Risonanza magnetica spettroscopica con [1-13C] acetato iperpolarizzato per lo studio del metabolismo cardiaco.

Nell’ambito della risonanza magnetica per immagini alcune tecniche di incremento del segnale di magnetizzazione, definite di “iperpolarizzazione”, hanno recentemente dimostrato un potenziale rilevante per la loro applicazione in un contesto clinico. La tecnica definita Polarizzazione Dinamica Nucleare (DNP) si basa sul trasferimento della polarizzazione tra spin elettronici e spin nucleari in un campione mantenuto a temperatura criogenica, in apposite condizioni di campo magnetico statico, mediante irraggiamento con microonde, sintonizzate ad una frequenza prossima a quella di risonanza dell’elettrone. Negli ultimi anni l’iperpolarizzazione DNP di composti basati su eteronuclei quali 13C e 15N, realizzata mediante i primi sistemi di iperpolarizzazione, ha consentito di studiare il metabolismo cellulare in vivo in un organo intatto: oltre a visualizzare il segnale prodotto dal substrato iniettato, possono essere in questo modo rivelati anche i segnali spettroscopici dei prodotti di conversione. La molecola sinora più impiegata in studi sperimentali in vitro ed in vivo è l’acido piruvico, marcato con 13C in posizione 1 (e più recentemente in posizione 2), che presenta ottime proprietà vetrificanti a temperatura criogenica (condizione essenziale per un efficace processo di polarizzazione), e rappresenta un intermedio fondamentale nel meccanismo della glicolisi cellulare. Oltre a questo composto sono stati utilizzati per studi in vivo molti altri substrati metabolici arricchiti in 13C. Nell’ambito di questo lavoro di Tesi è stato selezionato il [13C]-acetato per il notevole interesse biochimico e metabolico: esso subisce infatti lo stesso processo di ossidazione degli acidi grassi a catena corta e risulta quindi potenzialmente un tracciante ideale per lo studio dei processi metabolici complementari a quelli del piruvato ed in particolare per lo studio del metabolismo cardiaco. Il presente lavoro di Tesi si propone, dunque, di condurre la caratterizzazione fisico-chimica di alcune formulazioni basate su composti di [13C]-acetato ed il loro impiego per lo sviluppo di tecniche di imaging spettroscopico. In particolare sono state studiate le proprietà di due tipologie di formulazione: tris(idrossimetil)amminometano-[1-13C] acetato e Na-[1-13C] acetato. Sono state esaminate le caratteristiche fisiche di queste formulazioni a stato solido in condizioni criogeniche ed a stato liquido e sono state valutate le prestazioni di ciascuna preparazione in termini di livello di polarizzazione raggiunto e di tempo impiegato ad ottenere l’amplificazione del segnale DNP e la loro applicazione in vivo mediante la spettroscopia del 13C. E’ stato quindi messo a punto un metodo per la preparazione di una dose idonea all’impiego nell’animale di grossa taglia (maiale) sfruttando un sistema di iperpolarizzazione commerciale. Sulla base della migliore formulazione ottenuta, e delle procedure sperimentali ottimizzate, è stato condotto uno studio di fattibilità in vivo nel maiale da esperimento, finalizzato alla localizzazione del [1-13C]acetato iperpolarizzato nel tessuto miocardico, e alla corrispondente conversione nel prodotto metabolico [1-13C] acetilcarnitina impiegando uno scanner clinico a 3 T. Con questo approccio, per mezzo di un modello cinetico apposito, che tiene conto anche delle equazioni di Bloch per il decadimento della magnetizzazione e della conversione apparente in vivo, sono state stimate le costanti di conversione enzimatiche efficaci nel tessuto. I diversi valori ottenuti per la costante sono stati impiegati come un indicatore delle condizioni fisiologiche dell’animale in un modello basale/stress indotto farmacologicamente nel maiale

Dissolution Dynamic Nuclear Polarization of Non-Self-Glassing Agents: Spectroscopy and Relaxation of Hyperpolarized [1-¹³C]Acetate

The intrinsic physicochemical properties of the sample formulation are the key factors for efficient hyperpolarization through dissolution dynamic nuclear polarization (dissolution-DNP). We provide a comprehensive characterization of the DNP process for Na-[1-¹³C]­acetate selected as a model for non-self-glassing agents: the solid-state polarization dynamics of different formulations and the effect of the paramagnetic agent (trityl radical) on the pattern of polarization and the relaxation profile were extensively analyzed. We quantified the effects of the glassing agent and Gd³⁺-chelate on DNP performance. The results reported here describe the constraints of the acetate formulation useful for future studies in this field with non-self-glassing enriched molecules