y se necesita 0.1 amagat de densidad de nitrógeno para apagar la fluorescencia. Las grandes mejoras en la tecnología de hiperpolarización ¹²⁹ Xe han alcanzado un nivel> 50% a velocidades de flujo de 1 a 2 l / min, lo que permite aplicaciones clínicas en humanos.

Historia

El descubrimiento de SEOP tomó décadas para que todas las piezas encajaran en su lugar para crear una técnica completa. Primero, en 1897, los estudios de Zeeman sobre el vapor de sodio condujeron al primer resultado del bombeo óptico . La siguiente pieza se encontró en 1950 cuando Kastler determinó un método para polarizar electrónicamente el vapor de rubidio de metal alcalino utilizando un campo magnético aplicado e iluminando el vapor con luz resonante polarizada circularmente. Diez años más tarde, Marie-Anne Bouchiat , TM Carver y CM Varnum realizaron un intercambio de espín , en el que la polarización del espín electrónico se transfirió a espines nucleares de un gas noble ( ³ He y ¹²⁹ Xe) a través de colisiones en fase gaseosa. Desde entonces, este método se ha mejorado y ampliado enormemente para su uso con otros gases nobles y metales alcalinos.

Teoría

Figura 1. Transiciones de excitación de un electrón de rubidio.

Para explicar más fácilmente los procesos de excitación, bombeo óptico e intercambio de espín, se utilizará como ejemplo el metal alcalino más común utilizado para este proceso, el rubidio. El rubidio tiene un número impar de electrones, con solo uno en la capa más externa que se puede excitar en las condiciones adecuadas. Hay dos transiciones que pueden ocurrir, una denominada línea D ₁ donde ocurre la transición del estado 5 ² S _{1/2 al} estado 5 ² P _3/2 y otra referida a la línea D ₂ donde ocurre la transición. del estado 5 ² S _1/2 al 5 ² P _1/2 . Las transiciones D ₁ y D ₂ pueden ocurrir si los átomos de rubidio se iluminan con luz a una longitud de onda de 794,7 nm y 780 nm, respectivamente (Figura 1). Si bien es posible provocar cualquier excitación, la tecnología láser está bien desarrollada para provocar la transición D ₁ . Se dice que esos láseres están sintonizados con la longitud _de onda D ₁ (794,7 nm) del rubidio.

Figura 2. Efecto del campo magnético aplicado sobre el espín donde hay una división de energía en presencia de un campo magnético, B ₀ .

Para aumentar el nivel de polarización por encima del equilibrio térmico, las poblaciones de los estados de espín deben modificarse. En ausencia de campo magnético, los dos estados de espín de un espín I = ½ núcleos están en el mismo nivel de energía, pero en presencia de un campo magnético, los niveles de energía se dividen en m _s = ± 1/2 niveles de energía (Figura 2). Aquí, m _s es el momento angular de giro con posibles valores de +1/2 (giro hacia arriba) o -1/2 (giro hacia abajo), a menudo dibujados como vectores que apuntan hacia arriba o hacia abajo, respectivamente. La diferencia de población entre estos dos niveles de energía es lo que produce una señal de RMN. Por ejemplo, los dos electrones en el estado de giro hacia abajo cancelan dos de los electrones en el estado de giro hacia arriba, dejando solo un núcleo de giro hacia arriba para ser detectado con RMN. Sin embargo, las poblaciones de estos estados pueden alterarse a través de la hiperpolarización, lo que permite que el nivel de energía de giro esté más poblado y, por lo tanto, aumente la señal de RMN. Esto se hace bombeando ópticamente un metal alcalino y luego transfiriendo la polarización a un núcleo de gas noble para aumentar la población del estado de giro.

Figura 3. Transiciones que ocurren cuando la luz polarizada circularmente interactúa con los átomos de metales alcalinos.

La absorción de luz láser por el metal alcalino es el primer proceso en SEOP. La luz polarizada circularmente a la izquierda sintonizada con la longitud de onda D ₁ del metal alcalino excita los electrones del estado de giro hacia abajo ² S _1/2 (m _s = -1 / 2) en el giro hacia arriba ² P _1/2 (m _s = +1/2), donde se produce una mezcla por colisión cuando los átomos de gas noble chocan con los átomos de metales alcalinos y el estado m _s = -1 / 2 está parcialmente poblado (Figura 3). La luz polarizada circularmente es necesaria en campos magnéticos bajos porque permite que solo se absorba un tipo de momento angular, lo que permite polarizar los espines. Entonces ocurre la relajación desde los estados excitados (m _s = ± 1/2) a los estados fundamentales (m _s = ± 1/2) cuando los átomos chocan con el nitrógeno, apagando así cualquier posibilidad de fluorescencia y haciendo que los electrones regresen a la dos estados fundamentales en poblaciones iguales. Una vez que los espines se despolarizan (vuelven al estado m _s = -1 / 2), son excitados nuevamente por la luz láser de onda continua y el proceso se repite. De esta manera, se acumula una población mayor de espines de electrones en el estado m _s = + 1/2. La polarización del rubidio, P _Rb , se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

${\ Displaystyle {P_ {Rb}} = {{\ mathrm {n} _ {\ uparrow} - \ mathrm {n} _ {\ downarrow}} \ over {\ mathrm {n} _ {\ uparrow} + \ mathrm {n} _ {\ flecha hacia abajo}}}}$

Donde n _↑ y n _↓ y son el número de átomos en el giro hacia arriba (m _S = + _1/2 ) y hacia abajo (m _S = -1 / 2) ² S _1/2 estados.

Figura 4. Transferencia de polarización a través de A) colisiones binarias y B) fuerzas de van der Waals.

