Эффективные методы спиновой поляризации гетероядер под воздействием переключаемых статических и осциллирующих магнитных полей с использованием параводорода

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-23-00607

НазваниеЭффективные методы спиновой поляризации гетероядер под воздействием переключаемых статических и осциллирующих магнитных полей с использованием параводорода

Руководитель Кирютин Алексей Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт "Международный томографический центр" Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-504 - Электронно-возбужденные системы, фотохимия, радиационная химия, спиновая химия

Ключевые слова Спиновая динамика, спиновая гиперполяризация, параводород, перенос поляризации, ЯМР спектроскопия, эффект SABRE, релаксация

Код ГРНТИ31.15.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны новые эффективные методы создания гиперполяризации и последующего ее хранения для повышения чувствительности ЯМР спектроскопии биологически важных молекул. Основное внимание будет уделено изучению и повышению эффективности индуцируемой параводородом поляризации ядер (ИППЯ) перспективных для МРТ-приложений биомолекул в водных растворах, а также их ядерной релаксометрии в переключаемых магнитных полях.: 1) Будут развиты и апробированы методы генерации поляризации ИППЯ на основе осциллирующих магнитных полей. Для этого будет исследована динамика скалярно связанных ядерных спинов в слабых магнитных полях под воздействием импульсов радиочастотного и статического магнитного поля с произвольной огибающей формой этих импульсов. Детальное изучение переноса поляризации в таких условиях и под действием импульсов разной формы позволят существенно повысить эффективность поляризации спинов биологически важных гетероядер 13C, 15N, 31P, 77Se. 2) Будут проведены магнитополевые релаксационные исследования гетероядерных спинов в ультрашироком диапазоне магнитных полей, что позволит детальным образом определить механизм этих явлений и их вклад в спиновую динамику. Эти знания будут использованы для того, чтобы разработать методологическую базу для оптимизации внешних условий с целью наиболее эффективного хранения спиновой поляризации. 3) Будут оптимизированы методы переноса поляризации ИППЯ в ультрашироком диапазоне магнитных полей. Особый акцент будет сделан на систематических исследованиях ИППЯ в водных растворах водорастворимых биологически важных субстратов для дальнейших применений гиперполяризованных растворов в качестве контрастных МРТ-агентов. 4) Разработанные методы и подходы в рамках пунктов 1)-3) будут использованы для создания дизайн-проекта бюджетного устройства-поляризатора модульного типа, в котором будет происходить непрерывное создание и эффективное хранение спиновой гиперполяризации субстратов в водных растворах большого объема. Это послужит новым словом в области создания контрастных МРТ-агентов нового поколения и их последующего применения в биомедицинских исследованиях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Учёные в 12 000 раз усилили сигнал селена для МРТ-диагностики и создания новых лекарств. Благодаря гранту Российского научного фонда наша команда совершила прорыв в области гиперполяризации — специальной техники, которая многократно усиливает сигналы ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это открывает новые возможности для изучения биологически важных молекул, поиска лекарств и улучшения медицинской диагностики. Метод ЯМР — это основной инструмент химиков для изучения структуры молекул, будь то новые лекарства или природные ферменты. Однако некоторые важные атомы, например, ядро селена-77, дают крайне слабый сигнал, что делает их почти «невидимыми». Мы разработали метод SABRE (Signal Amplification By Reversible Exchange), который решил эту проблему. С помощью специального иридиевого катализатора и параводорода нам удалось передать поляризацию (то есть, мощный сигнал) от водорода к ядрам