[論文レビュー] 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 Bruns+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Advanced NMR Techniques and Applications参考文献 56被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、0.6 Tで低価格の青色LEDを用いて、3-フルオロ-DL-チロシンにおける19FのLEDベース光CIDNPハイパーポラリゼーションを実証した。信号強度の増幅は約465倍に達し、高分解能19F MR画像（面内分解能0.94 mm²）およびデュアルチャネル1H/19F NMR分光法を可能にした。この手法により、バックグラウンドフリーの分子イメージングが可能となり、検出限界はナノモル未満であり、生体適合性に優れ、再利用可能で、ベンチトップ型の臨床前用システムに適している。

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.

研究の動機と目的

• ベンチトップ型MRIおよびNMRに適した低コストで生体適合性の高い19Fハイパーポラリゼーション法の開発を目的とする。
• 高価なレーザー励起を、実用的な臨床前用途に向けた高出力青色LEDに置き換えること。
• 低磁場（0.6 T）でハイパーポラリゼーションを用いることで、19Fイメージングおよび分光法の信号対雑音比（SNR）を高める。
• 19F MRイメージングによる空間的分解能のあるハイパーポラリゼーションの可視化と、定量的NMRによる信号増幅の妥当性を検証する。
• 光安定性の高いクロモフォア（FMN）を用いることで、ブレーチングを防ぎ、繰り返し信号平均化が可能となり、時間経過に伴うSNR向上を実現する。

提案手法

• 3-フルオロ-DL-チロシンにおける光CIDNPを実現するため、D2Oにリボフラビン5'-モノリン酸（FMN）を用い、3.4% H2Odest.を添加した。
• intersystem crossingを介してスピン相関ループルを生成するため、高出力の青色LED（450 nm）でサンプルを照射した。
• ループルペア機構を活用し、ハイパーファイン相互作用を介して電子スピンポラリゼーションを19F核に転送した。
• 0.6 Tのベンチトップシステムを用い、1H/19F同時検出およびデュアルチャネル取得を実行した19F NMRおよびMRIを実施した。
• 信号平均化とボリューム補正を用いて、空間不均一性および部分体積効果を考慮した信号増幅を推定した。
• フーリエ変換およびk-space解析を適用し、FIDデータと照合して画像内の信号強度を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEDベースの光CIDNPは、0.6 Tで19F MRIおよびNMRに十分な19F信号増幅を達成できるか？
• RQ2 7 Tなどの高磁場と比較して、0.6 Tにおける光CIDNPの信号増幅は顕著に高いか？
• RQ3 FMNクロモフォアは複数回の励起サイクルに耐えられ、信号平均化とSNR向上を可能にするか？
• RQ4 19F MRイメージングにおける空間分解能は、ハイパーポラリゼーション分布の度合いをどの程度反映しているか？
• RQ5 分光法とイメージングの併用は、分光法単体と比較して、より正確な信号増幅推定が可能か？

主な発見

• 0.6 Tにおける光CIDNP効果により、19F信号強度は約465倍に増幅され、19F検出のSNRが顕著に向上した。
• 19F MRイメージングでは（0.94 mm）²の面内分解能を達成し、サンプル内におけるハイパーポラリゼーションレベルの空間マッピングが可能になった。
• FMNの安定性のおかげで信号平均化が可能であり、複数回の励起後も明確なブレーチングは観察されず、累積的なSNR向上が実現した。
• 推定検出限界は、1ボクセル（8.8 mm³）に約17 nmolの19Fに相当し、数十秒でナノモル未満の感度を示した。
• 分光的解析は、部分体積効果や画像再構成アーチファクトの影響を受ける画像ベースの解析よりも、より正確な信号増幅推定を可能にした。
• 1H/19F同時NMRにより、信頼性の高い長期測定とキャリブレーションが可能となり、将来的なマルチヌクレアIDハイパーポラリゼーション研究を支援した。