Способ приготовления гиперполяризованного <sup>129</sup>xe

Классификация по МПК: C01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2337059
Дата публикации: 
Понедельник, Октябрь 27, 2008
Начало действия патента: 
Пятница, Октябрь 24, 2003

Настоящее изобретение относится к способу приготовления гиперполяризованного 129Хе и к способу приготовления контрастного агента, применяемого при магнитно-резонансной визуализации человеческого тела или тела животного. Способ включает приготовление смеси ксенона, по меньшей мере одного растворителя или смеси растворителей, которые представляют собой одноцепочечные спирты или гликоли и/или обладают хорошими липофильными свойствами, и свободного радикала. Проводят гиперполяризацию указанной смеси в соответствии со способом динамической ядерной поляризации для получения гиперполяризованного 129Хе. Далее осуществляют отделение ксенона от других компонентов смеси. Присутствие растворителя усиливает результирующую поляризацию. 129Хе остается в гиперполяризованном состоянии в течение периода, достаточного для получения МР-изображений с повышенной контрастностью. 3 н. и 7 з.п. ф-лы.


Настоящее изобретение относится к способу приготовления гиперполяризованного 129Хе и к способу приготовления контрастного агента.

129Хе - газ при комнатной температуре. Его ядро имеет спиновое квантовое число 1/2 и относительно большое значение ядерного магнитного момента, равное -1,347494 ядерных магнетонов. Элемент может попадать в легкие и поглощаться тканями организма или кровью. Ранее было показано, что он способен создавать изображение в теле при помощи магнитно-резонансной визуализации (МРВ). Однако, поскольку плотность газовой фазы приблизительно в 1000 раз меньше (в моль/литр), чем плотность конденсированной фазы биологического материала (например, крови, тканей), сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР) газовой фазы гораздо слабее, чем сигнал протонов конденсированного биологического материала. Для преодоления указанных недостатков был приготовлен гиперполяризованный 129Хе. В этом случае ядерную намагниченность, от которой зависит чувствительность МРВ, можно усилить на 5 порядков величины, что позволяет даже при использовании 129Хе в газовой фазе создать контрастность, превышающую контрастность, создаваемую протонами фаз, находящимися при комнатной температуре в равновесном конденсированном состоянии. Так как спин ядер равен 1/2, то время удержания (retention time) неравновесного высокополяризованного состояния гиперполяризованного 129Хе, которое часто называют временем спин-решеточным релаксации T1, даже при температуре тела достаточно для того, чтобы 129Хе оставался в гиперполяризованном состоянии в течение периода, достаточного для получения МР-изображений с повышенной контрастностью. Таким образом, газообразный гиперполяризованный 129Хе представляет достаточный интерес для использования его в качестве вдыхаемого контрастного агента для магнитно-резонансной визуализации легких.

В публикации W.Happer et al., Phys. Rev. A29, 3092 (1984) описано приготовление гиперполяризованного 129Хе при помощи методик оптической накачки лазера (optical pumping laser technique). Недостатком этого способа является низкая скорость генерирования, поскольку поляризацию проводили в газовой фазе с низкой плотностью. Таким образом, можно было получать только несколько литров в час.

В заявке WO-A-99/35508 описана гиперполяризация ксенона в твердом состоянии при помощи "грубой силы" или способа динамической ядерной поляризации (ДЯП).

В заявке WO-A-00/23797 описаны дополнительные способы гиперполяризации ксенона в твердом состоянии, такие как введение в ксенон добавок парамагнитных молекул кислорода, облучение ксенона ионизирующим излучением или распыление в ксеноне мелких намагниченных частиц, заключенных в капсулу из полимера.

Было обнаружено, что присутствие добавки во время динамической ядерной гиперполяризации ксенона в твердом состоянии резко усиливает результирующую поляризацию.

Настоящее изобретение относится к способу приготовления гиперполяризованного 129Хе, включающему:

a) приготовление смеси ксенона, добавки и свободного радикала;

b) гиперполяризацию указанной смеси в соответствии со способом динамической ядерной поляризации (ДЯП) для получения гиперполяризованного 129Хе; и

c) возможное отделение указанного ксенона от других компонентов смеси.

