Hyperpolarisation (physique) - Hyperpolarization (physics)

L'hyperpolarisation est la polarisation du spin nucléaire d'un matériau dans un champ magnétique bien au-delà des conditions d' équilibre thermique déterminées par la distribution de Boltzmann . Elle peut être appliquée aux gaz tels que le 129 Xe et le 3 He , et les petites molécules où les niveaux de polarisation peuvent être augmentés d'un facteur 10 4 -10 5 au-dessus des niveaux d'équilibre thermique. Les gaz rares hyperpolarisés sont généralement utilisés en imagerie par résonance magnétique (IRM) des poumons. Les petites molécules hyperpolarisées sont généralement utilisées pour l'imagerie métabolique in vivo . Par exemple, un métabolite hyperpolarisé peut être injecté à des animaux ou à des patients et la conversion métabolique peut être suivie en temps réel. D'autres applications incluent la détermination de la fonction des structures de spin des neutrons en diffusant des électrons polarisés à partir d'une cible très polarisée ( 3 He), des études d'interaction de surface et des expériences de polarisation de neutrons.

Pompage optique à échange de spin

introduction

Le pompage optique à échange de spin (SEOP) est l'une des nombreuses techniques d'hyperpolarisation décrites sur cette page. Cette technique est spécialisée dans la création de gaz rares hyperpolarisés (HP), tels que 3 He, 129 Xe et quadripolaire 131 Xe, 83 Kr et 21 Ne. Les gaz nobles sont nécessaires car la SEOP est réalisée en phase gazeuse, ils sont chimiquement inertes, non réactifs, chimiquement stables vis-à-vis des métaux alcalins et leur T 1 est suffisamment long pour créer une polarisation. Les gaz rares de spin 1/2 satisfont à toutes ces exigences, et les gaz rares de spin 3/2 le font dans une certaine mesure, bien que certains spins 3/2 n'aient pas un T 1 suffisant . Chacun de ces gaz rares a sa propre application spécifique, telle que la caractérisation de l'espace et des tissus pulmonaires via l'imagerie moléculaire in vivo et l'imagerie fonctionnelle des poumons, pour étudier les changements dans le métabolisme des cellules saines par rapport aux cellules cancéreuses, ou comme cibles pour des expériences de physique nucléaire. Au cours de ce processus, une lumière laser infrarouge à polarisation circulaire , réglée sur la longueur d'onde appropriée, est utilisée pour exciter les électrons dans un métal alcalin , tel que le césium ou le rubidium à l' intérieur d'un récipient en verre scellé. La lumière infrarouge est nécessaire car elle contient les longueurs d'onde nécessaires pour exciter les électrons des métaux alcalins, bien que la longueur d'onde nécessaire pour exciter les électrons du sodium soit inférieure à cette région (tableau 1).

Tableau 1. Longueurs d'onde requises pour exciter les électrons des métaux alcalins.
Métal alcalin Longueur d'onde (nm)
Sodium 590.0
Rubidium 794,7
Césium 894,0

Le moment angulaire est transféré des électrons de métaux alcalins aux noyaux de gaz noble par le biais de collisions. L'azote est utilisé comme gaz de trempe, ce qui empêche la fluorescence du métal alcalin polarisé, ce qui conduirait à une dépolarisation du gaz noble. Si la fluorescence n'était pas éteinte, la lumière émise pendant la relaxation serait polarisée de manière aléatoire, travaillant contre la lumière laser polarisée de manière circulaire. Alors que différentes tailles de récipients en verre (également appelées cellules), et donc différentes pressions, sont utilisées en fonction de l'application, un amagat de pression totale de gaz noble et d'azote est suffisant pour SEOP et 0,1 amagat de densité d'azote est nécessaire pour éteindre la fluorescence. De grandes améliorations dans la technologie d'hyperpolarisation 129 Xe ont atteint un niveau > 50 % à des débits de 1 à 2 L/min, ce qui permet des applications cliniques humaines.

Histoire

La découverte de SEOP a pris des décennies pour que toutes les pièces se mettent en place pour créer une technique complète. Tout d'abord, en 1897, les études de Zeeman sur la vapeur de sodium ont conduit au premier résultat du pompage optique . La pièce suivante a été trouvée en 1950 lorsque Kastler a déterminé une méthode pour polariser électroniquement la vapeur de métal alcalin de rubidium en utilisant un champ magnétique appliqué et en illuminant la vapeur avec une lumière résonante à polarisation circulaire. Dix ans plus tard, Marie-Anne Bouchiat , TM Carver et CM Varnum ont effectué un échange de spins , dans lequel la polarisation de spin électronique a été transférée aux spins nucléaires d'un gaz noble ( 3 He et 129 Xe) par des collisions en phase gazeuse. Depuis lors, cette méthode a été considérablement améliorée et étendue pour être utilisée avec d'autres gaz nobles et métaux alcalins.

Théorie

Figure 1. Transitions d'excitation d'un électron de rubidium.

Pour expliquer plus facilement les processus d'excitation, de pompage optique et d'échange de spin, le métal alcalin le plus couramment utilisé pour ce processus, le rubidium, sera utilisé comme exemple. Le rubidium a un nombre impair d'électrons, avec un seul dans la couche la plus externe qui peut être excité dans les bonnes conditions. Il y a deux transitions qui peuvent se produire, l'une appelée ligne D 1 où la transition se produit de l'état 5 2 S 1/2 à l' état 5 2 P 3/2 et une autre appelée ligne D 2 où la transition se produit de l'état 5 2 S 1/2 à l'état 5 2 P 1/2 . Les transitions D 1 et D 2 peuvent se produire si les atomes de rubidium sont éclairés avec de la lumière à une longueur d'onde de 794,7 nm et 780 nm, respectivement (Figure 1). Bien qu'il soit possible de provoquer soit l' excitation, la technologie du laser est bien développé pour amener le D une transition de se produire. Ces lasers seraient accordés à la longueur d'onde D 1 (794,7 nm) du rubidium.

Figure 2. Effet du champ magnétique appliqué sur le spin lorsqu'il y a séparation d'énergie en présence d'un champ magnétique, B 0 .