A continuación, el metal alcalino bombeado ópticamente choca con el gas noble, lo que permite que se produzca el intercambio de espines donde la polarización de los electrones del metal alcalino se transfiere a los núcleos del gas noble (Figura 4). Hay dos mecanismos en los que esto puede ocurrir. El momento angular se puede transferir a través de colisiones binarias (Figura 4A, también llamadas colisiones de dos cuerpos) o mientras el gas noble, el gas tampón N ₂ y el metal alcalino en fase de vapor se mantienen en estrecha proximidad a través de las fuerzas de van der Waals (Figura 4B, también llamado tres colisiones corporales). En los casos en que las fuerzas de van der Waals son muy pequeñas en comparación con las colisiones binarias (tal es el caso del ³ He), el gas noble y el metal alcalino chocan y la polarización se transfiere del AM al gas noble. Las colisiones binarias también son posibles para ¹²⁹ Xe. A altas presiones, dominan las fuerzas de van der Waals, pero a bajas presiones dominan las colisiones binarias.

Acumulación de polarización

Este ciclo de excitación, polarización, despolarización y repolarización, etc. toma tiempo antes de que se logre una polarización neta. La acumulación de polarización nuclear, P _N (t), viene dada por:

${\ Displaystyle \ mathrm {P} _ {N} (\ mathrm {t}) = \ left \ langle \ mathrm {P} _ {A} \ right \ rangle \ left ({\ frac {\ gamma _ {SE} } {\ gamma _ {SE} + \ Gamma}} \ right) [1-e ^ {(\ gamma _ {SE} + \ Gamma) \ mathrm {t}}]}$

Donde ⟨P _A ⟩ es la polarización de metal alcalino, γ _SE es la tasa de intercambio de espín, y Γ es la velocidad de relajación longitudinal del gas noble. La relajación de la polarización nuclear puede ocurrir a través de varios mecanismos y se escribe como una suma de estas contribuciones:

${\ Displaystyle \ Gamma = \ Gamma _ {t} + \ Gamma _ {p} + \ Gamma _ {g} + \ Gamma _ {w}}$

Donde Γ _t , Γ _p , Γ _gy Γ _w representan la relajación del dímero Xe ₂ transitorio , el dímero Xe ₂ persistente , la difusión a través de gradientes en el campo magnético aplicado y la relajación de la pared, respectivamente. En la mayoría de los casos, los mayores contribuyentes a la relajación total son los dímeros persistentes y las relajaciones de las paredes. Un dímero Xe ₂ puede ocurrir cuando dos átomos Xe chocan y se mantienen unidos a través de las fuerzas de van der Waals, y puede romperse cuando un tercer átomo choca con él. Es similar a Xe-Rb durante el intercambio de espín (transferencia de espín) donde se mantienen muy cerca uno del otro a través de las fuerzas de van der Waals. La relajación de la pared es cuando el Xe hiperpolarizado choca con las paredes de la celda y se despolariza debido a las impurezas paramagnéticas en el vidrio.

La constante de tiempo de acumulación, Γ _B , se puede medir recolectando espectros de RMN en intervalos de tiempo que caen dentro del tiempo necesario para alcanzar la polarización de estado estable (es decir, la polarización máxima que se puede lograr, vista por la salida de señal máxima). Las integrales de la señal se trazan luego a lo largo del tiempo y se pueden ajustar para obtener la constante de tiempo de acumulación. La recopilación de una curva de acumulación a varias temperaturas diferentes y el trazado de los valores en función de la densidad del vapor de metal alcalino (dado que la densidad del vapor aumenta con un aumento en la temperatura de la celda) se puede utilizar para determinar la tasa de destrucción de espín y la tasa de intercambio de espín por átomo usando :

${\ Displaystyle \ Gamma _ {B} = \ gamma '\ times [AM] + \ Gamma _ {SD}}$

Donde γ 'es la tasa de intercambio de espín por átomo, [AM] es la densidad del vapor de metal alcalino y Γ _SD es la tasa de destrucción del espín. Esta gráfica debe ser lineal, donde γ 'es la pendiente y Γ _SD es la intersección con el eje y.

Relajación: T ₁

El bombeo óptico de intercambio de espín puede continuar indefinidamente con iluminación continua, pero hay varios factores que causan la relajación de la polarización y, por lo tanto, un retorno a las poblaciones de equilibrio térmico cuando se detiene la iluminación. Para utilizar gases nobles hiperpolarizados en aplicaciones como la obtención de imágenes pulmonares, el gas debe transferirse desde la configuración experimental a un paciente. Tan pronto como el gas deja de bombearse ópticamente de forma activa, el grado de hiperpolarización comienza a disminuir hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Sin embargo, la hiperpolarización debe durar lo suficiente para transferir el gas al paciente y obtener una imagen. El tiempo de relajación del espín longitudinal, denominado T ₁ , se puede medir fácilmente mediante la recopilación de espectros de RMN a medida que la polarización disminuye con el tiempo una vez que se detiene la iluminación. Esta tasa de relajación se rige por varios mecanismos de despolarización y se escribe como:

${\ Displaystyle {\ frac {1} {\ mathrm {T} _ {1}}} = \ left ({\ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {CR} + \ left ({ \ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {MFI} + \ left ({\ frac {1} {T_ {1}}} \ right) _ {O2}}$

Donde los tres términos contribuyentes son para relajación por colisión (CR), relajación por inhomogeneidad del campo magnético (MFI) y relajación causada por la presencia de oxígeno paramagnético (O2). La duración de T ₁ puede oscilar entre minutos y varias horas, dependiendo de la cantidad de cuidado que se ponga para disminuir los efectos de CR, MFI y O ₂ . El último término se ha cuantificado en 0.360 s ⁻¹ amagat ⁻¹ , pero el primer y segundo términos son difíciles de cuantificar ya que el grado de su contribución a la T ₁ general depende de qué tan bien se optimizan la configuración experimental y la celda y preparado.