В первой операции (а) приготавливают смесь ксенона, добавки и свободного радикала.

В соответствии с настоящим изобретением, ксенон может быть использован в своем природном виде, т.е. в смеси нескольких изотопов, включающей 131Хе (21,2%) и 129Хе (26,4%). Альтернативно можно использовать ксенон, обогащенный 129Хе.

Термин "добавка" в соответствии с настоящим изобретением также включает подходящие смеси добавок. Предпочтительно, при осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением в качестве добавки применяют по меньшей мере один растворитель или смесь растворителей. Более предпочтительно, применяют по меньшей мере один растворитель или смесь растворителей, обладающих хорошими стеклообразующими свойствами, например одноцепочечные спирты, такие как этанол или пропанол, или гликоли, и/или обладающих хорошими липофильными свойствами, например такие вещества как толуол или метилциклогексан. Другими примерами предпочтительных добавок являются растворители или смеси растворителей, которые содержат большое количество активных для ЯМР ядер, таких как 1Н, 19F, 31P, и тому подобных изотопов. Особенно предпочтительной является добавка, представляющая собой по меньшей мере один растворитель, выбираемый из группы, состоящей из неразветвленных или разветвленных алканов C6-C12, циклоалканов C5-C12, жирных спиртов, сложных жирных эфиров, замещенных производных бензола, таких как толуол или ксилол, моно- или полифторированных растворителей, таких как тетрадекафторгексан или гексафторизопропанол, одноцепочечных спиртов, таких как этанол, пропанол или бутанол, и гликолей. Наиболее предпочтительными добавками являются циклопентан, толуол, ксилол, этанол, пропанол и 2-бутанол.

В предпочтительном воплощении изобретения добавку выбирают таким образом, чтобы существовала такая область температуры/давления, в которой как добавка, так и ксенон одновременно находятся в жидкой фазе. Подходящими примерами таких добавок являются пропанол и этанол.

В другом предпочтительном воплощении изобретения поддерживают небольшое количество ксенона в смеси ксенона и добавки, поскольку результирующая поляризация 129Хе снижается с повышением концентрации ксенона в смеси ксенона и добавки. Однако так как интенсивность ЯМР сигнала определяется как поляризацией (которая увеличивается с разбавлением), так и количеством спинов 129Хе (которое снижается по мере разбавления), при выборе количества ксенона для ДЯП необходимо учитывать оба этих фактора.

Свободным радикалом, находящимся в смеси при выполнении операции (а), может быть либо стабильный свободный радикал, такой как нитроксидный или тритильный радикал, или свободный радикал, полученный in situ из стабильного радикального предшественника при помощи операции генерирования радикалов незадолго до начала операции (b) гиперполяризации или, в ином случае, при помощи ионизирующего излучения. Подходящими свободными радикалами являются органические свободные радикалы, такие как триарилметил, нитроксидные радикалы, такие как порфирексид, ТЕМПО, ТЕМПОН и ТЕМПОЛ (см. ниже), кислород-центрованные радикалы, такие как гальвиноксил (см. ниже), углерод-центрованные радикалы, такие как тритилы и аллилы, ионы металлов, имеющие неспаренные электроны, такие как ионы Cr(V), например BHHA-Cr(V) и EHBA-Cr(V) (см. ниже), Mn(II), например MnCl2, ионы Tm(II), Yb(III), Nd(III), V(IV), Ni(II) и Fe(III), или радикальные центры и бирадикалы, генерируемые при помощи излучения, такие как, например, описано в WO-A-88/10419, WO-A-90/00904, WO-A-91/12024, WO-A-93/02711 и WO-A-96/39367. Предпочтительными свободными радикалами являются радикалы, растворимые в добавке и/или в жидком ксеноне. Особо предпочтительными свободными радикалами являются тритилы и нитроксидные радикалы, например трет-амил-трет-бутилнитроксид.

