JP2008528961A - 動的核分極の実施方法 - Google Patents

Abstract

Ｊカップリングされた少なくとも２つの非整数スピン核種を含む分子構造を含む試料においてＤＮＰを実施する方法であって、この方法は、適正な強度の均一な磁場に暴露された状態で冷却された固体状態の前記試料を過分極するステップと、過分極された試料を溶解又は融解するステップと、スピンの化学シフトが前記Jカップリングより確実に大きいように十分な強度の安定した均一な磁場に試料が暴露された状態で、試料を分極保持ＲＦパルス・シーケンスに供するステップと、パルス・シーケンスが試料内の核スピン・ポピュレーションを非平衡様式で複数のエネルギー準位の間に再分布させ、その後、前記分子種の緩和時定数Ｔ_１未満の時間の後、前記核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させるステップと、を含む。

Description

本発明は、動的核分極（ＤＮＰ）の実施方法に関する。

ＤＮＰは、試料内の核種のスピン状態をモニタする核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）及びその他の公知の技術において、試料内の核スピンの分極を増大させるために使用される。
典型的なＤＮＰプロセスは、標的物質をフリーラジカル分極剤と混合するステップと、この試料が凍結する典型的には液体ヘリウムの温度まで冷却するステップとを含む。試料は均一な高強度磁場に暴露された状態で、マイクロ波照射に供され、ＤＮＰによって試料内の核の過分極が引き起こされる。次いで、過分極された試料は、均一な磁場をかけられたままの状態で溶解又は融解され、その後速やかに、解析（ＮＭＲの場合）のための別個のシステムに移動されるか、ＭＲＩ用の生体内造影剤として使用される。

これらの公知の方法における課題は、速やかに移動させなければ試料が過分極状態を失うため、速やかな移動が必要なことである。

本発明によれば、Ｊカップリングされた少なくとも２つの非整数スピン核種を含む分子構造を含む試料においてＤＮＰを実施する方法は、適正な強度の均一な磁場に暴露された状態で冷却された固体状態の前記試料を過分極するステップと、過分極された試料を溶解又は融解するステップと、スピンの化学シフトがＪカップリングより確実に大きいように十分な強度の適切な均一な磁場に試料が暴露された状態で、試料を分極保持ＲＦパルス・シーケンスに供するステップと、パルス・シーケンスが試料内の核スピン・ポピュレーションを非平衡な様式で複数のエネルギー準位の間に再分布させるステップと、その後、分子種の緩和時定数Ｔ₁未満の時間の後、核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させるステップとを含む。
結果として生じる三重項状態は速やかに平衡に達する一方で、一重項状態は分子内双極子−双極子カップリングから隔離されており、そのためＴ₁よりかなり長い時定数で維持される。

本発明者らは、試料の過分極状態が緩和時定数Ｔ₁より長く維持されることを可能にする技術が存在し、この技術は、過分極試料を解析システムに移動するため又は体内注入前の準備のためにより多くの時間を可能にする顕著な利点を有していることを認識した。

好ましい方法において、核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させるステップは、試料を低強度磁場又はゼロ磁場に暴露するステップを含む。
この方法は、例えば、低強度磁場が生成される分離領域、例えば分極保持ＲＦパルス・シーケンスの際に用いられる磁場の縁辺（ｆｒｉｎｇｅ）場へ、または別個の磁場の影響下へと、過分極試料を移送することによって達成することができる。しかしながら、特に有利な方法は、単に、分極保持ＲＦパルス・シーケンスの際に用いられる高強度磁場の影響の外に試料を移動させることである。そのため、試料がその中で過分極されているクライオスタットから試料を完全に取り出し、その後、単に、地球磁場に供することで十分であろう。これにより、本方法を市販のＤＮＰプロセスでの使用に特に適したものとすることができる。

核スピン・ポピュレーションを安定的な平衡準位に断熱的に移行させるための本技術は、「Ｔ₁限界を超えて：低磁場内の一重項核スピン状態」、Ｃａｒｒａｖｅｔｔａ他、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第９２巻、第１５号に記述されている。（本論文をＣａｒｒａｖｅｔｔａ １として参照する。）

代替的方法において、核スピン・ポピュレーションを安定的な平衡準位に断熱的に移行させるステップは、試料を連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）ＲＦパルスに供するステップを含む。
一般に、試料が均一な磁場に暴露された状態でＣＷ ＲＦパルスが適用され、この磁場は通常高強度を有し、典型的には分極段階において適用される強度と同様である。均一性は単一のＣＷパルスでは５０ｐｐｍより良好であることが好ましいが、より複雑なパルスではより低い均一性も許容される。第２の方法は、「高磁場溶液ＮＭＲにおける長寿命核スピン状態」、Ｃａｒｒａｖｅｔｔａ他、J． Ａｍ．． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．、２００４年、第１２６巻、６２２８−６２２９頁。（本論文をＣａｒｒａｖｅｔｔａ ２として参照する。）