селена-77 в целевой молекуле. Ключевым было проведение реакции в сверхслабом магнитном поле (в 100 раз слабее земного), что позволило добиться максимальной эффективности. В результате сигнал ядер селена-77 усилился в 12 000 раз. Это позволило детектировать сверхмалые количества вещества и впервые наблюдать одновременную гиперполяризацию ядер селена и азота в одной молекуле даже на их естественном низком содержании в природе (всего 0.028%). Этот прорывной результат, открывающий путь для детального изучения селен-содержащих препаратов, был опубликован в одном из самых престижных мировых химических журналов — Journal of the American Chemical Society (JACS) [https://doi.org/10.1021/jacs.5c06450]. От сложной установки к более доступной технологии Первые эксперименты мы проводили в специальном магнитном экране для создания сверхслабого поля. Однако наша следующая цель — сделать технологию более доступной. В рамках проекта мы разработали и успешно апробировали альтернативный метод SLIC-SABRE. Он позволяет достигать высокой гиперполяризации (более 6% для селена-77) с помощью осциллирующих магнитных полей звуковой частоты в более слабом, но доступном для создания поле (около 0.1 мТл), без использования дорогостоящего магнитного экрана. Это значительный шаг к созданию компактных и недорогих поляризаторов для будущих применений. Результаты этой работы были опубликованы в Journal of Physical Chemistry Letters [https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02693]. Мы также продолжаем совершенствовать метод и для других условий. Наши исследования по применению полихроматического возбуждения для улучшения переноса поляризации в высоких полях были отражены в журнале Journal of Magnetic Resonance https://doi.org/10.1016/j.jmr.2025.107970]. Следующим шагом к биомедицинскому применению стала работа в водной среде. Для реальных биологических и медицинских применений критически важно работать в воде. В рамках проекта мы успешно адаптировали метод SABRE для водных растворов. Мы подобрали оптимальные условия, включая использование пиридина в качестве вспомогательного вещества (ко-субстрата) для растворения каталитического комплекса. Технология эффективно работает в воде и была проверена как минимум на трёх разных субстратах, включая биологически релевантные молекулы. Эти перспективные исследования были представлены на нескольких ключевых международных конференциях, включая Parahydrogen Enhanced Resonance Meeting (PERM), Modern Development of Magnetic Resonance (Казань) и школу-конференцию SPINUS (Санкт-Петербург). Признание и освещение результатов Наши результаты получили высокую оценку научного сообщества и широко освещались в ведущих научно-популярных СМИ и новостных агентствах: Пресс-служба РНФ: «Ученые в 12 000 раз усилили сигналы ядер селена-77 и упростили их поиск в биологически активных молекулах» (https://www.rscf.ru/news/release/uchenye-v-12-000-raz-usilili-signaly-yader-selena-77-i-uprostili-ikh-poisk-v-biologicheski-aktivnykh/). Новости РАН: «Химики в 12 тысяч раз усилили сигналы ядер селена-77...» (https://new.ras.ru/activities/news/khimiki-v-12-tysyach-raz-usilili-signaly-yader-selena-77-i-uprostili-ikh-poisk-v-biologicheski-aktiv/). Известия: «Тайны с селеном: ученые ускорили разработку лекарств и контрастных агентов для МРТ» (https://www.rscf.ru/en/news/chemistry/tayny-s-selenom-uchenye-uskorili-razrabotku-lekarstv-i-kontrastnykh-agentov-dlya-mrt/). Научный портал Mail.ru: «Прорыв в МРТ-диагностике: химики усилили сигналы ядер селена-77» (https://science.mail.ru/news/5506-signaly-yader-selena/). Инновационные новости: «Ученые усилили сигнал селена в 12000 раз» (https://innovanews.ru/info/news/hightech/uchenye-usilili-signal-selena-v-12-000-raz/). Таким образом, поддержка РНФ позволила не только достичь фундаментального научного прорыва мирового уровня, но и сделать важные шаги к практическому применению технологии гиперполяризации в медицине и фармакологии.

