УСИЛЕНИЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР) И МАГНИТОРЕЗОНАНСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ (МРВ) В ПРИСУТСТВИИ ГИПЕРПОЛЯРИЗОВАННЫХ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК G01R33/28 A61B5/55 

Область изобретения
Изобретение в целом относится к методам ядерного магнитного резонанса (ЯМР) применительно и к спектроскопии, и к визуализации. В частности, настоящее изобретение относится к применению гиперполяризованных благородных газов (например, Хе и Не) для усиления и улучшения ЯМР и МРВ.

Предпосылки изобретения
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является признанным методом и для спектроскопии, и для визуализации. Спектроскопия ЯМР является одним из наиболее мощных доступных методов определения первичной структуры, конформации и локальных динамических свойств молекул в жидкой, твердой и даже газообразной фазах. Как метод визуализации всего организма магниторезонансная визуализация (МРВ) дает изображения мягких тканей, обладающие таким великолепным разрешением, что МРВ стала методом выбора на многих клинических установках. МРВ может продуцировать изображения, которые позволяют клиницисту установить различие между патологическим состоянием и здоровой тканью. Например, МР изображения позволяют четко дифференцировать опухоли от окружающей ткани. Кроме того, при использовании МРВ возможна визуализация специфических зон в организме и возможно получение анатомической (морфология и патология) и/или функциональной информации о различных процессах, включая кровоток и тканевую перфузию. Функциональная визуализация мозга в настоящее время также хорошо подтверждена документально.

Структурную и функциональную информацию, доступную через МРВ, дополняют спектроскопией ЯМР всего организма. ЯМР-спектроскопические исследования на организмах обеспечивают средства для изучения химических процессов, происходящих в исследуемой ткани. Например, можно исследовать локализацию и количество внутренних ЯМР-спектроскопических маркеров, таких как лактат и цитрат, чтобы проанализировать химические процессы, лежащие в основе болезненного состояния [Kurhanewicz, J. , et al., Urology 45: 459-466 (1995)]. Спектроскопию ЯМР можно применять для наблюдения за действием вводимых лекарственных средств на биохимию организма или изменениями лекарственного средства, которые происходят после его введения [Maxwell, R.J., Cancer Surv. 17: 415-423 (1993)]. Усилия, направленные на увеличение информационного выхода от МРВ и спектроскопии ЯМР путем повышения их чувствительности или использования соответственно сконструированных поверхностных зондов, прилагаются с момента возникновения этих методов.

Чувствительность является постоянным препятствием для применения ЯМР как в визуализации, так и в спектроскопии. В протонной МРВ контраст регулируется прежде всего количеством протонов в ткани и собственным временем релаксации этих протонов (то есть T₁ и Т₂). Сопредельные ткани, которые отличимы гистологически, но все же сходны по магнитным свойствам, выглядят в такой же степени ярко на МР изображении. Поскольку содержание протонов в ткани не является параметром, которым можно легко манипулировать, подход, предпринятый для обеспечения различия между тканями, сходными по магнитным свойствам, состоит во введении в биологическую систему парамагнитного фамацевтического средства (то есть агента, увеличивающего контраст), такого как Gd(DTPA) (DTPA - диэтилентриаминпентауксусная кислота) [Niendorf, H.P., et al., Eur. J. Radiol., 13: 15 (1991)]. Взаимодействие между протонами ядер и неспаренными спинами на ионе Gd⁺³ значительно сокращает время протонной релаксации, что приводит к повышению яркости тканей в сайте взаимодействия. Gd(DTPA) и аналогичные агенты представляют собой агенты, состоящие из небольших молекул, которые остаются в значительной степени ограниченными в своем распространении во внеклеточный компартмент и не без труда проходят интактный гематоэнцефалический барьер. Таким образом, эти агенты малопригодны в функциональной визуализации мозга.

Так же, как МРВ, ЯМР-спектроскопические исследования, как правило, основаны на детектировании ЯМР-активных ядер, которые присутствуют в виде естественной примеси изотопов (например, ¹H, ³¹Р, ¹³С) [Sapega, A.A., et al., Med. Sci. Sports Exerc., 25: 656-666 (1993)]. Кроме того, исследуемые химические молекулярные типы должны быть спектроскопически отличимыми от других соединений в пределах окна визуализации. Таким образом, чувствительность в спектроскопии ЯМР является функцией как относительного содержания естественной примеси изотопов, так и спектральных характеристик молекул(ы), которые хотят исследовать. Диапазон ЯМР-спектроскопических исследований был некоторым образом расширен путем использования экзогенных зондов, которые содержат ЯМР-активные ядра, например ¹⁹F [Aiken, N.R., et al., Biochim. Biophys. Acta, 1270: 52-57 (1995)].