Configuración experimental en SEOP

Figura 5. Foto de celdas ópticas de 2 ”de diámetro y 10” de longitud.

Para realizar SEOP, primero es necesario preparar la celda óptica. Las celdas ópticas (Figura 5) están diseñadas para el sistema particular en mente y el vidrio soplado con un material transparente, típicamente vidrio pyrex (borosilicato). Luego, esta celda debe limpiarse para eliminar todos los contaminantes, particularmente los materiales paramagnéticos que disminuyen la polarización y el T ₁ . La superficie interna de la celda se recubre para (a) servir como una capa protectora para el vidrio con el fin de disminuir la posibilidad de corrosión por el metal alcalino, y (b) minimizar la despolarización causada por las colisiones de moléculas de gas polarizadas con el paredes de la celda. La disminución de la relajación de la pared conduce a una mayor y más prolongada polarización del gas noble.

Figura 6. Estructura de SurfaSil.

Si bien se han probado varios recubrimientos a lo largo de los años, SurfaSil (Figura 6, ahora denominado fluido siliconizante soluble en hidrocarburos) es el recubrimiento más común utilizado en una proporción de 1:10 SurfaSil: hexano porque proporciona valores de T ₁ largos . El grosor de la capa SurfaSil es de aproximadamente 0,3 a 0,4 μm. Una vez recubierta y seca uniformemente, la celda se coloca en un ambiente inerte y se coloca una gota de metal alcalino (~ 200 mg) en la celda, que luego se dispersa para crear un recubrimiento uniforme en las paredes de las celdas. Un método para transferir el metal alcalino a la celda es por destilación. En el método de destilación, la celda está conectada a un colector de vidrio equipado para contener tanto gas presurizado como vacío, donde se conecta una ampolla de metal alcalino. El colector y la celda se aspiran, luego el sello de la ampolla se rompe y el metal alcalino se mueve dentro de la celda usando la llama de un soplete de gas. A continuación, la celda se llena con la mezcla de gas deseada de nitrógeno y gas noble. Se debe tener cuidado de no envenenar la celda en ninguna etapa de su preparación (exponer la celda al aire atmosférico).

Se han utilizado varios tamaños y diseños de celda a lo largo de los años. La aplicación deseada es lo que gobierna el diseño de la celda de bombeo óptico y depende del diámetro del láser, las necesidades de optimización y las consideraciones de uso clínico. Los gases y metales alcalinos específicos también se eligen en función de las aplicaciones deseadas.

Figura 7. Configuración experimental que implica iluminar una celda óptica que contiene metal alcalino, un gas noble y gas nitrógeno.

Una vez que la celda está completa, una bobina de superficie (o bobinas, dependiendo del tipo de bobina deseado) se pega al exterior de la celda, lo que a) permite que se produzcan pulsos de RF para inclinar los espines polarizados hacia el campo de detección ( plano x, y) yb) detecta la señal producida por los espines nucleares polarizados. La celda se coloca en un horno que permite que la celda y su contenido se calienten para que el metal alcalino entre en la fase de vapor, y la celda se centra en un sistema de bobina que genera un campo magnético aplicado (a lo largo del eje z). Un láser, sintonizado a la línea D ₁ (transición eléctrica-dipolo) del metal alcalino y con un diámetro de haz que coincida con el diámetro de la celda óptica, se alinea luego con los planos ópticos de la celda de tal manera que la totalidad de la celda se ilumina con luz láser para proporcionar la mayor polarización posible (Figura 7). El láser puede estar en cualquier lugar entre decenas de vatios y cientos de vatios, donde una mayor potencia produce una mayor polarización pero es más costoso. Para aumentar aún más la polarización, se coloca un espejo retro-reflectante detrás de la celda para hacer pasar la luz láser a través de la celda dos veces. Además, se coloca un iris de infrarrojos detrás del espejo, que proporciona información sobre la absorción de luz láser por los átomos de metal alcalino. Cuando el láser ilumina la celda, pero la celda está a temperatura ambiente, el iris IR se utiliza para medir el porcentaje de transmitancia de la luz láser a través de la celda. A medida que se calienta la celda, el rubidio entra en la fase de vapor y comienza a absorber la luz láser, lo que hace que disminuya el porcentaje de transmitancia. La diferencia en el espectro IR entre un espectro de temperatura ambiente y un espectro tomado mientras se calienta la celda puede usarse para calcular un valor de polarización de rubidio estimado, P _Rb .

A medida que SEOP continúa desarrollándose y mejorando, existen varios tipos de bobinas de RMN, hornos, bobinas generadoras de campo magnético y láseres que se han utilizado y se están utilizando para generar gases hiperpolarizados. Generalmente, las bobinas de RMN se fabrican a mano para un propósito específico, ya sea girando el alambre de cobre a mano en la forma deseada o imprimiendo en 3D la bobina. Comúnmente, el horno es un horno de aire forzado, con dos caras de vidrio para que la luz láser pase a través de la celda, una tapa extraíble y un orificio por el que se conecta una línea de aire caliente, que permite calentar la celda. vía conducción. Las bobinas generadoras de campo magnético pueden ser un par de bobinas de Helmholtz, utilizadas para generar la intensidad de campo magnético deseada, cuyo campo deseado se rige por:

${\ Displaystyle \ omega = \ gamma \ mathrm {B} _ {0}}$

Donde ω es la frecuencia de Larmour, o la frecuencia de detección deseada, γ es la relación giromagnética de los núcleos de interés y B ₀ es el campo magnético necesario para detectar los núcleos a la frecuencia deseada. También se puede utilizar un conjunto de cuatro bobinas electromagnéticas (es decir, de Acutran) y se están probando otros diseños de bobinas.