Afin d'augmenter le niveau de polarisation au-dessus de l'équilibre thermique, les populations des états de spin doivent être modifiées. En l'absence de champ magnétique, les deux états de spin d'un spin I = ½ noyaux sont au même niveau d'énergie, mais en présence d'un champ magnétique, les niveaux d'énergie se divisent en m s = ±1/2 niveaux d'énergie (Figure 2). Ici, m s est le moment angulaire de spin avec des valeurs possibles de +1/2 (spin up) ou -1/2 (spin down), souvent dessinés comme des vecteurs pointant vers le haut ou vers le bas, respectivement. La différence de population entre ces deux niveaux d'énergie est ce qui produit un signal RMN. Par exemple, les deux électrons dans l'état de spin down annulent deux des électrons dans l'état de spin up, ne laissant qu'un seul noyau de spin up à détecter par RMN. Cependant, les populations de ces états peuvent être modifiées via l'hyperpolarisation, permettant au niveau d'énergie de spin up d'être plus peuplé et donc d'augmenter le signal RMN. Cela se fait en pompant d'abord optiquement un métal alcalin, puis en transférant la polarisation à un noyau de gaz noble pour augmenter la population de l'état de spin up.

Figure 3. Transitions qui se produisent lorsque la lumière polarisée circulairement interagit avec les atomes de métaux alcalins.

L'absorption de la lumière laser par le métal alcalin est le premier processus de SEOP. La lumière polarisée circulairement à gauche accordée à la longueur d'onde D 1 du métal alcalin excite les électrons de l'état de spin down 2 S 1/2 (m s =-1/2) dans le spin up 2 P 1/2 (m s = +1/2), où un mélange collisionnel se produit alors lorsque les atomes de gaz noble entrent en collision avec les atomes de métaux alcalins et que l'état m s = -1/2 est partiellement peuplé (figure 3). La lumière polarisée circulairement est nécessaire à de faibles champs magnétiques car elle ne permet d'absorber qu'un seul type de moment angulaire, ce qui permet de polariser les spins. La relaxation se produit ensuite des états excités (m s = ± 1/2) aux états fondamentaux (m s = ± 1/2) lorsque les atomes entrent en collision avec l'azote, éliminant ainsi toute chance de fluorescence et provoquant le retour des électrons vers le deux états fondamentaux dans des populations égales. Une fois les spins dépolarisés (retour à l'état m s =-1/2), ils sont à nouveau excités par la lumière laser à onde continue et le processus se répète. De cette façon, une plus grande population de spins électroniques dans l'état m s = +1/2 s'accumule. La polarisation du rubidium, P Rb , peut être calculée en utilisant la formule ci-dessous :

Où n et n et sont le nombre d'atomes dans les états de spin up (m S =+1/2) et de spin down (m S =-1/2) 2 S 1/2 .

Figure 4. Transfert de polarisation via A) collisions binaires et B) forces de van der Waals.

Ensuite, le métal alcalin pompé optiquement entre en collision avec le gaz noble, permettant un échange de spin où la polarisation électronique du métal alcalin est transférée aux noyaux de gaz noble (Figure 4). Il existe deux mécanismes dans lesquels cela peut se produire. Le moment angulaire peut être transféré via des collisions binaires (figure 4A, également appelée collisions à deux corps) ou pendant que le gaz noble, le gaz tampon N 2 et le métal alcalin en phase vapeur sont maintenus à proximité par les forces de van der Waals (figure 4B, aussi appelé collisions à trois corps). Dans les cas où les forces de van der Waals sont très faibles par rapport aux collisions binaires (comme c'est le cas pour 3 He), le gaz noble et le métal alcalin entrent en collision et la polarisation est transférée de l'AM au gaz noble. Des collisions binaires sont également possibles pour le 129 Xe. Aux hautes pressions, les forces de van der Waals dominent, mais aux basses pressions, les collisions binaires dominent.

Accumulation de polarisation

Ce cycle d'excitation, de polarisation, de dépolarisation et de repolarisation, etc. prend du temps avant qu'une polarisation nette ne soit atteinte. L'accumulation de polarisation nucléaire, P N (t), est donnée par :

Où ⟨P A ⟩ est la polarisation du métal alcalin, SE est le taux d'échange de spin et est le taux de relaxation longitudinale du gaz noble. La relaxation de la polarisation nucléaire peut se produire via plusieurs mécanismes et s'écrit comme une somme de ces contributions :

t , p , g et Γ w représentent la relaxation du dimère Xe 2 transitoire , le dimère Xe 2 persistant , la diffusion à travers des gradients dans le champ magnétique appliqué et la relaxation de paroi, respectivement. Dans la plupart des cas, les plus grands contributeurs à la relaxation totale sont les dimères persistants et les relaxations de paroi. Un dimère Xe 2 peut se produire lorsque deux atomes de Xe entrent en collision et sont maintenus ensemble par les forces de van der Waals, et il peut être brisé lorsqu'un troisième atome entre en collision avec lui. Il est similaire à Xe-Rb pendant l'échange de spin (transfert de spin) où ils sont maintenus à proximité les uns des autres via les forces de van der Waals. La relaxation des parois se produit lorsque le Xe hyperpolarisé entre en collision avec les parois de la cellule et est dépolarisé en raison d'impuretés paramagnétiques dans le verre.

La constante de temps d'accumulation, B , peut être mesurée en collectant des spectres RMN à des intervalles de temps compris dans le temps nécessaire pour atteindre la polarisation en régime permanent (c'est-à-dire la polarisation maximale pouvant être atteinte, vue par la sortie de signal maximale). Les intégrales de signal sont ensuite tracées dans le temps et peuvent être ajustées pour obtenir la constante de temps d'accumulation. La collecte d'une courbe d'accumulation à plusieurs températures différentes et le tracé des valeurs en fonction de la densité de vapeur de métal alcalin (puisque la densité de vapeur augmente avec une augmentation de la température de la cellule) peut être utilisé pour déterminer le taux de destruction de spin et le taux d'échange de spin par atome en utilisant :

Où ' est le taux d'échange de spin par atome, [AM] est la densité de vapeur de métal alcalin et SD est le taux de destruction de spin. Ce tracé doit être linéaire, où ' est la pente et SD est l'ordonnée à l'origine.