В предпочтительном воплощении изобретения ксенон конденсируют поверх добавки и свободного радикала в подходящем реакционном сосуде, предпочтительно, применяя баню с жидким азотом. Затем реакционный сосуд укупоривают и нагревают до тех пор, пока все компоненты не перейдут в жидкое состояние. Добавку и свободный радикал смешивают с жидким ксеноном до тех пор, пока не получится гомогенная смесь. Гомогенная смесь может быть получена при помощи нескольких способов, известных в данной области техники, таких как взбалтывание, встряхивание, перемешивание и тому подобное. Полученную смесь затем быстро охлаждают, например, при помощи бани с жидким азотом, и полученное твердое вещество используют для гиперполяризации.

При проведении второй операции (b) смесь из операции (а) подвергают гиперполяризации в соответствии со способом ДЯП с целью получения гиперполяризованного 129Хе.

Для получения твердого вещества, которое может быть использовано для ДЯП гиперполяризации, смесь предпочтительно охлаждают, например жидким азотом.

Механизмы динамической ядерной поляризации (ДЯП) включают эффект Оверхаузера, так называемый эффект твердого тела (solid effect) и эффект термического смешивания (thermal mixing effect). При проведении ДЯП производят подвод энергии, обычно в виде микроволнового излучения. Происходит передача поляризации от неспаренного электрона радикала к изотопу 129Хе и/или ЯМР-активным ядрам добавки, в зависимости от свойств свободного радикала и/или частоты применяемого микроволнового излучения. Если поляризации подвергаются ЯМР-активные ядра добавки, эта поляризация может быть впоследствии перенесена на 129Хе при помощи подходящей методики поперечной поляризации. Для проведения динамической ядерной поляризации (ДЯП) может быть приложено сильное магнитное поле или магнитное поле средней силы, а также очень низкая температура; например ДЯП может быть проведена в жидком гелии с приложением магнитного поля с магнитной индукцией приблизительно 1 Т или более. Температура должна быть очень низкой, например 100 К или менее, предпочтительно, 4,2 К или менее, более предпочтительно, 1,5 К или менее, особо предпочтительно, 1 К или менее, и еще более предпочтительно, 100 мК или менее. Магнитная индукция прилагаемого магнитного поля должна быть как можно более высокой, предпочтительно более 0,1 Т, более предпочтительно более 1 Т, еще более предпочтительно 5 Т или более, особо предпочтительно 15 Т или более, и наиболее предпочтительно 20 Т или более. Альтернативно может быть приложено магнитное поле с умеренной величиной магнитной индукции и любая температура, при которых может быть достигнуто значительное усиление поляризации. Предпочтительно, поляризация должна составлять 1% или более, более предпочтительно 10% и более, особо предпочтительно 25% и более, и наиболее предпочтительно 50% и более.

После гиперполяризации ксенон может быть отделен от остальных компонентов смеси простым нагреванием смеси до тех пор, пока ксенон не перейдет в газообразное состояние, с последующим улавливанием газа в подходящем контейнере. Нагревание смеси может быть проведено при помощи различных способов, таких как приведение смеси в контакт с горячей жидкостью, такой как вода, или применение энергии лазера или микроволновой энергии для расплавления смеси. Подобные средства для растворения и расплавления гиперполяризованных твердых образцов описаны в заявках WO-А-02/37132 и WO-A-02/36006. Возможно, полученный газообразный ксенон может быть сконденсирован снова с получением «ксенонового льда», который можно транспортировать, используя постоянный магнит и баню с жидким азотом. Предпочтительно, величина магнитной индукции магнитного поля при такой транспортировке должна быть как можно более высокой, предпочтительно 10 мТ или более, более предпочтительно 0,1 Т или более, еще более предпочтительно 0,2 Т или более, и особо предпочтительно 0,3 Т или более. Температура при такой транспортировке должна быть ниже точки кипения ксенона, т.е. ниже 166,05 К при атмосферном давлении.

Для применения в качестве контрастного агента ксенон, перед его использованием, может быть подходящим образом нагрет.