En el pasado, la tecnología láser era un factor limitante para SEOP, donde solo se podían usar un par de metales alcalinos debido a la falta, por ejemplo, de láseres de cesio. Sin embargo, ha habido varios desarrollos nuevos, incluidos mejores láseres de cesio, mayor potencia, ancho espectral más estrecho, etc., que están permitiendo que aumenten los alcances de SEOP. Sin embargo, se requieren varias características clave. Idealmente, el láser debería ser de onda continua para asegurar que el metal alcalino y el gas noble permanezcan polarizados en todo momento. Para inducir esta polarización, la luz láser debe estar polarizada circularmente en la dirección que permita que los electrones se polaricen en espín. Esto se realiza haciendo pasar la luz láser a través de un divisor de haz polarizante para separar los s y p componentes, a continuación, a través de una placa de cuarto de onda, que convierte la luz polarizada linealmente en luz polarizada circularmente.

Gases nobles y metales alcalinos

SEOP se ha utilizado con éxito y está bastante bien desarrollado para ³ He, ¹²⁹ Xe y ⁸³ Kr para aplicaciones biomédicas. Además, se están realizando varias mejoras para obtener imágenes mejoradas e interpretables de las células cancerosas en la ciencia biomédica. Se están realizando estudios que involucran la hiperpolarización de ¹³¹ Xe, lo que despierta el interés de los físicos. También se están realizando mejoras para permitir que no solo se utilice rubidio en la transferencia de giro, sino también cesio. En principio, cualquier metal alcalino puede usarse para SEOP, pero generalmente se prefiere el rubidio debido a su alta presión de vapor, lo que permite realizar experimentos a temperaturas relativamente bajas (80 ° C-130 ° C), disminuyendo la posibilidad de dañar el celda de vidrio. Además, la tecnología láser para el metal alcalino de elección debe existir y desarrollarse lo suficiente para obtener una polarización sustancial. Anteriormente, los láseres disponibles para excitar la transición de cesio D ₁ no estaban bien desarrollados, pero ahora son más potentes y menos costosos. Los estudios preliminares incluso muestran que el cesio puede proporcionar mejores resultados que el rubidio, a pesar de que el rubidio ha sido el metal alcalino preferido por SEOP.

El método de hiperpolarización llamado bombeo óptico de intercambio de espín (SEOP) se está utilizando para hiperpolarizar gases nobles como el xenón-129 y el helio-3. Cuando se obtienen imágenes de un gas hiperpolarizado inhalado como 3He o 129Xe, hay una mayor densidad de magnetización de moléculas activas de RMN en el pulmón en comparación con las imágenes de 1H tradicionales, lo que mejora las imágenes de resonancia magnética que se pueden obtener. A diferencia de la resonancia magnética de protones que informa sobre las características anatómicas de los tejidos pulmonares, XenonMRI informa la función pulmonar, incluida la ventilación, la difusión y la perfusión de gas.

Razón fundamental

Nuestro objetivo es identificar la infección o enfermedad (cáncer, por ejemplo) en cualquier parte de nuestro cuerpo como cerebro, cerebro, sangre y fluidos y tejidos. Esta célula infecciosa se denomina colectivamente biomarcador. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) y en colaboración con las Naciones Unidas y la Organización Internacional del Trabajo han definido de manera convincente el Biomarcador como “cualquier sustancia, estructura o proceso que pueda medirse en el cuerpo o sus productos e influir o predecir la incidencia del resultado o enfermedad ”. El biomarcador debe ser cuantificable hasta cierto nivel en el proceso biológico del bienestar.

Un ejemplo específico de biomarcador es el colesterol en sangre que comúnmente conocemos como confiable para la enfermedad coronaria; otro biomarcador es el PSA (antígeno prostático específico) y ha contribuido al cáncer de próstata. Hay muchos biomarcadores que se consideran cáncer: ácido ribonucleico del virus de la hepatitis C (ARN-VHC), índice internacional normalizado (INR), tiempo de protrombina (PT), proteína monoclonal (proteína M), antígeno del cáncer-125 (CA- 125), virus de inmunodeficiencia humana: ácido ribonucleico (ARN del VIH), péptido natriurético de tipo B (BNP). ²⁷ y linfoma (líneas celulares Ramos y líneas celulares Jurkat) una forma de cáncer.

Otros biomarcadores comunes son cáncer de mama, cáncer de ovario, cáncer colorrectal, cáncer de pulmón y tumor cerebral.

Este agente de veredicto causante de la enfermedad es el biomarcador que existe en cantidades extremadamente traza, especialmente en el estado inicial de la enfermedad. Por lo tanto, identificar u obtener imágenes de biomarcadores es complicado y, en pocas circunstancias, incierto para la tecnología de RMN. Por lo tanto, debemos utilizar el agente de contraste para mejorar las imágenes al menos para visualizar al nivel de los médicos. Como moléculas de biomarcador es menos abundante el sistema in vivo . El experimento de RMN o RMN proporciona una señal muy pequeña, incluso en algunos casos, el analizador puede perder el pico de señal en los datos debido a la falta de abundantes biomarcadores. Por lo tanto, para asegurarnos, para llegar a la verdadera conclusión sobre la existencia de biomarcadores que causan problemas, necesitamos mejorar la sonda (mecanismos de contraste) para obtener el pico claro en el nivel más visible de la altura del pico, así como la posición del pico. pico en datos. Si es posible recopilar los datos aceptables y claramente interpretables del experimento de RMN o RMN utilizando el agente de contraste, los expertos pueden dar un paso inicial correcto para recuperar a los pacientes que ya han estado sufriendo de cáncer. Entre las diversas técnicas para obtener los datos mejorados en el experimento de resonancia magnética, SEOP es una de ellas.

