Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Так как проект направлен на повышение чувствительности и расширение применимости медицинской МРТ за счет использования поляризованных биомолекул, то основные результаты первого этапа выполнения проекта связаны как с расширением метода МРТ, так и с новыми способами получения и применения гиперполяризации, в том числе за счет использования поляризованных биомолекул и гетероядер. В настоящее время методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) распространены в химии для установления структуры соединений и исследования процессов реакций, а также в медицине для диагностики заболеваний. В следствие того, что взаимодействие ядерных спинов с внешним магнитным полем слабое, возникает необходимость усиления сигнала ЯМР, для этого можно использовать индуцированную параводородом поляризацию ядер (ИППЯ). В методе ИППЯ создается неравновесная заселенность уровней, что значительно увеличивает сигналы ЯМР/МРТ. Данную поляризацию можно перенести с атомов водорода на гетероядра, такие как 31Р, 13С и 15N, что расширяет не только возможности метода, но и его потенциал и применимость. В качестве объектов исследования за отчетный период были выбраны две молекулы (диэтил винилфосфонат и диметил винилфосфонат), содержащие ядра фосфора, существенно, что фосфор представлен в виде стабильного изотопа 31Р со 100% содержанием, что делает его уникальной меткой при проведении ЯМР/МРТ экспериментов. Впервые в мировой практике был осуществлен перенос поляризации, полученной с использованием параводорода и гетерогенного гидрирования, и ее детекция для ядер 31Р. Существенно, что использование стандартной импульсной последовательности существенно облегчает задачу исследователей и используемая нами методика позволит в дальнейшем проводить аналогичные МРТ исследования на любом медицинском МРТ томографе. Установлено, что выбранная нами импульсная последовательность позволяет получать двумерные 31Р МРТ изображения за 0,6 секунды. Столь быстрое получение двумерных МРТ изображений по ядрам фосфора впервые в мировой практике позволило исследовать динамику превращения (расходования) диэтилвинил фосфоната в ходе протекания реакции по 31Р МРТ, что служит большим заделом для возможных медико-биологических приложений МРТ. Помимо этого был разработан и достигнут эффективный перенос поляризации с протонов, полученных из параводорода, на ядра 15N таких важных биологически активных молекул как имидазол и никотинамид, за счет использования высокопольной методики получения поляризации - SABRЕ (HF-SABRЕ). Спонтанный перенос поляризации с протонов на ядра 15N в сильном магнитом поле (поле МРТ сканнера) позволяет не только регистрировать поляризованные (усиленные) спектры 15N ЯМР образованных in situ гиперполяризованных биомолекул с усилением сигнала ≥ 120 (имидазол), но также позволяет создать новую процедуру их визуализации методом МРТ при использовании стандартной импульсной последовательности - FLASH. Проведенные исследования являются во многом уникальными, так как они обеспечивают непрерывное получение гиперполяризации в сильном магнитном поле, что исключает потери релаксации при переносе образца и проведении другого типа экспериментов, и значительно сокращают время эксперимента. Помимо проведения большой экспериментальной работы по детектированию гиперполяризации, часть работ была направлена на синтез и использование гетерогенных каталитических систем, пригодных для их использования в работе с биологически активными веществами, так нами были получены и полностью охарактеризованы катализаторы на основе родия, платины и палладия. Данные металлы были нанесены на диоксид титана, что оправданно, так как диоксид титана является лучшим носителем в свете парного присоединения молекулярного водорода. В качестве модельного субстрата был выбран фуран, так как он представляет собой плоское пятичленное гетероциклическое кольцо с атомом четырьмя атомами С и одним O. Фурановое кольцо является составной частью нескольких важных натуральных продуктов, включая фуранофлавоноид, фуранолактоны, фуранокумарины и многие природные терпеноиды. Существенно, что производные фурана занимают уникальное место в области медицинской химии. Включение фуранового ядра является важной стратегией синтеза лекарств. Гидрирование фурана и возможных промежуточных продуктов его гидрирования 2,3-дигидрофурана (2,3-ДГФ) и 2,5-дигидрофурана (2,5-ДГФ) параводородом проводили в газовой фазе на катализаторах Rh/TiO2 (с массовым