Таким образом, другой целью настоящего изобретения является предложение способа приготовления контрастного агента, включающего:

a) приготовление смеси ксенона, добавки и свободного радикала;

b) гиперполяризацию указанной смеси в соответствии со способом динамической ядерной поляризации (ДЯП) для получения гиперполяризованного 129Хе;

c) отделение ксенона от других компонентов смеси; и

d) возможную конденсацию отделенного ксенона.

Еще одной целью настоящего изобретения является применение ДЯП-гиперполяризованного 129Хе для изготовления контрастного агента, применяемого для магнитно-резонансной визуализации человеческого тела или тела животного, предпочтительно, легких тела человека или животного.

Еще одной целью настоящего изобретения является предложение способа магнитно-резонансной визуализации легких тела человека или животного, включающего:

a) приготовление смеси ксенона, добавки и свободного радикала;

b) гиперполяризацию указанной смеси в соответствии со способом динамической ядерной поляризации (ДЯП) для получения гиперполяризованного 129Хе;

c) отделение указанного ксенона от других компонентов смеси;

d) возможную конденсацию и нагревание указанного отделенного ксенона;

e) введение указанного ксенона в легкие тела человека или животного; и

f) получение магнитно-резонансного изображения указанного тела.

Еще одной целью настоящего изобретения является применение 129Хе, гиперполяризованного в соответствии со способом настоящего изобретения, в качестве контрастного агента, более предпочтительно в качестве контрастного агента для магнитно-резонансной визуализации легких.

Примеры

Пример 1 (сравнительный пример)

10 мкл трет-амил-трет-бутилнитроксида охладили в реакционном сосуде в бане с жидким азотом. В реакционный сосуд поместили при помощи конденсации 750 мл газообразного ксенона (с природным содержанием 129Хе, СТД (= стандартные температура и давление)). Реакционный сосуд закупорили, и температуру довели до 195 К. Содержимое взбалтывали до тех пор, пока не образовалась гомогенная жидкость, а затем охладили в бане с жидким азотом. Реакционный сосуд и баню с жидким азотом затем перенесли в заполненную азотом защитную камеру с перчатками. Реакционный сосуд открыли и прибавили жидкий азот. Твердое содержимое реакционного сосуда измельчали шпателем и переносили в предварительно охлажденный держатель образца. Образец затем быстро вносили в криостат и подвергали ДЯП в магнитном поле с магнитной индукцией 3,35 Т при частоте облучения 93,3 ГГц и температуре 1,6 К.

При 1,6 К и 3,35 Т измеренное значение T1 составляло приблизительно 10 ч. Эффекта ДЯП не наблюдали.

Пример 2 (сравнительный пример)

Пример 2 проводили также, как и Пример 1, используя 10 мкл трет-амил-трет-бутилнитроксида. При 1,6 К и 3,35 Т измеренное значение T1 составляло приблизительно 1 ч. Эффекта ДЯП не наблюдали.

Пример 3

Пример 3 проводили так же, как и Пример 1, используя 10 мкл трет-амил-трет-бутилнитроксида в 1,2 мл толуола и 800 мл газообразного 129Хе. Динамическую ядерную поляризацию проводили в магнитном поле с магнитной индукцией 3,35 Т при частоте облучения 93,3 ГГц и температуре 1,44 К. Было измерено увеличение поляризации 24 при 1,44 К и 3,35 Т, которое соответствовало поляризации 129Хе, равной 1,6%.

Пример 4

Образец:

1,5 мл пропанола, 26 мг трис-(8-этоксикарбонил-2,2,6,6-тетракис-(метилбензо[1,2-d:4,5-d`]бис(1,3)дитиол)метила, далее называемого «радикал», 500 мл (СТД) природного ксенона.