Благородные газы представляют интерес в качестве изотопных индикаторов и зондов для МРВ и спектроскопии ЯМР [Middleton, Н., et al., Маgn. Res. Med. 33: 271 (1995)] , однако чувствительность МРВ и спектроскопии ЯМР для этих молекул является относительно низкой. Недостаточная чувствительность этих методов в отношении благородных газов обусловлена тем, что спиновая поляризация, или результирующий магнитный момент, образца благородного газа является низкой. Например, типичная молекула при тепловом равновесии при комнатной температуре обладает избытком спинов, ориентированных в одном направлении с приложенным магнитным полем, по отношению к спинам, ориентированным в противоположном направлении, в общем менее чем 10^-5. Более низкие температуры и более высокие поля до той степени, до которой они могут быть приложены, обеспечивают только ограниченное преимущество. Альтернативные подходы основаны на прерывании равновесной намагниченности путем принуждения молекул в образце переходить в поляризованное состояние. Два известных специалистам метода усиления спиновой поляризации заселенности ядер представляют собой динамическую ядерную поляризацию и оптическую накачку.

Динамическая ядерная поляризация, первоначально применявшаяся для металлов, является результатом поперечной релаксации между спаренными спинами. Это явление известно как эффект Оверхаузера, раскрытый ранее Оверхаузером и др. [Overhauser, A. W. , "Polarization of nuclei in metals", Phys. Rev. 92 (2): 411-415 (1953), Solomon, I., "Relaxation processes in a system of two Spins", Phys. Rev. 99 (2): 559-565 (1955), и Carver, T.R. et al., Experimental verification of the Overhauser nuclear polarization effect", Phys. Rev. 102 (4): 975-980 (1956)]. Ядерный эффект Оверхаузера между ядерными спинами широко используется для определения межатомных расстояний в ЯМР-исследованиях молекул в растворе.

Оптическая накачка представляет собой метод усиления спиновой поляризации газов, который состоит в облучении щелочного металла в присутствии благородного газа циркулярно поляризованным светом. Образующиеся в результате гиперполяризованные газы использовали для ЯМР-исследований поверхностей и визуализации полых пространств и поверхностей. Примерами являются усиленный поверхностный ЯМР гиперполяризованного ¹²⁹Хе, как описано Raftery, D., et al. [Phys. Rev. Lett. 66: 584 (1991)]; усиление сигнала протона и ¹³С ЯМР путем теплового перемешивания от гиперполяризованного ¹²⁹Хе, как описано Driehuys, В., еt al. [Phys Lett. A184: 88-92 (1993)] и Bowers, С. R. et al. [Chem. Phys. Lett. 205: 168(1993)], и путем поперечной поляризации Хартмана-Хана, как описано Long, Н. W. , et al. [J. Am. Chem. Soc., 115: 8491 (1993)] ; и улучшенная МРВ полых пространств в организмах (таких как легкое) и других материалах, как описано Albert, M.S., et al. [Nature 370: 199-201 (1994)] и Song, Y.-Q., et al. [J. Magn. Reson. AH 5: 127-130 (1995)].

Хотя было доказано, что гиперполяризованные благородные газы применимы в качестве зондов при исследовании воздушных полостей в легких, эффективность или чувствительность этих способов представляет собой нечто компромиссное для таких биологических материалов и органов, как кровь и части организма, которые доступны только через кровь. За время пребывания в крови гиперполяризованный газ значительно разбавляется, и задержка в переносе газа из легочного пространства в кровь потребляет много времени (например T₁), которое требуется поляризованному газу, чтобы вернуться в негиперполяризованное состояние. Еще более усложняя ситуацию, проникание гиперполяризованного газа внутрь красных кровяных клеток значительно снижает T₁ гиперполяризованного газа и, следовательно, крайне сокращает промежуток времени, в течение которого газ может служить как эффективный зонд.

Значительного преимущества как в МРВ, так и в спектроскопии ЯМР можно было бы достичь путем введения универсального ЯМР-активного изотопного индикатора на основе гиперполяризованного благородного газа, который может функционировать также как увеличивающий контраст агент, или, напротив, воздействовать на ближайшие к зонду молекулы образца таким образом, чтобы их можно было различать спектроскопически. В числе других применений такой агент мог бы быть полезным в функциональной визуализации мозга, а также для изучения динамики обмена между внутриклеточным и внеклеточным компартментами различных тканей. Значительно более глубокое значение могли бы иметь средства доставки изотопного индикатора через кровь или путем прямой инъекции в интересующую ткань, которые сохраняют гиперполяризацию газа во время процесса доставки и на протяжении визуализации или спектроскопического эксперимента. Совершенно неожиданно согласно настоящему изобретению предложены и такой изотопный индикатор и способ доставки.

Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предложены способы, относящиеся к использованию гиперполяризованных благородных газов в спектроскопии ЯМР и МРВ. Благородные газы пригодны как в качестве изотопных индикаторов, которые сами по себе являются обнаруживаемыми, так и в качестве агентов, которые воздействуют на магнитные свойства других ядер, присутствующих в образце.