Los investigadores de la SEOP están interesados ​​en utilizar el ¹²⁹ Xe. Debido a que ¹²⁹ Xe tiene una serie de hechos favorables en NMR Tech. para trabajar como agente de contraste incluso sobre los otros gases novedosos:

• El xenón inerte no muestra una reacción química como otros metales y no metales porque la configuración electrónica del xenón está completamente ocupada y tampoco es radiactiva.
• Obtener el estado sólido, líquido del estado gaseoso natural es fácil (figura 8). El estado sólido y líquido de ¹²⁹ Xe son rangos de temperatura y presión factibles experimentalmente.
  

  Figura 8. El diagrama anterior muestra la temperatura y la presión más altas a las que el gas xenón puede existir en estados líquido y gaseoso simultáneamente.30
• El xenón posee una nube de electrones altamente polarizable que rodea al núcleo. Por lo tanto, es fácilmente propenso a ser soluble con lípidos u compuestos orgánicos, especialmente en un entorno in vivo en el aspecto biológico. (Tabla 2)
• El xenón no altera estructural ni químicamente (al igual que otros gases nobles) cuando interactúa con otras moléculas.
• Según el científico Ostwald, la solubilidad se define como el coeficiente de partición del gas absorbido al volumen del líquido absorbente. La solubilidad del xenón, S _{Xe (g)} = V _{cantidad absorbida de Xe (g)} / V _{absorbiendo líquido} a temperatura y presión estándar (STP).

La solubilidad del xenón en medio de agua al 11% significa que a 25 ° C se podrían absorber 11 ml de gas xenón con 100 ml de agua.

• El tamaño atómico del xenón es grande y los electrones de la capa externa están lejos de los núcleos, el electrón más externo es muy propenso a polarizarse, especialmente en el entorno lipídico. La Tabla 2 muestra que la solubilidad del xenón en medio acuoso a 37 ° C es del 8% pero el tejido graso en el entorno in vivo el valor de solubilidad es del 130%. La solubilidad conduce al uso del xenón en el sistema biológico como agente de contraste.
• El efecto disolvente del xenón es muy grande para el ¹²⁹ xenón por el hecho de la solubilidad (tabla 2). El rango del valor de desplazamiento químico para el xenón es de más de 7500 ppm. Sin embargo, el efecto del solvente es un rango limitado para ¹ H y ¹³ C (núcleos activos de IRM) debido al bajo rango del valor de desplazamiento químico para ¹ H es 20 ppm y para ¹³ C es 300 ppm. Por lo tanto, se prefiere usar el ¹²⁹ Xe.

Figura-9 a continuación, en los datos experimentales de RMN, existen diferentes valores de desplazamiento químico para diferentes tejidos en un entorno in vivo . Todos los picos se colocan a través de un rango tan grande de valores de desplazamiento químico para que el ¹²⁹ Xe sea viable. Porque ¹²⁹ Xe tiene un rango de valores de desplazamiento químico de rango largo de hasta 1700ppm en los datos de RMN. Otra información espectral importante incluye:

Figura 9. Datos de RMN para el biosensor Xe-129 en un sistema biológico in vivo .

• Naturalmente, el pico de RMN de ¹²⁹ Xe se ha contado como referencia a 0,0 ppm.
• Cuando el ¹²⁹ Xe se incorporó y se unió a la molécula de criptófano-A, el valor de desplazamiento químico en la adquisición de RMN cambió a alrededor de 70 ppm.
• Si se disuelve gas ¹²⁹ Xe hiperpolarizado en el cerebro, se pueden observar cinco picos espectrales de RMN .
• Entre ellos, el pico más agudo a 194,7 ppm. Además, a 189 ppm el pico sale de los tejidos no cerebrales.
• Todavía se desconocen otros dos picos a 191,6 ppm y 197,8 ppm. Se ha encontrado un pico de 209,5 ppm más pequeño pero ancho en los datos de RMN cuando se disolvió ¹²⁹ Xe en el torrente sanguíneo.
• El ¹²⁹ Xe hiperpolarizado es un detector muy sensible de biomarcadores (forma de cáncer en el sistema vivo).
• La polarización del espín nuclear de ¹²⁹ Xe o en general para gases nobles podemos aumentar hasta cinco veces mediante la técnica SEOP.
• Utilizando la técnica de hiperpolarización SEOP, podemos obtener imágenes de la captación de xenón en el tejido cerebral humano.

Figura 10. Medidas de la polarización de ¹²⁹ Xe (g) en presencia de campos magnéticos bajos e intermedios. Todas las cifras (AD) son la amplitud de la señal de RMN en μV / KHz frente a la frecuencia de Larmor en KHz. (A) Señal de RMN de ¹²⁹ Xe mejorada (g) a una frecuencia de Larmor de 62 kHz desde la celda SEOP; El xenón (g) tiene 1545 torr y el nitrógeno (g) tiene una presión de 455 torr y los datos de RMN se recopilaron en presencia de un campo magnético de 5,26 mT. (B) Señal de RMN de referencia para agua Proton Spin (111M), dopaje con CuSO _4. Se ha creado 5H ₂ O (s), 5,0 mM y polarización térmicamente en presencia de campos magnéticos de 1,46 mT (el número de exploraciones fue de 170.000 veces). (C) Los datos de RMN para el ¹²⁹ Xe hiperpolarizado se recopilaron en presencia de campos magnéticos de 47,5 mT. (El ¹²⁹ Xe era de 300 torr y el N ₂ era de 1700 torr). (D) La señal de RMN de referencia para ¹³ C se recogió de 170,0 mM de CH ₃ COONa (l) en presencia de un campo magnético de 47,5 mT. ³²