Détente : T 1

Le pompage optique par échange de spin peut se poursuivre indéfiniment avec un éclairage continu, mais il existe plusieurs facteurs qui provoquent un relâchement de la polarisation et donc un retour aux populations d'équilibre thermique lorsque l'éclairage est arrêté. Afin d'utiliser des gaz rares hyperpolarisés dans des applications telles que l'imagerie pulmonaire, le gaz doit être transféré de la configuration expérimentale à un patient. Dès que le gaz n'est plus activement pompé optiquement, le degré d'hyperpolarisation commence à diminuer jusqu'à ce que l'équilibre thermique soit atteint. Cependant, l'hyperpolarisation doit durer suffisamment longtemps pour transférer le gaz au patient et obtenir une image. Le temps de relaxation de spin longitudinal, noté T 1 , peut être mesuré facilement en collectant des spectres RMN au fur et à mesure que la polarisation diminue avec le temps une fois l'éclairage arrêté. Cette vitesse de relaxation est régie par plusieurs mécanismes de dépolarisation et s'écrit :

Où les trois termes contributifs sont pour la relaxation collisionnelle (CR), la relaxation d'inhomogénéité du champ magnétique (MFI) et la relaxation causée par la présence d'oxygène paramagnétique (O2). La durée T 1 peut aller de quelques minutes à plusieurs heures, selon le soin apporté à atténuer les effets de CR, MFI et O 2 . Le dernier terme a été quantifié à 0,360 s -1 amagat -1 , mais les premier et deuxième termes sont difficiles à quantifier car le degré de leur contribution à la T 1 globale dépend de l'optimisation de la configuration expérimentale et de la cellule. préparé.

Configuration expérimentale dans SEOP

Figure 5. Photo de cellules optiques de 2" de diamètre et 10" de longueur.

Afin d'effectuer SEOP, il est d'abord nécessaire de préparer la cellule optique. Les cellules optiques (figure 5) sont conçues pour le système particulier à l'esprit et le verre soufflé à l'aide d'un matériau transparent, généralement du verre pyrex (borosilicate). Cette cellule doit ensuite être nettoyée pour éliminer tous les contaminants, en particulier les matériaux paramagnétiques qui diminuent la polarisation et le T 1 . La surface interne de la cellule est ensuite revêtue pour (a) servir de couche protectrice pour le verre afin de réduire le risque de corrosion par le métal alcalin, et (b) minimiser la dépolarisation causée par les collisions de molécules de gaz polarisées avec le parois de la cellule. La diminution de la relaxation des parois conduit à une polarisation plus longue et plus élevée du gaz noble.

Figure 6. Structure de SurfaSil.

Alors que plusieurs revêtements ont été testés au fil des ans, SurfaSil (Figure 6, maintenant appelé fluide de silicone soluble dans les hydrocarbures) est le revêtement le plus couramment utilisé dans un rapport de 1:10 SurfaSil: hexane car il fournit des valeurs T 1 longues . L'épaisseur de la couche de SurfaSil est d'environ 0,3-0,4 µm. Une fois uniformément revêtue et séchée, la cellule est ensuite placée dans un environnement inerte et une gouttelette de métal alcalin (≈ 200 mg) est placée dans la cellule, qui est ensuite dispersée pour créer un revêtement uniforme sur les parois des cellules. Une méthode pour transférer le métal alcalin dans la cellule est la distillation. Dans la méthode de distillation, la cellule est connectée à un collecteur en verre équipé pour contenir à la fois du gaz sous pression et du vide, auquel une ampoule de métal alcalin est connectée. Le collecteur et la cellule sont aspirés, puis le sceau de l'ampoule est brisé et le métal alcalin est déplacé dans la cellule à l'aide de la flamme d'un chalumeau à gaz. La cellule est ensuite remplie du mélange gazeux souhaité d'azote et de gaz noble. Il faut veiller à ne pas empoisonner la cellule à aucun stade de la préparation de la cellule (exposer la cellule à l'air atmosphérique).

Plusieurs tailles et conceptions de cellules ont été utilisées au fil des ans. L'application souhaitée est ce qui régit la conception de la cellule de pompage optique et dépend du diamètre du laser, des besoins d'optimisation et des considérations d'utilisation clinique. Le ou les métaux alcalins et gaz spécifiques sont également choisis en fonction des applications souhaitées.

Figure 7. Configuration expérimentale qui consiste à éclairer une cellule optique contenant un métal alcalin, un gaz noble et de l'azote gazeux.

Une fois la cellule terminée, une bobine de surface (ou des bobines, selon le type de bobine souhaitée) est scotchée à l'extérieur de la cellule, ce qui a) permet de produire des impulsions RF afin de faire basculer les spins polarisés dans le champ de détection ( x,y plan) et b) détecte le signal produit par les spins nucléaires polarisés. La cellule est placée dans un four qui permet de chauffer la cellule et son contenu afin que le métal alcalin entre en phase vapeur, et la cellule est centrée dans un système de bobine qui génère un champ magnétique appliqué (le long de l'axe z). Un laser, accordé sur la ligne D 1 (transition électrique-dipôle) du métal alcalin et avec un diamètre de faisceau correspondant au diamètre de la cellule optique, est ensuite aligné avec les plans optiques de la cellule de telle sorte que l'intégralité de la cellule est éclairée par une lumière laser pour fournir la plus grande polarisation possible (figure 7). Le laser peut être n'importe où entre des dizaines de watts et des centaines de watts, où une puissance plus élevée donne une polarisation plus importante mais est plus coûteuse. Afin d'augmenter encore la polarisation, un miroir rétro-réfléchissant est placé derrière la cellule afin de faire passer la lumière laser à travers la cellule deux fois. De plus, un iris IR est placé derrière le miroir, fournissant des informations sur l'absorption de la lumière laser par les atomes de métaux alcalins. Lorsque le laser éclaire la cellule, mais que la cellule est à température ambiante, l'iris IR est utilisé pour mesurer le pourcentage de transmission de la lumière laser à travers la cellule. Au fur et à mesure que la cellule est chauffée, le rubidium entre en phase vapeur et commence à absorber la lumière laser, entraînant une diminution du pourcentage de transmission. La différence du spectre IR entre un spectre à température ambiante et un spectre pris pendant que la cellule est chauffée peut être utilisée pour calculer une valeur estimée de polarisation du rubidium, P Rb .