幾つかの例において、分極保持ＲＦパルス・シーケンスは、溶解された後の試料に適用される。しかしながら、他の場合においては、パルス・シーケンスは、試料を溶解する前に適用することができる。

試料を溶解する前にパルスを適用することの主な利点は、より単純な既存のハードウェアを使えることである。試料はすでに適切な磁場内にあり、また、通常は適切なＲＦコイル（これは、所望なら、小チップアングル（ｓｍａｌｌ ｔｉｐ−ａｎｇｌｅ）パルスを用いて分極の増大（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）をモニタするために使用される）の内部にある。パルスが試料の溶解後に適用される場合には、試料は液体ヘリウムの影響の外に移動されなければならない。
適切な磁場の強度及び均一性のレベルは、
・分極中は、強度は＞１Ｔ、好ましくは＞３Ｔであり、均一性は＜３００ｐｐｍ、好ましくは＜１００ｐｐｍである。
・分極保持ＲＦパルス・シーケンスの適用中は、強度は＞０．１Ｔ、好ましくは＞１Ｔ、最も好ましくは分極磁場と同一であり、均一性は＜３００ｐｐｍ、好ましくは＜１００ｐｐｍ、最も好ましくは＜５０ｐｐｍである。
・溶解／融解中は、強度は＞１Ｔ、好ましくは＞３Ｔであり、均一性の要件はない。

本明細書において、均一性の値は、試料の容積、典型的には直径１ｃｍ、長さ２〜３ｃｍの円筒に関して与えられる。
試料が低強度磁場又はゼロ磁場に暴露される第１の方法の場合において、磁場強度は、好ましくは０．１Ｔ未満であり、最も好ましくは０．０００１Ｔ未満（すなわち地球磁場）である。均一性の要件はない。

過分極プロセスは、試料がマイクロ波放射に暴露される場合にはＤＮＰ、又は単純冷却による「力づくの」過分極のような、任意の既知のプロセスとすることができる。
安定化された過分極試料は、任意の従来用途に用いることができる。例えば、ＮＭＲの場合においては、試料は別の高い均一な磁場内に置かれ、ＮＭＲシグナルを得るために読み出しパルス・シーケンスを適用することができる。これは、分光用又は撮像用途とすることができる。読み出しの際の典型的な磁場特性は、＞０．２Ｔ、好ましくは＞１Ｔであり、均一性は、好ましくは＜３００ｐｐｍ、好ましくは＜５０ｐｐｍ（すなわち従来のＭＲＩ）である。

他の例において、試料は生物学的に許容性となるように低磁場領域内で調整されることができ（すなわち、濾過、緩衝化、体温との平衡化）、その後、生体内撮像用の造影剤として用いられることができるように、最終的に生きた被検体内に（注入、静脈内点滴などによって）取り込まれる。

本発明による方法及びそれらの方法を実施するための装置のいくつかの例を、添付の図面を参照することによって、ここで説明する。
図１に示された装置は、液体ヘリウムが入った容器２及び熱遮蔽（図示せず）が内部に配置されたクライオスタット１を含む。容器２の内部には、作用容積５内に高強度で均一な磁場を発生させる超伝導磁石３が取り付けられている。容器２内の液体ヘリウムの液面は１４で示される。

作用容積５は、適切な導波管を介してマイクロ波源９と連結されたマイクロ波キャビティ８内に位置決めされる。作用領域５内部にＲＦコイル６が配置され、これは使用時に試料４を取り囲む。試料４は、図中では分極位置で示された、溶媒用の注入管及び排出管を備える溶解スティック７の先端の試料カップ内に準備される。注入管は、溶媒放出バルブ１１を介して溶媒圧力容器１０に連結され、排出管は管１２を介して採取カップ１３に連結される。

図１に示される装置を使用する本発明による方法の例を、ここで、図４の流れ図を参照することによって説明する。
過分極されることになる標的材料は、その分子構造が、Ｊカップリングを持つ少なくとも２つの非整数スピン核種（すなわち異核）を含まなければならず（これは、「ＡＸスピン系」と呼ばれ、ここでＸは典型的には１３Ｃであり、Ａは１Ｈである）、フリーラジカル分極剤（例えばトリチル）と混合される。この混合物を、本明細書では総称的に試料と称し、これは、例えば、過分極の後に撮像用の造影剤として用いることができる（ステップ１００）。

試料は、試料カップ内に装填され（ステップ１０２）、その後、試料が作用領域５内に入るまで、試料カップはクライオスタット１内部に降ろされる。図１に示されているように、作用領域は、試料が極低温に暴露され、それによって凍結するように液体ヘリウムの液面１４の下に配置される（ステップ１０４）。