(Figura 10) ¹²⁹ Xe _(g) muestra una mejora satisfactoria de la polarización durante la SEOP en comparación con la mejora térmica de la polarización. Esto se demuestra por los valores de los datos experimentales cuando los espectros de RMN se adquieren con diferentes intensidades de campo magnético. Un par de puntos importantes de los datos experimentales son:

• La polarización ¹²⁹ Xe se ha multiplicado por 144.000 en la tecnología SEOP. sobre mejorado térmicamente para la polarización de ¹ H en el experimento de RMN. Ambos experimentos que demostraron esto se realizaron en condiciones idénticas y utilizando la misma radiofrecuencia durante el experimento de RMN.
• Un valor similar de mejora de la señal 140.000 veces para ¹²⁹ Xe hiperpolarización en SEOP se compara con la referencia térmicamente mejorado ¹³ C señal de RMN también se observa en los datos de RMN experimentales. Ambos datos se han recopilado en idéntica frecuencia de Larmor y en otras condiciones experimentales y la misma radiofrecuencia durante la recopilación de datos de RMN.

Figura 11. Estudio de resonancia magnética de ¹²⁹ Xe (g) en presencia de campo alto frente a T ₁ (tiempo de relajación de espín longitudinal) durante la desintegración de la hiperpolarización de ¹²⁹ Xe (g) en presencia de campos magnéticos de diferentes intensidades; 3,0 T para triángulo azul, aproximadamente 1,5 mT para círculos rojos y aproximadamente 0,0 mT para cuadrados blancos. El ¹²⁹ Xe (g) hiperpolarizado se transfirió a las bolsas para niños y luego se contó el tiempo de desintegración T ₁ en presencia de diferentes campos magnéticos por separado. El aumento de la intensidad del campo magnético (1,5 mT a 3000 mT) provoca el tiempo de caída aproximadamente en incrementos de ocho veces.

(Figura 11) El tiempo de relajación del espín longitudinal (T ₁ ) es muy sensible con un aumento del campo magnético y, por lo tanto, la mejora de las señales de RMN se nota en SEOP en el caso de ¹²⁹ Xe. Como T ₁ es más alta para el azul acondicionado marcado muestra el experimento de RMN pico más mejorada en comparación con otros. Para ¹²⁹ Xe hiperpolarizado en bolsas de tedlar, el T ₁ es de 38 ± 12 minutos cuando los datos se recopilan en presencia de un campo magnético de 1,5 mT. Sin embargo, incremento satisfactorio en el tiempo de retardo de T ₁ (354 ± 24 minutos) cuando los datos se recopilaron en presencia de un campo magnético de 3000 mT.

Uso de Rb frente a Cs en experimentos de SEOP NMR

En general, podemos usar los átomos de metal alcalino ⁸⁷ Rb o ¹³³ Cs con gas nitrógeno inerte. Sin embargo, estamos usando ¹³³ átomos de Cs con nitrógeno para hacer el intercambio de espín con ¹²⁹ Xe para una serie de ventajas:

• ¹³³ Cs tiene abundancia perfecta natural, mientras que el rubidio tiene dos isótopos ( ⁸⁵ Rb y ⁸⁷ Rb). La abstracción de un isótopo por separado de estos dos ( ⁸⁵ Rb y ⁸⁷ Rb) es difícil de comparar para recolectar el isótopo ¹³³ Cs. La abstracción de ¹³³ C es conveniente.
• La celda de bombeo óptico normalmente se opera a una temperatura más baja para evitar problemas de degradación química. SEOP utiliza ¹³³ C a baja temperatura y, por lo tanto, tiene menos corrosión química con el vidrio de la pared celular SEOP.
• ^La pareja ¹³³ Cs- ¹²⁹ Xe tiene una tasa de cambio de espín de alrededor del 10%, que es más en comparación con la pareja ⁸⁷ Rb- ¹²⁹ Xe.

Aunque el ¹²⁹ Xe tiene muchas aplicaciones características preferibles en la técnica de RMN, el ⁸³ Kr también se puede utilizar ya que tiene muchas ventajas en las técnicas de RMN de diferentes formas que el ¹²⁹ Xe.