Alors que SEOP continue de se développer et de s'améliorer, il existe plusieurs types de bobines RMN, de fours, de bobines génératrices de champ magnétique et de lasers qui ont été et sont utilisés pour générer des gaz hyperpolarisés. Généralement, les bobines RMN sont fabriquées à la main dans un but précis, soit en tournant le fil de cuivre à la main dans la forme souhaitée, soit en imprimant en 3D la bobine. Généralement, le four est un four à air pulsé, avec deux faces en verre pour que la lumière laser passe à travers la cellule, un couvercle amovible et un trou à travers lequel une conduite d'air chaud est connectée, ce qui permet de chauffer la cellule par conduction. Les bobines génératrices de champ magnétique peuvent être une paire de bobines de Helmholtz, utilisées pour générer l'intensité de champ magnétique souhaitée, dont le champ souhaité est régi par :

Où est la fréquence de Larmour, ou fréquence de détection souhaitée, est le rapport gyromagnétique des noyaux d'intérêt, et B 0 est le champ magnétique requis pour détecter les noyaux à la fréquence souhaitée. Un jeu de quatre bobines électromagnétiques peut également être utilisé (c'est-à-dire d'Acutran) et d'autres conceptions de bobines sont en cours de test.

Dans le passé, la technologie laser était un facteur limitant pour SEOP, où seuls quelques métaux alcalins pouvaient être utilisés en raison du manque, par exemple, de lasers au césium. Cependant, il y a eu plusieurs nouveaux développements, y compris de meilleurs lasers au césium, une puissance plus élevée, une largeur spectrale plus étroite, etc. qui permettent d'augmenter la portée du SEOP. Néanmoins, plusieurs fonctionnalités clés sont requises. Idéalement, le laser doit être à onde continue pour garantir que le métal alcalin et le gaz noble restent polarisés à tout moment. Afin d'induire cette polarisation, la lumière laser doit être polarisée circulairement dans la direction qui permet aux électrons de se polariser en spin. Cela se fait en faisant passer la lumière laser à travers un séparateur de faisceau polarisant pour séparer les composantes s et p , puis à travers une lame quart d'onde, qui convertit la lumière polarisée linéairement en lumière polarisée circulairement.

Gaz nobles et métaux alcalins

SEOP a été utilisé avec succès et est assez bien développé pour 3 He, 129 Xe et 83 Kr pour des applications biomédicales. De plus, plusieurs améliorations sont en cours pour obtenir une imagerie améliorée et interprétable des cellules cancéreuses en science biomédicale. Des études impliquant l'hyperpolarisation du 131 Xe sont en cours, suscitant l'intérêt des physiciens. Des améliorations sont également apportées pour permettre non seulement d'utiliser le rubidium dans le transfert de spin, mais également le césium. En principe, n'importe quel métal alcalin peut être utilisé pour le SEOP, mais le rubidium est généralement préféré en raison de sa pression de vapeur élevée, ce qui permet d'effectuer des expériences à des températures relativement basses (80 °C-130 °C), ce qui réduit le risque d'endommager le cellule de verre. De plus, la technologie laser pour le métal alcalin de choix doit exister et être suffisamment développée pour obtenir une polarisation substantielle. Auparavant, les lasers disponibles pour exciter la transition au césium D 1 n'étaient pas bien développés, mais ils deviennent maintenant plus puissants et moins chers. Des études préliminaires montrent même que le césium peut donner de meilleurs résultats que le rubidium, même si le rubidium a été le métal alcalin de choix pour le SEOP.

La méthode d'hyperpolarisation appelée pompage optique à échange de spin (SEOP) est utilisée pour hyperpolariser les gaz rares tels que le xénon-129 et l'hélium-3. Lorsqu'un gaz hyperpolarisé inhalé comme le 3He ou le 129Xe est imagé, la densité de magnétisation des molécules actives en RMN dans le poumon est plus élevée que l'imagerie 1H traditionnelle, ce qui améliore les images IRM pouvant être obtenues. Contrairement à l'IRM protonique qui rend compte des caractéristiques anatomiques des tissus pulmonaires, l'IRM Xenon signale la fonction pulmonaire, y compris la ventilation, la diffusion et la perfusion des gaz.

Raisonnement

Notre objectif est d'identifier l'infection ou la maladie (le cancer, par exemple) n'importe où dans notre corps, comme le cerveau, le cerveau, le sang, les fluides et les tissus. Cette cellule infectieuse est appelée collectivement biomarqueur. Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS) et en collaboration avec les Nations Unies et l'Organisation internationale du travail ont défini de manière convaincante le biomarqueur comme « toute substance, structure ou processus pouvant être mesuré dans le corps ou ses produits et influencer ou prédire l'incidence des résultats. ou la maladie ». Le biomarqueur doit être quantifiable jusqu'à un certain niveau dans le processus biologique du bien-être.

Un exemple spécifique de biomarqueur est le cholestérol sanguin que nous connaissons couramment pour les maladies coronariennes ; un autre biomarqueur est le PSA (Prostate-Specific Antigen) et a contribué au cancer de la prostate. De nombreux biomarqueurs sont considérés comme étant cancérigènes : acide ribonucléique du virus de l'hépatite C (ARN-VHC), rapport international normalisé (INR), temps de prothrombine (PT), protéine monoclonale (protéine M), antigène du cancer-125 (CA- 125), virus de l'immunodéficience humaine - acide ribonucléique (ARN du VIH), peptide natriurétique de type B (BNP). 27 et Cellule de lymphome (lignées cellulaires Ramos et lignées cellulaires Jurkat) une forme de cancer.

