[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究调查了氢化溶剂对[1-13C]丙酮酸中PHIP-SAH超极化效率及极化水平的影响。使用氯仿或甲苯/乙醇混合溶剂可有效实现超极化丙酮酸钠向水相的相转移，随后通过疏水性树脂（Tenax® TA）过滤，将残留有机溶剂降至安全水平，同时保持4.1 ± 0.3%的13C超极化——该水平足以用于体内13C MRI应用。

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.

研究动机与目标

• 评估不同溶剂对PHIP-SAH中[1-13C]丙酮酸氢化效率及超极化水平的影响。
• 通过在非配位溶剂中氢化后将超极化丙酮酸提取至水相，实现体内相容性。
• 将最终水相产品中残留有机溶剂水平降低至符合生物相容性标准。
• 开发一种使用疏水性树脂的过滤工艺，最大限度减少纯化过程中的极化损失。
• 证明使用非配位溶剂和氢解后纯化可获得足够极化度以用于体内13C MRI的超极化[1-13C]丙酮酸。

提出的方法

• 在不同溶剂（包括丙酮、甲醇、氯仿和甲苯/乙醇混合物）中，使用Rh(I)催化剂进行丙炔基-[1-13C]丙酮酸的氢化反应。
• 利用1H NMR和13C NMR监测氢化效率并测定超极化水平。
• 氢化后，反应混合物经水解，将酯转化为钠[1-13C]丙酮酸。
• 通过相分配实现将超极化产物转移至水相，从而与有机溶剂和催化剂分离。
• 通过疏水性Tenax® TA树脂过滤去除残留有机溶剂，使用PEEK滤膜以防止极化损失。
• 通过13C NMR定量测定极化水平，使用GC-MS测定水相中溶剂浓度。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢化溶剂的选择如何影响PHIP-SAH中[1-13C]丙酮酸的超极化水平和反应效率？
• RQ2 超极化[1-13C]丙酮酸能否在不造成显著极化损失的情况下，有效从有机相转移到水相？
• RQ3 在相转移和纯化后，最终水相产品中残留的有机溶剂（氯仿、甲苯）浓度是多少？
• RQ4 通过疏水性树脂（Tenax® TA）过滤是否能有效去除有机溶剂，同时保持超极化水平？
• RQ5 最终获得的超极化[1-13C]丙酮酸极化度是否足以用于体内13C MRI应用？

主要发现

• 在甲苯/乙醇（5% v/v）中氢化得到的烯丙基-酯中间体13C超极化度最高，达8.4 ± 0.6%。
• 经水解和相转移后，使用甲苯/乙醇作为溶剂时，水相中钠[1-13C]丙酮酸的13C超极化度为4.1 ± 0.3%。
• 通过Tenax® TA树脂过滤，水相中氯仿浓度降低至0.5 ± 0.1 mM，低于EPA安全阈值0.59 mM。
• 甲苯在树脂过滤步骤中被完全去除，最终产品中不再存在。
• 尽管由于过滤延迟（18–20秒）导致极化度损失约10–15%，但最终4.1 ± 0.3%的极化度水平仍适合用于体内13C MRI。
• 在树脂过滤过程中使用PEEK滤膜可防止显著的超极化损失，而不锈钢滤膜则无法实现这一效果。