[논문 리뷰] LED-based photo-CIDNP hyperpolarization enables 19F MR imaging and 19F NMR spectroscopy of 3-fluoro-DL-tyrosine at 0.6 T

Johannes Bernarding, Christian Bruns외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 13.

Advanced NMR Techniques and Applications참고 문헌 56인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 0.6 T에서 저비용 파란 LED를 사용하여 3-플루오로-DL-티로신에서 19F의 LED 기반 광화학 CIDNP 초극화를 입증하였으며, 신호 증폭을 약 465배로 달성하여 고해상도 19F MR 영상(0.94 mm² 평면 해상도)과 双채널 1H/19F NMR 분광법을 가능하게 하였다. 이 방법은 배경이 없는 분자 영상 촬영을 가능하게 하며, 나노몰 이하 감도로 검출이 가능하고, 생체 적합성과 재사용 가능성이 있으며, 벤치탑 전임상 시스템에 적합하다.

ABSTRACT

Although 19F has high potential to serve as a background-free molecular marker in bioimaging, the molar amount of marker substance is often too small to enable 19F MR imaging or 19F NMR spectroscopy with a sufficiently high signal-to-noise ratio (SNR). Hyperpolarization methods such as parahydrogen-based hyperpolarization or dynamic nuclear polarization (DNP) can significantly improve the SNR, but require expensive and complex sample preparation and the removal of toxic catalysts and solvents. Therefore, we used the biologically compatible model of the fluorinated amino acid 3-fluoro-DL-tyrosine with riboflavin 5'-monophosphate (FMN) as a chromophore dissolved in D2O with 3.4% H2Odest. allowing to transform light energy into hyperpolarization of the 19F nucleus via photo-chemically induced dynamic nuclear polarization (photo-CIDNP). We used a low-cost high-power blue LED to illuminate the sample replacing traditionally used laser excitation, which is both potentially harmful and costly. For the first time, we present results of hyperpolarized 19F MRI and 19F NMR performed with a low-cost 0.6 T benchtop MRI system. The device allowed simultaneous dual channel 1H/19F NMR. 19F imaging was performed with a (0.94 mm)2 in-plane resolution. This enabled the spatial resolution of different degrees of hyperpolarization within the sample. We estimated the photo-CIDNP-based 19F signal enhancement at 0.6 T to be approximately 465. FMN did not bleach out even after multiple excitations, so that the signal-to-noise ratio could be further improved by averaging hyperpolarized signals. The results show that the easy-to-use experimental setup has a high potential to serve as an efficient preclinical tool for hyperpolarization studies in bioimaging.

연구 동기 및 목표

• 벤치탑 MRI 및 NMR에 적합한 저비용, 생체 적합성 있는 19F 초극화 방법을 개발하기 위해.
• 실용적인 전임상 용도로 실현 가능한 고출력 파란 LED를 사용하여 고비용 레이저 흥분을 대체하기 위해.
• 저자기장(0.6 T)에서 초극화를 통해 19F 영상 및 분광법에 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 달성하기 위해.
• 19F MRI를 통한 공간 해상도 있는 초극화 및 정량적 NMR을 통한 증폭 신호 검증을 위해.
• 변하지 않는 염색체(FMN)를 사용하여 빛에 의한 분해 없이 반복적인 신호 평균화를 가능하게 하여 시간이 지남에 따라 SNR 향상시키기 위해.

제안 방법

• 3-플루오로-DL-티로신에서 광화학 CIDNP를 가능하게 하기 위해 D2O에 리보플라빈 5'-인산염(FMN)을 첨가하고, 3.4% H2Odest.를 사용하였다.
• 간섭계를 통한 스핀 쌍 생성을 위해 고출력 파란 LED(450 nm)로 샘플을 조사하여 산화환원 반응을 유도하였다.
• 전자 스핀 균형을 19F 핵에 초극화 전달을 위해 초미세 상호작용을 통해 스핀 상관 균형을 이용하였다.
• 동시 1H/19F 검출 및 이중 채널 수집을 통해 0.6 T 벤치탑 시스템에서 19F NMR 및 MRI를 수행하였다.
• 신호 평균화 및 부피 보정을 통해 공간 비균일성과 부분 부피 효과를 고려하여 신호 증폭을 추정하였다.
• 푸리에 변환 및 k-스페이스 분석을 적용하여 FID 데이터와의 비교를 통해 영상의 신호 강도를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LED 기반 광화학 CIDNP는 0.6 T에서 19F MRI 및 NMR에 충분한 19F 신호 증폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 7 T와 같은 고자기장에서보다 0.6 T에서 광화학 CIDNP에 의한 신호 증폭이 더 높은가?
• RQ3 FMN 염색체는 반복적인 흥분 사이클 동안 안정성을 유지하여 신호 평균화 및 SNR 향상을 가능하게 하는가?
• RQ4 19F MRI의 해상도가 초극화 분포의 정도를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 분광법과 영상 촬영의 조합은 분광법 단독보다 더 정확한 신호 증폭 추정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 0.6 T에서의 광화학 CIDNP 효과는 19F의 신호 증폭을 약 465배로 유도하여 19F 검출에 대한 SNR를 크게 향상시켰다.
• 19F MR 영상은 (0.94 mm)² 평면 해상도를 달성하여 샘플 내 초극화 수준의 공간 맵핑을 가능하게 하였다.
• FMN의 안정성 덕분에 반복적인 신호 평균화가 가능하였고, 다수의 흥분 후에도 빛에 의한 분해가 감지되지 않아 누적된 SNR 향상이 가능하였다.
• 추정된 검출 한계는 단일 볼륨(8.8 mm³)에서 약 17 nmol의 19F로, 수십 초 내로 나노몰 이하 감도를 입증하였다.
• 분광 분석은 영상 기반 분석보다 더 정확한 신호 증폭 추정을 제공하였으며, 부분 부피 효과 및 영상 재구성 오류의 영향을 받지 않았다.
• 동시 1H/19F NMR는 신뢰할 수 있는 장기적 측정 및 校정을 가능하게 하여 향후 다핵 초극화 연구에 기여하였다.