上述のように、磁石３は、作用領域５内に均一で高強度の磁場Ｂ０ １０１（図５）を発生させ、好ましい磁場の強度及び均一性は、それぞれ３Ｔより大きく、１００ｐｐｍ未満、すなわち、１００ｐｐｍより良好である。
その段階では、熱平衡スピン系エネルギー準位ポピュレーションは図５の１０２に示される（黒丸が過剰ポピュレーションを示し、白丸が欠乏ポピュレーションを示す）。

その後、凍結試料は、マイクロ波キャビティ８内部に発生させたマイクロ波放射によって照射され、ＤＮＰによって少なくともＸ核の過分極が引き起こされる。Ａ核も、同じプロセスによって同時に過分極されることができる。必要なマイクロ波周波数は、電子のラーモア共鳴周波数から核のラーモア周波数の半分を引いた値にほぼ等しい（ステップ１０６）。ＤＮＰプロセスは上位と下位のエネルギー準位の間のポピュレーションの差を実質的に増加させるが、その他の点ではエネルギー準位間のスピンの分布を変化させない。

次いで、ＲＦコイル６は、Ｃａｒｒａｖｅｔｔａ １に記載された技術のいずれかを使用して分極試料がＲＦパルス・シーケンスに供されるように制御される。適切なパルス・シーケンスの例は、図５に示され（ステップ１０８）、パルス・シーケンスは１０３で示されている。分極保持ＲＦパルス・シーケンス後のエネルギー準位ポピュレーションは、まだ強いＢ₀磁場内にあり、図５の１０４に示されている。

その後、試料カップは、液体ヘリウムの液面１４の上に引き上げられ、溶解スティック７が挿入され、図５の１１４に示されるように、過分極試料を溶解するように容器１０から熱溶媒が供給される（ステップ１１０）。試料は、液体ヘリウムから熱的に隔離されているが、均一領域内ではないものの、いまだに強い磁場の影響下にあることが注目される。

溶解された試料は排出管１２を通して抽出され（ステップ１１２）、採取カップ１３に貯蔵され、それによって＜＜Ｔ₁の時間内に低磁場領域１０６に移送１０５される。この段階におけるエネルギー準位ポピュレーションは１０７に示される。試料はＴ₁より長い期間、低Ｂ０磁場内に保持され、エネルギー準位分布は、過分極された試料の安定配置である１０９に示される状態に変化する。

その後、これは、後で詳述されるように、さらに移送され（ステップ１１４）、処理される（ステップ１１６）ことができる。重要なことには、本発明は、同程度の過分極を維持しながら、移送及び処理のために利用できる時間を従来の時間と比べて大幅に延ばすことを可能とする。時間の延長は少なくとも２倍、典型的には１０倍以上である。
ここで説明した例において、ＲＦパルス・シーケンスは、試料が溶解される前に適用され、溶解ステップのタイミングは１１５に示されている。

図２に示された装置は、試料が溶解された後にＲＦパルス・シーケンスを適用することができる。
図２の装置は、典型的には超電導である磁石１６が磁石３と同軸状に配置されることを除き、図１に示された装置と同様である。磁石１６は、それ自体の均一な作用容積１５を発生させる。磁石１６によって発生する磁場の強度及び均一性は、典型的にはそれぞれ１Ｔより強く、５０ｐｐｍより低い。ＲＦコイル６が、ここでは作用領域５ではなく作用領域１５内に配置されることにも注意すべきであろう。他の点については全て、図２の装置は図１に示された装置と同じなので、さらに説明はしない。
図２の装置を使用するプロセスは、ステップ１０８及び１１０が逆であることを除き、図４を参照して説明されたプロセスと同様である。

試料は、従来技術（Ａｒｄｅｎｋｊａｅｒ−Ｌａｒｓｅｎ他、ＰＮＡＳ、第１００巻、第１８号、１０１５８−１０１６３頁を参照のこと）に説明されるように、適切なヒータが設けられる場合には、融解プロセスがその融点付近で試料のＴ₁に比べ速い限りは、溶解される代わりに融解されることが理解されるであろう。

これらの両方法の重要な態様は、試料が、極めて低い磁場、典型的には地球磁場に暴露されるように、高磁場の影響下から取り出されることであり、これは移送プロセス１１４で起こることになる。上述のように、これは過分極された核種を安定化させる。

ＭＲＩの場合においては、安定化された過分極試料は、クライオスタット１から、試料調節ハードウェア２０（図３）に移送され、ここで、冷却され、不要な成分（例えばフリーラジカル）を除去するために濾過され、緩衝化され、ヒト又は動物の体内に注入される。次いで、従来のＭＲＩ読み出しシステム３０が、ＮＭＲシグナルが試料から受信されることを可能にする。代替的に、ＮＭＲ分光の場合においては、過分極試料は解析システムに直接移送される。