содержанием металла 1, 10 и 20%), Pt/TiO2 (с массовым содержанием металла 1 и 10%) и Pd/TiO2 (с массовым содержанием металла 1%) при 130 C. При гидрировании фурана параводородом на родиевых катализаторах в спектрах 1H ЯМР наблюдалось образование гиперполяризованного тетрагидрофурана (ТГФ). Наблюдение эффектов индуцированной параводородом поляризации ядер (ИППЯ) говорит о возможности парного присоединения водорода к фурану на катализаторах Rh/TiO2. В то же время при гидрировании фурана на Pd/TiO2 эффекты ИППЯ отсутствовали, несмотря на протекание реакции гидрирования (выход ТГФ 3.6% при скорости потока газовой смеси 2.5 мл/с). Платиновые катализаторы оказались полностью неактивными в потоке газовой смеси, однако после остановки потока было обнаружено медленное образование ТГФ и (в случае 10%-го Pt/TiO2) 1-бутанола. Как было показано выше, оптимизация структуры гетерогенного катализатора позволяет значительно увеличить долю парного присоединения молекулярного водорода, что в свою очередь важно для получения максимального усиления сигнала ЯМР и как следствие в возможности получения МРТ изображений высокого разрешения. В ходе выполнения проекта установлено, что одноатомный катализатор Pd-In/Al2O3 способен проявлять высокую селективность (до 98%) в газофазном гидрировании пропина. Использование катализатора Pd-In/Al2O3 в процессе частичного гидрирования пропина с параводородом позволило получить усиление сигнала ЯМР в 3400 раз для продукта реакции пропена (поляризация = 9,3%), что свидетельствует о большом вкладе парного пути присоединения молекулярного водорода. Значительное усиление сигнала, а также высокая каталитическая активность катализатора Pd-In позволили выборочно получать 1H-МРТ изображения гиперполяризованного пропена в газовой фазе для протонов в CH-, CH2- и CH3-группах. Это наблюдение уникально и может быть легко перенесено на разработку методики in situ МРТ, так как МРТ визуализация газа сама по себе является актуальной и востребованной задачей, особенно при МРТ визуализации легких в медицине. Следует отметить, что полученные результаты оказались столь интересны и убедительны для рецензентов, что редактор предложил поместить в виде фронтиспис к опубликованной статье. В виду того, что как ИППЯ, так и SABRE методы гиперполяризации требуют присутствия молекул определенной структуры нами были предприняты попытки синтеза таких молекул. Так, на основе реакции Зинке нами был предложен надежный среднемасштабный (~ 3 г) синтетический метод для обогащения пиридина ядрами 15N. Было достигнуто обогащение по ядрам 15N, превышающее 80%. 15N меченный пиридин является ключевым субстратом для широкого спектра исследований, использующих метод гиперполяризации SABRЕ, в этих исследованиях, направленных на развитие гиперполяризованных контрастных агентов для молекулярной визуализации in vivo, пиридин используют либо в качестве модельного субстрата (для разработки технологии гиперполяризации, обеспечения качества и исследования фантомного изображения), либо в качестве вспомогательного субстрата для более эффективной гиперполяризации широкого круга новых контрастных агентов (например, никотинамид). Однако, если метод гиперполяризации SABRE требует присутствие атомов N в составе гетероцикла, то использование ИППЯ подразумевает присутствие ненасыщенного субстрата. Гиперполяризованные формы 1-13C-ацетатов и 1-13C-пируватов используются в качестве диагностических контрастных агентов для молекулярной визуализации многих заболеваний и расстройств. В ходе выполнения проекта нами были разработаны методы синтеза 1-13C изотопно обогащенных ацетатов и пируватов, дериватизированных ненасыщенным сложноэфирным фрагментом. Указанные ненасыщенные предшественники могут быть использованы для получения гиперполяризованных 1-13C-ацетатов и 1-13C-пируватов с помощью гидрирования параводородом. Гидрирование ненасыщенной сложноэфирной части сопровождается переносом поляризации с протонов парводорода на ядра 13C с помощью использования магнитного экрана. Существенно отметить, что синтезы винилацетата-1-13C (выход 55%), аллилацетат-1-13C (выход 70%), пропаргилацетат-1-13C (выход 45%), аллилпируват-1-13C (60 % выход), пропаргилпируват-1-13C (выход 35%) проведены впервые и не имеют аналогов. Более того, впервые была выполнена 13C МРТ визуализация гиперполяризованного 1-13C-пирувата в водной среде.