• ^El isótopo estable ⁸³ Kr tiene un giro I = 9/2 y tiene paredes de Vander más grandes, tamaño 2.02A ⁰ . Tiene un efecto cuadrupolar que se puede difundir al entorno cercano de forma breve y distintiva ( sistema in vivo de medios polares a no polares ).
• La composición química de los materiales puede influir en la relajación longitudinal de ⁸³ Kr hiperpolarizados .
• La relajación puede distinguir entre el sustrato hidrófobo e hidrófilo. Aunque ³ He y ¹²⁹ Xe tienen mitad de giro, no son cuadrupolares activos.
• Sin embargo, ²¹ Ne ( I = 3/2) , ⁸³ Kr ( I = 9/2) y ¹³¹ Xe ( I = 3/2 ) tienen momento cuadrupolar. ^{34 Las} interacciones cuadrupolares hacen que estos isótopos tengan relajación de espín.
• Debido a esta relajación y evolución del espín, estos isótopos se pueden usar como agentes de contraste para decir que la sonda puede determinar la característica estructural y las composiciones químicas de las superficies para un medio permeable.
• SEOP puede calcular la relajación del espín T ₁ utilizando la ecuación de ajuste de mínimos cuadrados no lineales para la señal de ⁸³ Kr en función del tiempo, así como el número experimental de ángulos de volteo del medio (12 °) para los pulsos de radiofrecuencia experimentados por RMN.
• El ⁸³ Kr hiperpolarizado se está separando de los gases ⁸⁷ Rb después del intercambio de espín en el proceso de bombeo óptico y luego se utiliza en una variedad de sistemas in vivo para obtener la señal de resonancia magnética. Este es el primer isótopo que mostró mucha aplicabilidad para la técnica de resonancia magnética a pesar de que tiene un giro de 9½.
• Durante el experimento de tejido pulmonar canino, el imán de uso fue de 9,4 T, el medio fue poroso y de porosidad similar a las dimensiones alveolares que se disemina a presión atmosférica. La relajación de la retícula de espín fue razonablemente prolongada, por lo que es aplicable al sistema in vivo , aunque el nivel de oxígeno podría ser del 20%.
• Como el agente de contraste ⁸³ Kr promete desarrollar una metodología de resonancia magnética in vivo prístina para identificar las enfermedades pulmonares de forma épica, esos efectos han sido causados ​​en la superficie del parénquima debido a la concentración de tensioactivo.
• Sobre la base del límite, este agente de contraste en particular puede funcionar para determinar el tamaño de vertido de medios porosos en la ciencia de los materiales.
• Además, esta técnica nos puede llevar a preparar el revestimiento de superficies, fluctuaciones espaciales de superficies. Eventualmente, la buena señal de este agente contrastante como la abundancia natural (11.5% de ⁸³ Kr) hace que sea fácil de obtener con un precio razonable de $ 5 / L.

Aplicaciones de imágenes de SEOP

También se están tomando medidas en la academia y la industria para utilizar este gas hiperpolarizado para la obtención de imágenes pulmonares. Una vez que el gas ( ¹²⁹ Xe) se hiperpolariza a través del proceso SEOP y se elimina el metal alcalino, un paciente (ya sea sano o con una enfermedad pulmonar) puede inhalar el gas y se puede tomar una resonancia magnética. Esto da como resultado una imagen de los espacios en los pulmones llenos de gas. Si bien el proceso para llegar al punto de obtener imágenes del paciente puede requerir el conocimiento de científicos muy familiarizados con esta técnica y el equipo, se están tomando medidas para eliminar la necesidad de este conocimiento para que un técnico del hospital pueda producir el gas hiperpolarizado. usando un polarizador.

Las máquinas de hiperpolarización se utilizan actualmente para desarrollar gas xenón hiperpolarizado que se utiliza como agente de visualización para los pulmones. El xenón-129 es un gas noble inerte seguro que se puede utilizar para cuantificar la función pulmonar. Con una sola retención de la respiración de 10 segundos, el Xenon-129 hiperpolarizado se usa con MRI para permitir la obtención de imágenes pulmonares tridimensionales. La resonancia magnética de xenón se está utilizando para monitorear a pacientes con enfermedad pulmonar vascular pulmonar obstructiva o fibrótica.

¹²⁹ Xe SEOP con rampa de temperatura en un modelo automatizado de lotes de alto rendimiento, el ¹²⁹ Xe hiperpolarizado puede utilizar tres rangos de temperatura primarios para poner ciertas condiciones: Primero, la tasa de hiperpolarización de ¹²⁹ Xe es superlativamente alta en condiciones de calor. En segundo lugar, en condiciones cálidas, la hiperpolarización de ¹²⁹ Xe es la unidad. En tercer lugar, en condiciones de frío, el nivel de hiperpolarización del gas ¹²⁹ Xe al menos puede obtener la imagen (a la temperatura del cuerpo humano), aunque durante la transferencia a la bolsa Tedlar tiene un porcentaje pobre de ⁸⁷ Rb (dosis inferior a 5 ng / L).

El análisis multiparamétrico de ⁸⁷ Rb / ¹²⁹ Xe SEOP a alta presión de xenón y flujo de fotones podría usarse como impresión 3D y agente de contraste de flujo detenido a escala clínica. En situ técnica, la máquina de RMN se llevó a cabo para el seguimiento de la dinámica de ¹²⁹ Xe polarización como una función de las células SEOP acondicionado con diferentes parámetros de funcionamiento como los datos de temperatura de la recogida, de fotones de flujo, y ¹²⁹ Xe presión parcial para mejorar el ¹²⁹ Xe polarización ( P _Xe ).

Todos esos valores de polarización de ¹²⁹ Xe han sido aprobados impulsando el gas ¹²⁹ Xe hiperpolarizado y todos los experimentos de resonancia magnética también se han realizado en un campo magnético inferior de 47,5 mT. Finalmente, las demostraciones indicaron que en una región de tan alta presión, la polarización de los gases ¹²⁹ Xe podría incrementarse aún más que el límite que ya se ha mostrado. Se ha mejorado aún más la gestión térmica SEOP y la optimización de la cinética de polarización con buena eficacia.

SEOP sobre sólidos

No solo se puede usar SEOP para hiperpolarizar gases nobles, sino que un desarrollo más reciente es SEOP en sólidos. Se realizó por primera vez en 2007 y se utilizó para polarizar núcleos en un sólido, lo que permite que los núcleos que no pueden ser polarizados por otros métodos se hiperpolaricen. Por ejemplo, la polarización nuclear de ¹³³ Cs en forma de una película sólida de CsH puede incrementarse por encima del límite de Boltzmann. Esto se hace primero bombeando ópticamente vapor de cesio, luego transfiriendo la polarización de espín a la sal CsH, produciendo una mejora de 4.0.