これらの用途のいずれにおいても、情報を読み出すために、試料は高Ｂ₀磁場１１０に暴露され、「凍結された」一重項状態を観察可能なＮＭＲシグナル１１３に変換する読み出しパルス・シーケンス１１２が適用され、高磁場適用の後、且つパルス・シーケンス前のエネルギー準位の状態は１１１に示される。

本発明による方法を実施するための装置の第１の例の概略断面図である。 図１と同様であるが、本発明による別の方法を実施するための装置の第２の例の概略断面図である。 試料の過分極、調整及び解析のための構成要素の全体配置を模式的に示す図である。 図１に示される装置を使用する方法の例を示す流れ図である。 図４の方法の使用において適切なパルス・シーケンスを示す図である。

Claims (25)

1. Ｊカップリングされた少なくとも２つの非整数スピン核種を含む分子構造を含む試料においてＤＮＰを実施する方法であって、適正な強度の均一な磁場に暴露された状態で冷却された固体状態の前記試料を過分極するステップと、前記過分極された試料を溶解又は融解するステップと、前記スピンの化学シフトが前記Ｊカップリングより確実に大きいように十分な強度の安定した均一な磁場に前記試料が暴露された状態で、前記試料を分極保持ＲＦパルス・シーケンスに供するステップと、前記パルス・シーケンスが前記試料内の前記核スピン・ポピュレーションを非平衡な様式で複数のエネルギー準位の間に再分布させるステップと、その後、前記分子種の緩和時定数Ｔ₁未満の時間の後、前記核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. 前記試料が溶媒中で溶解された後に、前記分極保持ＲＦパルス・シーケンスに供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記試料がまだ固体状態の間に、前記分極保持ＲＦパルス・シーケンスに供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させる前記ステップが、前記試料を低強度磁場またはゼロ磁場に暴露させるステップを含むことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
5. 前記試料を低強度磁場またはゼロ磁場に暴露するステップが、前記試料を低強度磁場が生成される領域に移動させるステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記試料が高強度磁場の影響の外に移動されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記核スピン・ポピュレーション移行ステップの際の前記磁場強度が、０．１Ｔ未満であり、好ましくは０．０００１Ｔ未満であることを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれかに記載の方法。
8. 前記核スピン・ポピュレーションを安定した平衡準位に断熱的に移行させるステップが、前記試料を連続波ＲＦパルスに供するステップを含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の方法。
9. 前記試料が磁場に暴露された状態で、前記ＣＷ ＲＦパルスが適用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記磁場が高強度であり、典型的には前記分極段階の際に適用される強度と同様であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記過分極ステップの際に適用される磁場が、少なくとも１Ｔの強度、好ましくは３Ｔを超える強度を有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
12. 前記過分極ステップの際に適用される磁場が、３００ｐｐｍ未満、好ましくは１００ｐｐｍ未満の均一性を有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記分極保持ＲＦパルス・シーケンスの際に適用される磁場が、０．１Ｔを超える、好ましくは１Ｔを超える大きさを有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
14. 前記分極保持ＲＦパルス・シーケンスの際に適用される磁場が、前記過分極ステップの際に適用される磁場と実質的に同じ磁場強度を有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
15. 前記分極保持ＲＦパルス・シーケンスの際に適用される磁場が、３００ｐｐｍ未満、好ましくは１００ｐｐｍ未満、最も好ましくは５０ｐｐｍ未満の均一性を有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
16. 前記過分極試料が磁場に暴露された状態で、前記溶解又は融解ステップが起こることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
17. 前記溶解又は融解ステップの際に適用される磁場が、１Ｔを超える、好ましくは３Ｔを超える強度を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記過分極プロセスが、動的核分極であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
19. 前記方法が、前記安定化された試料を比較的高強度で均一な磁場に供し、ＮＭＲシグナルを得るために読み出しパルス・シーケンスを適用するステップをさらに含むことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の方法。
20. 前記読み出しステップの際に、磁場強度が０．２Ｔを超える、好ましくは１Ｔを超えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記読み出しステップの際に適用される磁場の均一性が、３００ｐｐｍ未満、好ましくは５０ｐｐｍ未満であることを特徴とする請求項１９又は請求項２０に記載の方法。
22. 前記安定化された試料が生物学的に許容可能となるように、低強度磁場又はゼロ磁場に供されている間に調整されることを特徴とする請求項１から請求項１８までのいずれかに記載の方法。
23. 前記調整ステップが、濾過、緩衝化及び体温との平衡化のうちの１つ又はそれ以上を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記調整された安定化された試料を、それが造影剤として作用する被検体に供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２又は請求項２３に記載の方法。
25. 前記被検体がヒト又は動物であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。

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