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В виду того, что проект направлен на повышение чувствительности и расширение применимости медицинской МРТ за счет использования поляризованных биомолекул, то в ходе выполнения работ за отчетный период были достигнуты новые уникальные результаты связанные как синтезом новых веществ и их визуализацией методом МРТ, так и развитием метода МРТ. В ходе выполнения работ был разработан подход, который позволил поляризовать и визуализировать биомолекулы 15N внутри инструмента МРТ с помощью SLIC-SABRE менее чем за минуту. Поляризация постоянно обновлялась внутри сканера МРТ, что обеспечивает определенные преимущества в контексте биомедицинских применений. Уровни поляризации были достаточно большими, чтобы провести 15N МРТ двух биомолекул, меченных 15N: 15N-Py и 15N-NA (витамин B3). SLIC-SABRE был представлен как эффективный способ переноса поляризации с pH2 на 15N субстрат. Здесь мы получили 1374- и 834-кратное усиление сигнала для 15N-Py и 15N-NA соответственно. Хотя уровни поляризации являются не сверх высокими, улучшения являются довольно значительными и достаточными для быстрой МРТ. Мы ожидаем, что будущие достижения в SLIC-SABRE или связанных с ними методах еще больше увеличат поляризацию. Ядра 15N могут сохранять поляризованное состояние в течение десятков минут, но их чувствительность обнаружения примерно на два порядка ниже, чем у протонов. Этот недостаток можно уменьшить, перенеся поляризацию с 15N на J-связанные 1H-ядра и последующую 1H-визуализацию. Наша работа является первой демонстрацией гиперполяризованной гетероядерной МРТ, которая была улучшена с помощью SLIC-SABER, а не путем спонтанной передачи поляризации. Этот метод может быть распространен на другие гетероядра, такие как 13C, 19F, 31P и т.д., для биомедицинских и других применений. Для достижении больших уровней поляризации, так необходимых МРТ, был синтезирован ряд Pd и Au моно- и биметаллических (Pd-Au) модельных катализаторов, нанесенных на высокоориентированный пиролитический графит (HOPG). Образцы PdAualloy и Aushell-Pdcore демонстрируют в 2-5 раз более высокую активность при парном присоединении водорода по сравнению с монометаллическим образцом Pd катализатора. Установлено, что фазовый состав катализаторов влияет на селективность к парному присоединению молекулярного водорода при гидрировании ненасыщенных углеводородов. Проведена большая синтетическая работа, осуществлен синтез 15N-3-19F-пиридина посредством получения соли Цинке с общим выходом 35% и изотопной чистотой 15N 84%. А так же синтез ненасыщенных сложных эфиров с 13C-меченными карбоксильными центрами с использованием биосовместимых карбоновых кислот. Предложен простой, эффективный метод удаления катализаторов SABRE из растворов, в которых было зарегистрировано усиление сигнала ЯМР путем обратимого обмена, при этом оставляя нетронутым гиперполяризованное состояние субстрата. В этом методе используются недорогие и коммерчески доступные микрочастицы, и он достаточно быстрый (<T1), чтобы обеспечить возможность обнаружения сигналов ЯМР от субстратов с неповрежденными гиперполяризованными состояниями при явном отсутствии растворенного катализатора. Эти результаты в сочетании с наблюдением рекордной поляризации 15N до 34% в метронидазоле дают хорошие результаты для широкого спектра предполагаемых применений молекулярной визуализации in vivo. http://www.sbras.info/articles/science/sibirskie-uchenye-usilivayut-intensivnost-signala-mrt

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основными результатами, полученными в отчетном периоде, являются: - 13C-гиперполяризованные карбоксилаты, такие как пируват и ацетат, являются новыми молекулярно-контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии (МРТ) при визуализации различных заболеваний, включая рак. В ходе проведения исследований за отчетный период было выполнено систематическое исследование 1H и 13C-индуцированной параводородом поляризации сложных эфиров ацетата и пирувата с этиловой, пропиловой и аллиловой спиртовыми группами. Было обнаружено, что аллилпируват является наиболее эффективно гиперполяризующимся соединением из исследованных, давая 21 и 5,4% поляризации ядер 1H и 13C, соответственно в растворах CD3OD. Аллилпируват и этилацетат также подвергали гиперполяризации в водной фазе с использованием гомогенного гидрирования с параводородом на водорастворимом родиевом катализаторе. Значения поляризации 13C 0,82 и 2,1% были получены для аллилпирувата и этилацетата соответственно. 