Las celdas se fabrican como se describió anteriormente usando destilación, luego se llenan con gas hidrógeno y se calientan para permitir que el metal Cs reaccione con el hidrógeno gaseoso para formar la sal CsH. Se eliminó el hidrógeno que no había reaccionado y el proceso se repitió varias veces para aumentar el espesor de la película de CsH, luego se presurizó con gas nitrógeno. Por lo general, los experimentos SEOP se realizan con la celda centrada en Helmholtz o bobinas electromagnéticas, como se describió anteriormente, pero estos experimentos se realizaron en un imán superconductor de 9,4 T haciendo brillar el láser a través del imán y calentando eléctricamente la celda. En el futuro, puede ser posible utilizar esta técnica para transferir la polarización a ⁶ Li o ⁷ Li, lo que lleva a más aplicaciones ya que se espera que T ₁ sea ​​más largo. Desde el descubrimiento de esta técnica que permite caracterizar los sólidos, se ha mejorado de tal forma que no es necesaria la luz polarizada para polarizar el sólido; en cambio, se puede utilizar luz no polarizada en un campo magnético. En este método, la lana de vidrio se recubre con sal de CsH, lo que aumenta el área de la superficie de CsH y, por lo tanto, aumenta las posibilidades de transferencia de giro, lo que produce mejoras de 80 veces en campo bajo (0,56 T). Como en la película hiperpolarizante de CsH, se permitió que el cesio metálico en este método de lana de vidrio reaccionara con gas hidrógeno, pero en este caso el CsH se formó en las fibras de vidrio en lugar de en la celda de vidrio.

Bombeo óptico de intercambio de metaestabilidad

³ También se puede hiperpolarizar mediante bombeo óptico de intercambio de metaestabilidad (MEOP). Este proceso es capaz de polarizar núcleos de ³ He en el estado fundamental con núcleos de ³ He bombeados ópticamente en el estado metaestable. MEOP solo involucra núcleos de ³ He a temperatura ambiente y a baja presión (≈ unos pocos mbar). El proceso de MEOP es muy eficiente (alta tasa de polarización), sin embargo, se necesita la compresión del gas hasta la presión atmosférica.

Polarización nuclear dinámica

Los compuestos que contienen núcleos sensibles a RMN , tales como ¹ H, ¹³ C o ¹⁵ N , se pueden hiperpolarizar usando polarización nuclear dinámica (DNP). El DNP se realiza típicamente a baja temperatura (≈100 K) y campo magnético alto (≈3 T). Posteriormente, el compuesto se descongela y se disuelve para producir una solución a temperatura ambiente que contiene núcleos hiperpolarizados. Este líquido se puede utilizar en imágenes metabólicas in vivo para oncología y otras aplicaciones. Los niveles de polarización de ¹³ C en compuestos sólidos pueden alcanzar hasta ~ 64% y las pérdidas durante la disolución y transferencia de la muestra para las mediciones de RMN se pueden minimizar a un pequeño porcentaje. Los compuestos que contienen RMN núcleos -ACTIVE también pueden ser hiperpolarizado usando reacciones químicas con para-hidrógeno , consulte Para-hidrógeno polarización inducida (PHIP).

Polarización inducida por parahidrógeno

El hidrógeno molecular, H ₂ , contiene dos diferentes isómeros de giro , para-hidrógeno y orto-hidrógeno, con una relación de 25:75 a temperatura ambiente. La creación de polarización inducida por parahidrógeno (PHIP) significa que esta relación aumenta, en otras palabras, que se enriquece el parahidrógeno. Esto se puede lograr enfriando hidrógeno gaseoso y luego induciendo la conversión orto a para mediante un catalizador de óxido de hierro o carbón. Al realizar este procedimiento a ≈70 K (es decir, con nitrógeno líquido), el parahidrógeno se enriquece del 25% a aprox. 50%. Cuando se enfría por debajo de 20 K y luego se induce la conversión orto a para, se puede obtener cerca del 100% de parahidrógeno.

Para aplicaciones prácticas, el PHIP se transfiere más comúnmente a moléculas orgánicas haciendo reaccionar el hidrógeno hiperpolarizado con moléculas precursoras en presencia de un catalizador de metal de transición. Señales de RMN de protón con aprox. Puede obtenerse una intensidad aumentada 10.000 veces en comparación con las señales de RMN de la misma molécula orgánica sin PHIP y, por lo tanto, solo polarización "térmica" a temperatura ambiente.

Amplificación de señal por intercambio reversible (SABRE)

La amplificación de señales por intercambio reversible (SABRE) es una técnica para hiperpolarizar muestras sin modificarlas químicamente. En comparación con las moléculas orgánicas o de ortohidrógeno, una fracción mucho mayor de los núcleos de hidrógeno en el parahidrógeno se alinea con un campo magnético aplicado. En SABRE, un centro metálico se une de forma reversible tanto a la molécula de prueba como a una molécula de parahidrógeno, lo que facilita que la molécula objetivo capte la polarización del parahidrógeno. Esta técnica se puede mejorar y utilizar para una amplia gama de moléculas orgánicas utilizando una molécula intermedia de "relevo" como el amoníaco. El amoníaco se une de manera eficiente al centro del metal y capta la polarización del parahidrógeno. Luego, el amoníaco lo transfiere a otras moléculas que no se unen tan bien al catalizador metálico. Esta señal de RMN mejorada permite el análisis rápido de cantidades muy pequeñas de material.

Ver también

• Polarización nuclear dinámica
• Resonancia paramagnética de electrones
• Resonancia magnética de carbono 13 hiperpolarizado

Referencias

enlaces externos

• Europhysics - "Respire gas noble polarizado"
• Universidad de Virginia - "Imágenes por resonancia magnética de gas hiperpolarizado"
• Iniciativa DNP suiza - "Hiperpolarización DNP-NMR ¹³ C"