Описание эксперимента

Радикал и пропанол поместили в круглодонную колбу, из которой затем откачали воздух и несколько раз продули газообразным гелием для снижения содержания кислорода в системе. Затем колбу погрузили в баню с жидким азотом и произвели конденсацию ксенона в колбе. Затем колбу закупорили, и баню с жидким азотом заменили на баню с этанолом/CO2. Содержимое колбы перемешивали магнитной мешалкой. Затем баню с этанолом/СО2 заменили на баню из этанола и охладили до 163 К, используя жидкий азот. При этой температуре как пропанол, так и ксенон находятся в жидком состоянии, и содержимое колбы представляет собой вязкую жидкость. Затем смесь снова перемешивали при помощи магнитной мешалки, а затем быстро охладили в бане с жидким азотом. Колбу открыли и прибавили жидкий азот. Полученное твердое содержимое колбы измельчали предварительно охлажденным шпателем и переносили в предварительно охлажденный держатель образца. Образец быстро вносили в криостат и подвергали динамической ядерной поляризации в магнитном поле с магнитной индукцией 3,354 Т при частоте облучения 93,3 ГГц и температуре 1,08 К.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 82 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 7,2%. Постоянная времени накопления поляризации составила 1,2 часа, а оценочное значение T1 составило 4,2 часа.

Пример 5

Образец:

3,85 мл пропанола, 52 мг радикала, 500 мл (СТД) природного ксенона (соответствует 0,85 мл жидкого ксенона).

Описание эксперимента

Эксперимент проводили так же, как и в Примере 4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 263,4 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 23,2%. Постоянная времени накопления поляризации составила 2,2 часа, а оценочное значение T1 составило 4,6 часа.

Пример 6

Образец:

1,0 мл пропанола, 20,5 мг радикала, 500 мл (СТД) природного ксенона.

Эксперимент проводили так же, как и в Примере 4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 26 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 2,3%. Постоянная времени накопления поляризации составила 1,2 часа, а оценочное значение T1 составило 2,5 часа.

Пример 7

Образец:

3,85 мл пропанола, 52,7 мг радикала, 500 мл (СТД) ксенона, обогащенного 129Хе (82,3% 129Хе).

Описание эксперимента

Эксперимент проводили так же, как и в Примере 4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 197 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 17,4%. Постоянная времени накопления поляризации составила 1,7 часа, а оценочное значение T1 составило 6,2 часа.

Пример 8

Образец:

3,85 мл этанола (99,5%), 52,2 мг радикала, 500 мл (СТД) природного ксенона.

Описание эксперимента

Эксперимент проводили так же, как и в Примере 4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 171,6 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 15,2%. Постоянная времени накопления поляризации составила 4,1 часа, и оценочное значение Т1 составило 4,4 часа.

Пример 9

Образец:

3,85 мл 2-бутанола, 51,4 мг радикала, 500 мл (СТД) природного ксенона.

Описание эксперимента

Эксперимент проводили так же, как и в Примере 4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП составил 23 по отношению к сигналу термического равновесия, что соответствует поляризации, равной 2,0%. Постоянная времени накопления поляризации составила 1,5 часа, а оценочное значение T1 составило 3,9 часа.

Пример 10

Образец:

Образец приготавливали также, как и в Примере 5.

Описание эксперимента

Начальную фазу эксперимента проводили так же, как и в Примере 5, с тем лишь исключением, что частота облучения составляла 93,945 ГГц. Образец подвергали поляризации в течение 2 часов, а затем размораживали in situ при помощи горячей воды (≈95°С). Газообразный ксенон собирали в баллон, обычно применяемый для хранения гиперполяризованного газообразного гелия. Газообразный ксенон затем переносили в 10 мм ЯМР-трубку, которая была предварительно наполнена аргоном. ЯМР-трубку герметично закрывали крышкой и переносили для проведения определений в ЯМР-спектрометр Tesia 9.4.

Результаты

Полученный коэффициент усиления ДЯП в твердом состоянии не определяли. Постоянная времени накопления поляризации составляла приблизительно 1 час. Полученный коэффициент усиления ДЯП в газовой фазе составил 4752 по отношению к сигналу термического равновесия при комнатной температуре, что соответствует поляризации, равной 4,3%.