[論文レビュー] Effect of the hydrogenation solvent in the PHIP-SAH hyperpolarization of [1- 13 C]pyruvate

Oksana Bondar, Eleonora Cavallari+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 41被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、[1-13C]ピルビン酸におけるPHIP-SAHハイパーポラリゼーション効率および極化度に及ぼす水素化溶媒の影響を調査した。クロロホルムまたはトルエン/エタノール混合溶媒を用いることで、ハイパーポラリゼートされたナトリウムピルビン酸を水相に効果的に分配移動させることができ、その後リポフィリックな樹脂（テンラックス® TA）を用いたろ過処理により残留有機溶媒を安全なレベルまで低減した。この処理で4.1 ± 0.3%の13Cハイパーポラリゼーションを保持したが、これはin-vivo 13C MRI応用に十分な水準であった。

ABSTRACT

ParaHydrogen Induced Polarization-Side Arm Hydrogenation (PHIP-SAH) is an inexpensive tool to obtain hyperpolarized pyruvate (and other metabolites) that can be applied to in-vivo diagnostics, for the investigation of metabolic processes. This method is based on hydrogenation, using hydrogen enriched in the para-isomer, of unsaturated substrates, catalyzed, usually, by a homogeneous rhodium(I) complex. In this work, the effect of the solvent on the hydrogenation efficiency and on the hyperpolarization level were investigated. Coordinating solvents, such as acetone and methanol, can increase significantly either the efficiency or the hyperpolarization level, but they are not compatible with the intended metabolic applications. The phase extraction of the hyperpolarized product (sodium pyruvate) in an aqueous solution was obtained carrying out the hydrogenation reaction in chloroform and toluene. The traces of the organic solvents in the water phase were removed, by means of filtration through a lipophilic resin, thus improving the biocompatibility of the aqueous solution of the hyperpolarized product.

研究の動機と目的

• 異なる溶媒がPHIP-SAHによる[1-13C]ピルビン酸の水素化効率およびハイパーポラリゼーション度に与える影響を評価すること。
• 非配位性溶媒を用いた水素化後にハイパーポラリゼートされたピルビン酸を水相に抽出することで、in-vivo 応用に適合可能な状態を実現すること。
• 最終的な水相製品中の残留有機溶媒濃度を生体適合性基準に適合させるため、低減すること。
• 極化度損失を最小限に抑えるためのリポフィリックな樹脂を用いたろ過プロトコルの開発。
• 非配位性溶媒を用い、水素化後処理を施すことにより、in-vivo 13C MRI応用に十分な極化度を有するハイパーポラリゼート[1-13C]ピルビン酸が得られることを実証すること。

提案手法

• プロパルジル-[1-13C]ピルビン酸の水素化は、酢酸エチル、メタノール、クロロホルム、トルエン/エタノール混合物を含むさまざまな溶媒中でRh(I)触媒を用いて行った。
• 水素化効率と極化度の測定には1H NMRおよび13C NMRを用いた。
• 水素化後、反応混合物を加水分解してエステルをナトリウム[1-13C]ピルビン酸に変換した。
• 分配抽出を実施し、有機溶媒および触媒から分離されたハイパーポラリゼート生成物を水相に移動させた。
• 残留有機溶媒は、リポフィリックなテンラックス® TA樹脂を用いたろ過処理により除去した。極化度損失を防ぐためにPEEKフィルターを用いた。
• 極化度は13C NMRを用いて定量し、水相中の溶媒濃度はGC-MSを用いて測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素化溶媒の選択がPHIP-SAHによる[1-13C]ピルビン酸の極化度および反応効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 有機相から水相へのハイパーポラリゼート[1-13C]ピルビン酸の移動が、顕著な極化度損失を伴わずに行えるか？
• RQ3 分配抽出および精製処理後の最終水相製品中の有機溶媒（クロロホルム、トルエン）の残留濃度はどの程度か？
• RQ4 リポフィリックな樹脂（テンラックス® TA）を用いたろ過処理が、有機溶媒を効果的に除去するとともに極化度を保持できるか？
• RQ5 最終的なハイパーポラリゼート[1-13C]ピルビン酸は、in-vivo 13C MRI応用に十分な極化度を有しているか？

主な発見

• トルエン/エタノール（5% v/v）を用いた水素化で、アリルエステル中間体の13C極化度が最高の8.4 ± 0.6%を記録した。
• 加水分解および分配抽出後、トルエン/エタノールを溶媒として用いた場合、水相ナトリウム[1-13C]ピルビン酸の13C極化度は4.1 ± 0.3%であった。
• テンラックス® TA樹脂を用いたろ過処理により、水相中のクロロホルム濃度は0.5 ± 0.1 mMまで低下し、EPA基準の0.59 mM未満となった。
• トルエンは樹脂ろ過工程で完全に除去され、最終製品中に存在しなくなった。
• ろ過遅延（18–20秒）に起因する10–15%の極化度損失が見られたが、最終的な4.1 ± 0.3%の極化度はin-vivo 13C MRI応用に適している。
• 樹脂ろ過中にPEEKフィルターを用いることで、ステンレス鋼フィルターと異なり顕著な極化度損失を防げた。