[논문 리뷰] Effect of the hydrogenation solvent in the PHIP-SAH hyperpolarization of [1- 13 C]pyruvate

Oksana Bondar, Eleonora Cavallari외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Advanced NMR Techniques and Applications참고 문헌 41인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 [1-13C]피루브산에서 PHIP-SAH 초극화 효율성과 극화 수준에 대한 수소화 용매의 영향을 조사한다. 클로로포름 또는 톨루엔/에탄올 혼합용매를 사용하면 초극화된 나트륨 피루브산을 수용액으로 효과적으로 계면 이동시킬 수 있었으며, 이는 지용성 수지(Tenax® TA)를 통한 여과를 통해 잔류 유기 용매를 안전 수준 이하로 낮추면서도 4.1 ± 0.3%의 13C 초극화를 유지하였다. 이 정도의 극화 수준은 생체 내 13C-MRI 적용에 충분하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 용매가 PHIP-SAH에서 [1-13C]피루브산의 수소화 효율성과 초극화 수준에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비배치용 용매에서 수소화 후 초극화된 피루브산을 수용액으로 이동시켜 생체 내 적용 가능성을 확보하기 위해.
• 최종 수용액 제품에서 잔류 유기 용매 농도를 생체 적합성 기준에 부합하도록 낮추기 위해.
• 초극화 손실을 최소화하는 지용성 수지를 이용한 여과 프로토콜을 개발하기 위해.
• 비배치용 용매와 수소화 후 정제를 통해 생체 내 13C-MRI 적용에 적합한 극화 수준을 확보한 초극화된 [1-13C]피루브산을 도출하기 위해.

제안 방법

• 프로파르기-[1-13C]피루브산의 수소화는 아세톤, 메탄올, 클로로포름, 톨루엔/에탄올 혼합용매를 포함한 다양한 용매에서 Rh(I) 촉매를 사용하여 수행되었다.
• 수소화 효율성과 초극화 수준 측정을 위해 1H NMR 및 13C NMR를 사용하였다.
• 수소화 후 반응 혼합물은 에스터를 나트륨 [1-13C]피루브산으로 전환하기 위해 수해합 처리되었다.
• 계면 이동을 수행하여 초극화된 제품을 수용액으로 이동시키고, 유기 용매 및 촉매를 분리하였다.
• 잔류 유기 용매는 PEEK 필터를 사용하여 지용성 수지(Tenax® TA)를 통한 여과로 제거하였으며, 이는 초극화 손실을 방지하기 위한 조치였다.
• 13C NMR를 통해 극화 수준을 정량화하였고, GC-MS를 사용하여 수용액 내 용매 농도를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소화 용매의 선택이 PHIP-SAH에서 [1-13C]피루브산의 초극화 수준과 반응 효율성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 초극화된 [1-13C]피루브산이 유기 용매에서 수용액으로 효과적으로 이동될 수 있으며, 극화 손실이 크게 발생하지 않는가?
• RQ3 계면 이동 및 정제 후 최종 수용액 제품에서 잔류 유기 용매(클로로포름, 톨루엔)의 농도는 얼마인가?
• RQ4 지용성 수지(Tenax® TA)를 통한 여과가 유기 용매를 효과적으로 제거하면서도 초극화를 유지하는가?
• RQ5 최종 초극화된 [1-13C]피루브산 농도가 생체 내 13C-MRI 적용에 충분한가?

주요 결과

• 톨루엔/에탄올(5% v/v)에서의 수소화는 알릴 에스터 중간체에서 최고의 13C 초극화 수준 8.4 ± 0.6%를 기록하였다.
• 수해합 및 계면 이동 후, 톨루엔/에탄올을 용매로 사용할 경우 수용성 나트륨 [1-13C]피루브산의 13C 초극화 수준은 4.1 ± 0.3%였다.
• Tenax® TA 수지를 통한 여과로 수용액 내 클로로포름 농도가 0.5 ± 0.1 mM로 감소하였으며, 이는 EPA 안전 기준인 0.59 mM 이하였다.
• 톨루엔은 수지 여과 단계에서 완전히 제거되어 최종 제품에 존재하지 않았다.
• 여과 지연(18–20초)으로 인한 10–15%의 극화 손실에도 불구하고, 최종 4.1 ± 0.3%의 극화 수준은 생체 내 13C-MRI에 적합하다.
• 여과 중 PEEK 필터를 사용함으로써 유의미한 초극화 손실을 방지하였으며, 스테인리스 스틸 필터와는 달리 효과적이었다.