Les autres biomarqueurs courants sont le cancer du sein, le cancer de l'ovaire, le cancer colorectal, le cancer du poumon et la tumeur cérébrale.

Cet agent de verdict causant la maladie est le biomarqueur existant en quantité extrêmement infime, en particulier dans l'état initial de la maladie. Par conséquent, l'identification ou l'obtention d'images de biomarqueurs est délicate et, dans de rares circonstances, incertaine par la technologie RMN. Par conséquent, nous devons utiliser l'agent de contraste pour améliorer les images au moins pour visualiser le niveau des médecins. Comme les molécules de biomarqueur sont moins abondantes dans le système in vivo . L'expérience RMN ou IRM fournit un très petit signal même dans certains cas, l'analyseur peut manquer le pic de signal dans les données en raison du manque d'abondance de biomarqueurs. Par conséquent, pour nous assurer, pour parvenir à la vraie conclusion sur l'existence de biomarqueurs causant des problèmes, nous devons améliorer la sonde (mécanismes de contraste) pour obtenir le pic clair au niveau le plus visible de la hauteur du pic ainsi que la position du pic de données. S'il est possible de rassembler les données acceptables et clairement interprétables de l'expérience RMN ou IRM en utilisant l'agent de contraste, alors les experts peuvent prendre une première mesure appropriée pour récupérer les patients qui ont déjà souffert d'un cancer. Parmi les différentes techniques pour obtenir les données améliorées dans l'expérience IRM, SEOP est l'une d'entre elles.

Les chercheurs du SEOP sont intéressés par l'utilisation du 129 Xe. Parce que 129 Xe a un certain nombre de faits favorables en RMN Tech. pour agir comme agent de contraste même sur les autres nouveaux gaz :

  • Le xénon inerte ne montre pas de réaction chimique comme les autres métaux et non-métaux car la configuration électronique du xénon est entièrement occupée et il n'est pas non plus radioactif.
  • Il est facile d'obtenir l'état solide liquide à partir de l'état gazeux naturel (figure-8). L'état solide et liquide du 129 Xe sont des plages de température et de pression expérimentalement réalisables.
    Figure 8. Le diagramme ci-dessus montre la température et la pression les plus élevées auxquelles le gaz xénon peut exister simultanément à l'état liquide et gazeux.30
  • Le xénon possède un nuage d'électrons hautement polarisable entourant le noyau. Par conséquent, facilement susceptible d'être soluble avec des composés lipidiques ou organiques, en particulier dans l' environnement in vivo sur le plan biologique. (Tableau 2)
  • Le xénon n'altère pas la structure ou la chimie (comme d'autres gaz rares) lorsqu'il interagit avec d'autres molécules.
  • Selon le scientifique Ostwald, la solubilité est définie comme le coefficient de partage du gaz absorbé par rapport au volume du liquide absorbant. La solubilité du xénon, S Xe(g) = V quantité absorbée de Xe(g) /V absorbant le liquide à température et pression standard (STP).

La solubilité du xénon dans un milieu aqueux de 11 % signifie qu'à 25 °C, 11 ml de gaz xénon peuvent être absorbés par 100 ml d'eau.

Tableau 2. Valeurs de solubilité du 129 Xe dans différents milieux selon la loi d'Oswald pour la solubilité d'un composant.
Nom du composé solvant Température (°C) Ostwald Solubilité en (v/v)%
L'eau 25 0,11
Hexane 25 4.8
Benzène 25 3.1
Fluorobenzène 25 3.3
Le disulfure de carbone 25 4.2
L'eau 37 0,08
Saline 37 0,09
Plasma 37 0,10
Érythorcytes (98%) 37 0,20
Albumine humaine (100% extrapolée) 37 0,15
Du sang 37 0,14
Huile 37 1,90
Tissu adipeux 37 1.30
DMSO 37 0,66
Intralipide (20 %) 37 0,40
PFOB (perflubron) 37 1,20
PFOB (90 % p/v, estimé) 37 0,62
  • La taille atomique du xénon est grande et les électrons de la couche externe sont loin des noyaux, l'électron le plus externe est très susceptible d'être polarisé en particulier dans l'environnement lipidique. Le tableau 2 montre que la solubilité du xénon dans un milieu aqueux à 37 °C est de 8 %, mais que la valeur de solubilité dans l' environnement du tissu adipeux in vivo est de 130 %. La solubilité conduit le Xénon à utiliser dans le système biologique comme agent de contraste.
  • L'effet solvant du xénon est très important pour le xénon 129 par le fait de sa solubilité (tableau 2). La plage de valeurs de déplacement chimique pour le xénon est supérieure à 7 500 ppm. Cependant, l'effet du solvant est limité pour 1 H et 13 C (noyaux actifs en IRM) en raison de la faible plage de valeurs de déplacement chimique pour 1 H est de 20 ppm et pour 13 C est de 300 ppm. Par conséquent, en utilisant le 129 Xe est préférée.

Figure 9 ci-dessous, dans les données expérimentales RMN, il existe différentes valeurs de déplacement chimique pour différents tissus dans un environnement in vivo . Tous les pics sont positionnés sur une si grande plage de valeurs de déplacement chimique pour que le 129 Xe soit viable. Parce que le 129 Xe a une plage de valeurs de déplacement chimique allant jusqu'à 1700 ppm dans les données RMN. D'autres informations spectrales importantes incluent :


Figure 9. Données RMN pour le biocapteur Xe-129 dans un système biologique in vivo .

