[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究在0.6 T磁场下，使用低成本蓝色LED对3-氟-DL-酪氨酸中的19F实现基于LED的光诱导动态核极化（photo-CIDNP）极化，获得约465倍的信号增强，实现了高分辨率19F磁共振成像（0.94 mm²平面分辨率）和双通道1H/19F NMR谱学。该方法可实现无背景分子成像，检测限低至亚nmol级别，且具有生物相容性、可重复使用，适用于台式预临床系统。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于台式磁共振成像与NMR的低成本、生物相容性19F极化方法。
• 在光诱导动态核极化中，用高功率蓝色LED替代昂贵的激光激发，以实现实际预临床应用。
• 通过极化技术在低场（0.6 T）下实现19F成像与谱学的高信噪比（SNR）。
• 通过19F磁共振成像实现空间分辨的极化，并通过定量NMR验证信号增强。
• 通过使用稳定染料（FMN）避免光漂白，实现重复信号平均，从而随时间提升信噪比。

提出的方法

• 在D2O中加入3.4% H2Odest，使用黄素单核苷酸（FMN）作为染料，实现3-氟-DL-酪氨酸中的光诱导动态核极化。
• 利用高功率蓝色LED（450 nm）照射样品，通过系间窜越生成自旋相关自由基对。
• 利用自由基对机制，通过超精细相互作用将电子自旋极化转移至19F核。
• 在0.6 T台式系统上进行19F NMR与MRI，实现1H/19F同步检测与双通道采集。
• 通过信号平均与体积校正估算信号增强，考虑空间不均匀性与部分体积效应。
• 应用傅里叶变换与k空间分析，验证图像中信号强度与FID数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于LED的光诱导动态核极化是否足以在0.6 T下实现19F磁共振成像与NMR的充分信号增强？
• RQ2 在0.6 T下，光诱导动态核极化的信号增强是否高于7 T等更高磁场下的增强？
• RQ3 FMN染料是否能在多次激发循环中保持稳定性，从而实现信号平均并提升信噪比？
• RQ4 19F磁共振成像的空间分辨率在多大程度上反映了极化分布的均匀性？
• RQ5 光谱与成像结合是否能比仅使用光谱提供更准确的信号增强估算？

主要发现

• 在0.6 T下，光诱导动态核极化效应使19F信号增强约465倍，显著提升了19F检测的信噪比。
• 19F磁共振成像实现了（0.94 mm）²的平面分辨率，能够实现样品内极化水平的空间映射。
• 由于FMN的稳定性，信号平均成为可能，多次激发后未检测到光漂白，支持信噪比的累积提升。
• 检测限估计为单个体素（8.8 mm³）中约17 nmol的19F，表明在数十秒内即可实现亚nmol灵敏度。
• 光谱分析提供的信号增强估算比基于图像的分析更准确，后者受部分体积效应与图像重建伪影影响。
• 同步1H/19F NMR支持可靠长期采集与校准，为未来多核极化研究提供支持。