13C-гиперполяризованные метанольные и водные растворы аллилпирувата и этилацетата были использованы для визуализации МРТ in vitro, демонстрируя перспективы трансляции представленного подхода к биомедицинским исследованиям in vivo. - Магнитно-резонансная томография (МРТ) является мощным методом для характеристики реакторов во время проведения каталитических процессов. Тем не менее, МРТ-исследования гетерогенных каталитических реакций являются особенно сложными, потому что низкая плотность реагирующих и образующихся веществ (для реакций в газовой фазе), а также неоднородность магнитного поля, вызванная присутствием твердого катализатора внутри реактора, усугубляют и без того низкую чувствительность этого метода. Хотя методы гиперполяризации, такие как индуцированная параводородом поляризация ядер (ИППЯ), могут существенно увеличить интенсивность сигнала ЯМР, на сегодняшний день отсутствует общая стратегия, позволяющая получать МРТ изображения работающих гетерогенных реакторов. В ходе проведенных исследований за отчетный период новый тип модельных каталитических реакторов для МРТ был разработан, которые позволяют характеризовать гетерогенную реакцию гидрирования, чему способствует усиление сигнала методом ИППЯ, но они также подходят для визуализации обычных - неполяризованных газов. Эти каталитические системы позволяют исследовать сложное взаимодействие между химией и динамикой газообразных субстратов и продуктов, которое обычно встречается в практических системах, но в основном отсутствует в простых реакторах периодического действия. Высокая стабильность модельных реакторов в каталитических условиях и простота их изготовления делают этот подход незаменимым для исследований in situ гетерогенных каталитических процессов методом МРТ. - ЯМР-спектроскопия и визуализация (МРТ) являются двумя наиболее важными методами изучения структуры, функции и динамики от атома к организму. Подходы ЯМР часто ограничены недостаточной чувствительностью, которая, однако, может быть временно повышена с использованием методов гиперполяризации. Одним из этих методов является индуцированная параводородом поляризация, которая используется для получения не содержащего катализатора гиперполяризованного пропана с протонной поляризацией на 3 порядка больше, чем равновесная тепловая поляризация в поле 1,5 Тл клинического МРТ-сканера. В ходе проведения работ за отчетный период нам удалось показать, что более 0,3 л гиперполяризованного газообразного пропана можно получить за 2 с. Эта скорость производства более чем на порядок выше, чем продемонстрированные ранее, и заявленная скорость производства сопоставима с той, которая используется для МРТ визуализации легких человека, используя гиперполяризованный благородный газ (например, 129Xe), получаемый с помощью спин-обменной оптической накачки (SEOP). Установлено, что высокие значения поляризации могут сохраняться, несмотря на значительное увеличение скорости производства гиперполяризованного пропана. Усиленные ЯМР сигналы от полученного гиперполяризованного пропана были использованы для его МРТ визуализации с остановкой потока при 4,7 Тл. Достижение высокой скорости производства позволяет в будущем использовать это соединение (уже одобрено для неограниченного использования в пищевых продуктах соответствующими регулирующими органами, например, FDA в США и, в более широком смысле, в качестве пищевой добавки E944) в качестве нового вдыхаемого контрастного вещества для диагностического обнаружения патологий легких с помощью МРТ. - Была показана гиперполяризация меченного по 3м положениям 15N [15N3] метронидазола с помощью подхода SABRE-SHEATH. В этом антибиотике группа 15NO2 гиперполяризована с помощью спиновых реле, созданных 15N ядрами в метронидазоле, и поляризация переносится от атомов Н молекулы параводорода по шести химическим связям. При барботировании параводорода менее чем за минуту в поле 0,4 мили Тл на всех трех атомах азота -15N достигается высокий уровень ядерной спиновой поляризации, составляющий около 16%. Этот уровень поляризации и концентрации 15N ядер примерно в шесть раз лучше, чем любое предыдущее значение, показанное для гиперполяризации, полученной методом обратимого взаимодействия -SABRE. При 1,4 Тл гиперполяризованное состояние сохраняется в течение нескольких минут (время релаксации T1 около 10 мин). Разработанный синтетический подход из равномерно обогащенного 15N метронидазола с выходом 15% является новым. Этот подход может потенциально использоваться для синтеза широкого круга in vivo метаболических зондов с потенциальным использованием, начиная от гипоксиазирования до тераностической визуализации.