  • Naturellement, le pic de RMN du 129 Xe a été compté comme référence à 0,0 ppm.
  • Lorsque le 129 Xe s'est incorporé et s'est lié à la molécule de Cryptophane-A, la valeur de déplacement chimique dans l'acquisition RMN est passée à environ 70 ppm.
  • Si hyperpolarisé 129 Xe gazeux est dissous dans le cerveau, puis cinq RMN pics spectraux peuvent être observés.
  • Parmi eux, le plus haut pic à 194,7 ppm. De plus, à 189 ppm, le pic sort des tissus non cérébraux.
  • Deux autres pics sont encore inconnus à 191,6 ppm et 197,8 ppm. A 209,5 ppm, un pic plus petit mais large a été trouvé dans les données de RMN lorsque le 129 Xe a été dissous dans la circulation sanguine.
  • Le 129 Xe hyperpolarisé est un détecteur très sensible de biomarqueur (forme de cancer dans le système vivant).
  • La polarisation du spin nucléaire du 129 Xe ou en général pour les gaz rares, nous pouvons augmenter jusqu'à quintupler via la technique SEOP.
  • En utilisant la technique d'hyperpolarisation SEOP, nous pouvons obtenir des images de l'absorption de xénon dans le tissu cérébral humain.
Figure 10. Mesures de la polarisation du 129 Xe(g) en présence de champs magnétiques faibles et intermédiaires. Tous les chiffres (AD) sont l'amplitude du signal RMN en V/KHz par rapport à la fréquence de Larmor en KHz. (A) Signal RMN 129 Xe(g ) amélioré à la fréquence de Larmor de 62 kHz de la cellule SEOP ; Le xénon (g) a 1545 torr et l'azote (g) a une pression de 455 torr et les données RMN ont été collectées en présence d'un champ magnétique de 5,26 mT. (B) Signal RMN de référence pour l'eau Proton Spin (111M), dopage avec CuSO 4. 5H 2 O (s), 5,0 mM et la polarisation a été créée thermiquement en présence de champs magnétiques de 1,46 mT (le nombre de balayages était de 170 000 fois). (C) Les données RMN pour le 129 Xe hyperpolarisé ont été collectées en présence de champs magnétiques de 47,5 mT. ( 129 Xe était de 300 torr et N 2 était de 1700 torr). (D) Le signal RMN de référence pour le 13 C a été collecté à partir de 170,0 mM de CH 3 COONa (l) en présence d'un champ magnétique de 47,5 mT. 32

(Figure 10) 129 Xe (g) montre une amélioration satisfaisante de la polarisation pendant SEOP par rapport à l'amélioration thermique de la polarisation. Ceci est démontré par les valeurs des données expérimentales lorsque les spectres RMN sont acquis à différentes intensités de champ magnétique. Voici quelques points importants tirés des données expérimentales :

  • La polarisation 129 Xe a été multipliée par environ 144 000 dans la technologie SEOP. sur amélioré thermiquement pour la polarisation 1 H dans l'expérience RMN. Les deux expériences qui ont montré cela ont été réalisées dans des conditions identiques et en utilisant la même fréquence radio pendant l'expérience RMN.
  • Une valeur similaire d'amélioration du signal de 140 000 fois pour l' hyperpolarisation du 129 Xe dans SEOP par rapport au signal RMN 13 C thermiquement amélioré de référence est également observée dans les données RMN expérimentales. Les deux données ont été collectées dans une fréquence de Larmor identique et d'autres conditions expérimentales et la même fréquence radio lors de la collecte de données RMN.
Figure 11. IRM 129 Xe(g) étudiant en présence d'un champ élevé vs T 1 (temps de relaxation de spin longitudinal) pendant la décroissance de l'hyperpolarisation du 129 Xe(g) en présence de champs magnétiques d'intensités différentes ; 3,0 T pour le triangle bleu, environ 1,5 mT pour les cercles rouges et environ 0,0 mT pour les carrés blancs. Le 129 Xe(g) hyperpolarisé a été transféré dans des sacs pour enfants puis a compté séparément le temps de décroissance T 1 en présence de différents champs magnétiques. Augmentation de l'intensité du champ magnétique (1,5 mT à 3000 mT) provoquant un temps de décroissance d'environ jusqu'à huit fois.

(Figure 11) Le temps de relaxation de spin longitudinal (T 1 ) est très sensible avec une augmentation du champ magnétique et améliore donc les signaux RMN est perceptible dans SEOP en cas de 129 Xe. Comme T 1 est plus élevé pour le marquage bleu, l'expérience de RMN de conditionnement montre un pic plus amélioré par rapport aux autres. Pour le 129 Xe hyperpolarisé dans des sacs en tedlar, le T 1 est de 38 ± 12 minutes lorsque les données sont collectées en présence d'un champ magnétique de 1,5 mT. Cependant, augmentation satisfaisante du temps de retard T 1 (354 ± 24 minutes) lorsque les données ont été collectées en présence d'un champ magnétique de 3000 mT.

Utilisation de Rb vs. Cs dans les expériences de RMN SEOP

En général, nous pouvons utiliser les atomes de métal alcalin 87 Rb ou 133 Cs avec de l'azote gazeux inerte. Cependant, nous utilisons des atomes de 133 Cs avec de l'azote pour effectuer l'échange de spin avec 129 Xe pour un certain nombre d'avantages :

  • Le 133 Cs a une abondance naturelle parfaite tandis que le rubidium a deux isotopes ( 85 Rb et 87 Rb). L'abstraction d'un isotope séparément de ces deux ( 85 Rb et 87 Rb) est difficile à comparer pour collecter l' isotope 133 Cs. L'abstraction de 133 Cs est pratique.
  • La cellule de pompage optique fonctionne normalement à une température plus basse pour éviter les problèmes de dégradation chimique. SEOP utilise du 133 C à basse température et, par conséquent, il a moins de corrosion chimique avec le verre à paroi cellulaire SEOP.
  • Le couple 133 Cs- 129 Xe a un taux d'échange de spin d'environ 10%, ce qui est supérieur à celui du couple 87 Rb- 129 Xe.

Bien que le 129 Xe ait un tas d'applications caractéristiques préférables dans la technique RMN, le 83 Kr peut également être utilisé car il présente de nombreux avantages dans les techniques RMN de différentes manières que le 129 Xe.