Публикации

1. Маркелов Д.А., Кирютин А.С., Борисов А.В., Косенко И.Д., Годовиков И.А., Юрковская А.В. 77Se Hyperpolarization Enabled by Reversible Parahydrogen Exchange and Audio-Frequency Magnetic Fields at 0.1 mT Book of abstracts Parahydrogen Enhanced Resonance Meeting (PERM), , 2025, p. 22 (oral) (год публикации - 2025)

2. Маркелов Д.А., Кирютин А.С., Юрковская А.В. Polychromatic excitation for 1H SABRE polarization transfer in weakly coupled systems at high field Journal of Magnetic Resonance, T. 381. ‒ C. 107970. (год публикации - 2025)
10.1016/j.jmr.2025.107970

3. Кирютин А.С., Маркелов Д.А., Мацулевич З.В., Косенко И.Д., Киреев Н.В., Годовиков И.А., Юрковская А.В. Microtesla Signal Amplification by Reversible Exchange Enables Simultaneous over 5% Polarization of 77Se and 15N at Natural Abundance in a Selenium–Nitrogen Heterocycle Journal of the American Chemical Society, T. 147, № 26. ‒ C. 23113–23119 (год публикации - 2025)
10.1021/jacs.5c06450

4. Маркелов Д.А., Кирютин А.С., Борисов А.В., Косенко И.Д., Годовиков И.А., Юрковская А.В. 77Se Hyperpolarization Enabled by Reversible Parahydrogen Exchange and Audio-Frequency Magnetic Fields at 0.1 mT Journal of Physical Chemistry Letters, T. 16, № 41. ‒ C. 10621-10626. (год публикации - 2025)
10.1021/acs.jpclett.5c02693

5. Кирютин А.С., Жуков И.В., Морозова О.Б., Фишман Н.Н., Маркелов Д.А., Лукзен Н.Н., Гениман М.П., Юрковская А.В. High resolution NMR and nuclear spin hyperpolarization with fast field cycling Book of Abstracts Modern Development of Magnetic Resonance, Kazan, Modern Development of Magnetic Resonance ‒ Kazan, Russia, 2025. ‒ C. p. 14-15 (plenary lecture). (год публикации - 2025)

6. Кирютин А.С., Маркелов Д.А., Мацулевич Ж.В., Косенко И.Д., Киреев Н.В., Годовиков И.А., Юрковская А.В. ⁷⁷Se SABRE via tandem scalar coupling: First parahydrogen-induced hyperpolarization of selenium Book of abstracts MDMR 2025, Kazan, Modern Development of Magnetic Resonance ‒ Kazan, Russia, 2025. ‒ C. p. 28 (oral). (год публикации - 2025)

7. Кирютин А.С., Маркелов Д.А., Юрковская А.В. Determination of Rotational Correlation Time of and Iridium Dihydride Complex in Aqueous Medium by Means of NMR Relaxometry with High-resolution ООО "Издательство ВВМ" MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICATIONS 22th International School-Conference, Schola Spinus. Том 22. Saint Petersburg, 2025, SPINUS ‒ Saint-Petersburg, Russia, 2025. ‒ C. p. 190-192 (poster). (год публикации - 2025)

8. Кирютин А.С., Маркелов Д.А. Scripts for generation of audio SLIC pulses using a PC soundcard Zenodo, Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.16939588 (год публикации - 2025)
10.5281/zenodo.16939588

9. Кирютин А.С., Маркелов Д.А., Мацулевич Ж.В., Косенко И.Д., Киреев Н.В., Годовиков И.А., Юрковская А.В. 77Se SABRE via Tandem Scalar Coupling with 15N in a Magnetic Shield: First Parahydrogen-Induced Hyperpolarization of Selenium Book of abstracts Parahydrogen Enhanced Resonance Meeting (PERM), 2025, p. 11 (oral). (год публикации - 2025)

10. Кирютин А.С., Маркелов Д.А., Косенко И.Д., Османов В.К., Годовиков И.А., Юрковская А.В. Spin Hyperpolarization Of 77Se Nuclei Using Signal Amplification By Reversible Exchange (SABRE) At Microtesla Fields ООО "Издательство ВВМ" MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICATIONS 22th International School-Conference, Schola Spinus. Том 22. Saint Petersburg, 2025, SPINUS ‒ Saint-Petersburg, Russia, 2025. ‒ C. p. 92 (oral). (год публикации - 2025)