  • L' isotope stable 83 Kr a un spin I = 9/2 et a des parois de Vander plus grandes de taille 2.02A 0 . Il a un effet quadripolaire qui peut être diffusé dans l'environnement proche rapidement et de manière distincte ( système in vivo des milieux polaires à non polaires ).
  • La composition chimique des matériaux peut influencer la relaxation longitudinale du 83 Kr hyperpolarisé .
  • La relaxation permet de distinguer le substrat hydrophobe et hydrophile. Bien que 3 He et 129 Xe aient un demi-spin, mais ils ne sont pas actifs quadripolaires.
  • Cependant, les 21 Ne ( I=3/2) , 83 Kr( I=9/2) et 131 Xe ( I=3/2) ont un moment quadripolaire. 34 Les interactions quadripolaires font de ces isotopes une relaxation de spin.
  • En raison de cette relaxation de spin et de cette évolution, ces isotopes peuvent être utilisés comme agents de contraste pour dire que la sonde peut déterminer la caractéristique structurelle et les compositions chimiques des surfaces pour un milieu perméable.
  • SEOP peut calculer la relaxation du spin T 1 en utilisant l'équation des moindres carrés non linéaires pour le signal 83 Kr en fonction du temps ainsi que le nombre expérimental d'angle de bascule du support (≈12°) pour la RMN expérimentant des impulsions de radiofréquence.
  • Le 83 Kr hyperpolarisé est séparé des gaz 87 Rb après échange de spin dans le processus de pompage optique, puis utilisé dans divers systèmes in vivo pour obtenir un signal IRM. C'est le premier isotope qui a montré beaucoup d'applicabilité pour la technique d'IRM même si le spin est de 9½.
  • Au cours de l'expérience du tissu pulmonaire canin, l'aimant utilisé était de 9,4 T, le milieu était poreux et de porosité similaire aux dimensions alvéolaires qui est disséminé à la pression atmosphérique. La relaxation du réseau de spin était raisonnablement assez longue pour qu'elle soit applicable au système in vivo bien que le niveau d'oxygène puisse être de 20 %.
  • Comme l' agent de contraste 83 Kr est prometteur pour développer une méthodologie d'IRM in vivo vierge pour identifier les maladies pulmonaires, ces effets ont été causés à la surface du parenchyme en raison de la concentration de surfactant.
  • Au-delà de la limite, cet agent de contraste particulier peut déterminer la taille de la coulée des supports poreux en science des matériaux.
  • De plus, cette technique peut nous amener à préparer le revêtement de surface, les fluctuations spatiales des surfaces. Finalement, sans fin, le bon signe de cet agent de contraste comme l'abondance naturelle (11,5% de 83 Kr) le rend facile à obtenir avec un prix raisonnable de 5 $/L.

Applications d'imagerie de SEOP

Des mesures sont également prises dans les universités et l'industrie pour utiliser ce gaz hyperpolarisé pour l'imagerie pulmonaire. Une fois que le gaz ( 129 Xe) est hyperpolarisé par le processus SEOP et que le métal alcalin est éliminé, un patient (soit en bonne santé ou souffrant d'une maladie pulmonaire) peut respirer le gaz et une IRM peut être réalisée. Il en résulte une image des espaces dans les poumons remplis de gaz. Bien que le processus pour arriver à l'imagerie du patient puisse nécessiter des connaissances de la part de scientifiques très familiers avec cette technique et l'équipement, des mesures sont prises pour éliminer le besoin de ces connaissances afin qu'un technicien hospitalier puisse produire le gaz hyperpolarisé. à l'aide d'un polariseur.

Des machines d'hyperpolarisation sont actuellement utilisées pour développer du gaz xénon hyperpolarisé qui est utilisé comme agent de visualisation pour les poumons. Le xénon-129 est un gaz noble inerte sûr qui peut être utilisé pour quantifier la fonction pulmonaire. Avec une seule apnée de 10 secondes, le Xénon-129 hyperpolarisé est utilisé avec l'IRM pour permettre l'imagerie pulmonaire en 3 dimensions. L'IRM au xénon est utilisée pour surveiller les patients atteints d'une maladie pulmonaire vasculaire pulmonaire, obstructive ou fibrotique.

Le 129 Xe SEOP à variation de température dans un modèle de lot automatisé à haut rendement Le 129 Xe hyperpolarisé peut utiliser trois plages de températures principales pour mettre certaines conditions : Premièrement, le taux d'hyperpolarisation du 129 Xe est extrêmement élevé à chaud. Deuxièmement, à chaud, l'hyperpolarisation du 129 Xe est l'unité. Troisièmement, à froid, le niveau d'hyperpolarisation du gaz 129 Xe au moins peut obtenir l'imagerie (à la température du corps humain) bien que pendant le transfert dans le sac Tedlar ayant un faible pourcentage de 87 Rb (moins de 5 ng/L dose).

L'analyse multiparamétrique de 87 Rb/ 129 Xe SEOP à haute pression de xénon et flux de photons pourrait être utilisée comme agent de contraste d'impression 3D et à flux arrêté à l'échelle clinique. En situ technique, la machine de RMN a été effectuée pour suivre la dynamique de 129 polarisation Xe en fonction de conditionnement SEOP cellules avec différents paramètres de fonctionnement tels que la collecte de données de température, le flux de photons, et 129 Xe pression partielle d'améliorer la 129 polarisation Xe ( P Xe ).

Tableau 3. Valeurs de polarisation 129 Xe pour différentes pressions partielles.
P Xe 95±9% 73±4% 60±2% 41±1% 31±1%
Pression partielle de Xe (torr) 275 515 1000 1500 2000

Toutes ces valeurs de polarisation de 129 Xe ont été approuvées en poussant le gaz hyperpolarisé 129 Xe et toutes les expériences d'IRM ont également été effectuées à un champ magnétique inférieur de 47,5 mT. Enfin, des démonstrations ont indiqué qu'une telle région de haute pression, la polarisation des gaz 129 Xe pourrait être incrémentée encore plus que la limite qui a déjà été montrée. Une meilleure gestion thermique SEOP et l'optimisation de la cinétique de polarisation ont été encore améliorées avec une bonne efficacité.

SEOP sur les solides

Non seulement le SEOP peut être utilisé pour hyperpolariser les gaz rares, mais un développement plus récent est le SEOP sur les solides. Elle a été réalisée pour la première fois en 2007 et a été utilisée pour polariser les noyaux dans un solide, permettant aux noyaux qui ne peuvent pas être polarisés par d'autres méthodes de devenir hyperpolarisés. Par exemple, la polarisation nucléaire du 133 Cs sous la forme d'un film solide de CsH peut être augmentée au-dessus de la limite de Boltzmann. Cela se fait en pompant d'abord optiquement de la vapeur de césium, puis en transférant la polarisation de spin au sel de CsH, ce qui donne une amélioration de 4,0.

Les cellules sont fabriquées comme décrit précédemment en utilisant une distillation, puis remplies d'hydrogène gazeux et chauffées pour permettre au métal Cs de réagir avec l'hydrogène gazeux pour former le sel de CsH. L'hydrogène n'ayant pas réagi a été éliminé et le processus a été répété plusieurs fois pour augmenter l'épaisseur du film de CsH, puis mis sous pression avec de l'azote gazeux. Habituellement, les expériences SEOP sont effectuées avec la cellule centrée dans des bobines de Helmholtz ou électromagnétiques, comme décrit précédemment, mais ces expériences ont été réalisées dans un aimant supraconducteur de 9,4 T en faisant passer le laser à travers l'aimant et en chauffant électriquement la cellule. À l'avenir, il sera peut-être possible d'utiliser cette technique pour transférer la polarisation à 6 Li ou 7 Li, conduisant à encore plus d'applications puisque le T 1 devrait être plus long. Depuis la découverte de cette technique qui permet de caractériser les solides, elle a été améliorée de telle sorte qu'il n'est pas nécessaire de polariser la lumière pour polariser le solide ; à la place, une lumière non polarisée dans un champ magnétique peut être utilisée. Dans cette méthode, la laine de verre est recouverte de sel de CsH, augmentant la surface du CsH et donc augmentant les chances de transfert de spin, ce qui donne des améliorations de 80 fois à faible champ (0,56 T). Comme dans le film de CsH hyperpolarisant, le césium métallique dans cette méthode de laine de verre a été autorisé à réagir avec de l'hydrogène gazeux, mais dans ce cas, le CsH s'est formé sur les fibres de verre au lieu de la cellule de verre.

Pompage optique d'échange de métastabilité

3 Il peut également être hyperpolarisé en utilisant le pompage optique à échange de métastabilité (MEOP). Ce processus est capable de polariser des noyaux de 3 He à l'état fondamental avec des noyaux de 3 He pompés optiquement à l'état métastable. La MEOP ne fait intervenir que des noyaux de 3 He à température ambiante et à basse pression (≈ quelques mbars). Le procédé de MEOP est très efficace (taux de polarisation élevé), cependant, la compression du gaz jusqu'à la pression atmosphérique est nécessaire.

Polarisation nucléaire dynamique

Les composés contenant de RMN des noyaux -sensibles, tel que 1 H, 13 C ou 15 N , peuvent être hyperpolarisées en utilisant la polarisation nucléaire dynamique (DNP). Le DNP est généralement effectué à basse température (≈100 K) et à champ magnétique élevé (≈3 T). Le composé est ensuite décongelé et dissous pour donner une solution à température ambiante contenant des noyaux hyperpolarisés. Ce liquide peut être utilisé en imagerie métabolique in vivo pour l'oncologie et d'autres applications. Les niveaux de polarisation 13 C dans les composés solides peuvent atteindre jusqu'à ≈ 64 % et les pertes lors de la dissolution et du transfert de l'échantillon pour les mesures RMN peuvent être minimisées à quelques pour cent. Les composés contenant des noyaux actifs en RMN peuvent également être hyperpolarisés en utilisant des réactions chimiques avec du para-hydrogène , voir Polarisation induite par le para-hydrogène (PHIP).

Polarisation induite par le parahydrogène

L'hydrogène moléculaire, H 2 , contient deux isomères de spin différents , le para-hydrogène et l'ortho-hydrogène, avec un rapport de 25:75 à température ambiante. Créer une polarisation induite par le para-hydrogène (PHIP) signifie que ce rapport est augmenté, c'est-à-dire que le para-hydrogène est enrichi. Ceci peut être accompli en refroidissant l'hydrogène gazeux puis en induisant une conversion ortho-en-para via un catalyseur d'oxyde de fer ou de charbon de bois. Lors de l'exécution de cette procédure à ≈ 70 K (c'est-à-dire avec de l'azote liquide), le para-hydrogène est enrichi de 25 % à env. 50%. En refroidissant à moins de 20 K puis en induisant la conversion ortho-à-para, on peut obtenir près de 100 % de parahydrogène.

Pour des applications pratiques, le PHIP est le plus souvent transféré aux molécules organiques en faisant réagir l'hydrogène hyperpolarisé avec des molécules précurseurs en présence d'un catalyseur de métal de transition. Signaux de RMN du proton avec env. Une intensité augmentée de 10 000 fois peut être obtenue par rapport aux signaux RMN de la même molécule organique sans PHIP et donc seulement une polarisation "thermique" à température ambiante.

Amplification du signal par échange réversible (SABRE)

L'amplification du signal par échange réversible (SABRE) est une technique permettant d'hyperpolariser des échantillons sans les modifier chimiquement. Par rapport à l'orthohydrogène ou aux molécules organiques, une fraction beaucoup plus importante des noyaux d'hydrogène dans le parahydrogène s'aligne avec un champ magnétique appliqué. Dans SABRE, un centre métallique se lie de manière réversible à la fois à la molécule d'essai et à une molécule de parahydrogène, ce qui permet à la molécule cible de capter la polarisation du parahydrogène. Cette technique peut être améliorée et utilisée pour une large gamme de molécules organiques en utilisant une molécule intermédiaire "relais" comme l'ammoniac. L'ammoniac se lie efficacement au centre métallique et capte la polarisation du parahydrogène. L'ammoniac lui transfère ensuite d'autres molécules qui ne se lient pas aussi bien au catalyseur métallique. Ce signal RMN amélioré permet l'analyse rapide de très petites quantités de matière.

Voir également

Les références

Liens externes