Таким образом, согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ анализа образца, содержащего ЯМР-активные ядра, включающий в себя:
(а) контактирование образца с гиперполяризованным благородным газом;
(б) сканирование образца путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации;
(в) детектирование ЯМР-активного ядра, причем ЯМР-активное ядро представляет собой ядро, иное чем благородный газ.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ анализа образца, который включает в себя: (а) объединение гиперполяризованного благородного газа с текучей средой с образованием смеси; (б) контактирование образца с данной смесью; (в) сканирование образца, благородного газа или как образца, так и благородного газа путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации.

В следующем аспекте изобретения предложена фармацевтическая композиция, которая содержит гиперполяризованный благородный газ, растворенный в физиологически совместимом жидком носителе.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен способ исследования свойства благородного газа в ткани. Этот способ по изобретению включает в себя: (а) гиперполяризацию благородного газа; (б) растворение гиперполяризованного благородного газа в физиологически совместимом жидком носителе с образованием смеси; (в) контактирование ткани со смесью из стадии (б); и (г) сканирование ткани путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или их обоих, посредством чего исследуют свойство благородного газа в ткани.

В следующем аспекте изобретения предложен способ увеличения времени релаксации гиперполяризованного благородного газа в контакте с физиологической текучей средой. Этот способ включает в себя: (а) образование промежуточного раствора гиперполяризованного благородного газа путем растворения гиперполяризованного благородного газа в текучей среде, в которой время релаксации благородного газа является более длительным, чем время релаксации благородного газа в физиологической текучей среде; и (б) контактирование физиологической текучей среды с промежуточным раствором.

Еще в одном дополнительном аспекте настоящего изобретения предложен способ измерения сигнала, передаваемого от по меньшей мере одного атома гиперполяризованного благородного газа по меньшей мере одному ЯМР-акгивному ядру, иному чем благородный газ, включающий в себя: (а) контактирование ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, с атомом гиперполяризованного благородного газа; (б) приложение радиочастотной энергии к ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, в магнитном поле; и (в) измерение сигнала, передаваемого от атома гиперполяризованного благородного газа ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации либо их обоих.

В еще одном дополнительном аспекте изобретения предложена последовательность импульсов для индуцированного спиновой поляризацией ядерного эффекта Оверхаузера (SPINOE) ЯМР гетероядерного различия системы, содержащей по меньшей мере один атом гиперполяризованного благородного газа и по меньшей мере одно ЯМР-активное ядро, иное чем благородный газ, включающая в себя: (а) π/2 импульс по меньшей мере одного ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ; (б) π импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, приложенный одновременно с приложением π импульса благородного газа; и (в) π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ.

В дополнительном аспекте изобретения предложен аппарат для получения раствора гиперполяризованного благородного газа в текучей среде, включающий в себя:
сосуд для приема текучей среды;
резервуар для приема гиперполяризованного благородного газа, сообщающийся через первый запорный клапан с сосудом, причем резервуар имеет форму, которая дает возможность охлаждать его независимо от сосуда;
входное отверстие для газа, сообщающееся через второй запорный клапан с резервуаром; и
средства для удаления текучей среды из сосуда независимо от первого и второго запорного клапана.

Другие признаки, назначения и преимущества изобретения и его предпочтительные воплощения станут видны из подробного описания, которое следует.

Краткое описание графических материалов
Фиг. 1. Схематически представлен использованный протокол эксперимента. Ксенон с обогащением изотопом ¹²⁹Хе восемьдесят процентов поляризуют через спиновый обмен с атомами рубидия, подвергнутыми оптической накачке, с использованием методов, описанных ранее. Ксенон замораживают при температуре жидкого азота в боковом плече пробирки для образца в сильном магнитном поле, обеспечиваемом постоянным магнитом. Затем ксенон переводят в газовую фазу путем нагревания и вводят в раствор.

Фиг.2. ¹²⁹Хе ЯМР спектр раствора ¹²⁹Хе в D₂O.

Фиг. 3А и 3В. Представлены стандартные и оптически поляризованные ¹²⁹Хе ЯМР спектры ксенона в крови, снятые после инъекции 1 см³ смеси ксенон/вода в 1 см³ концентрированных красных кровяных клеток.

Фиг. 4. Представлена временная зависимость интегралов двух пиков в типичном ¹²⁹Хе ЯМР ¹²⁹Хе в крови.

Фиг. 5А и 5В. Собственный обмен ксенона между внеклеточным и внутриклеточным компартментами крови. На фиг.5А показан первоначальный равновесный спектр и временная зависимость спектров после избирательной инверсии. На фиг.5Б показана временная зависимость интенсивностей сигналов.

Фиг. 6А и 6В. ¹²⁹Хе спектр подвергнутого оптической накачке ксенона, доставленного в кровь в растворе INTRALIPID^® (А). Двухмерное ¹²⁹Хе МР изображение лазер-поляризованного ксенона в смеси кровь/INTRALIPID^® (А, вставка). ¹²⁹Хе спектр, снятый после перемешивания раствора ксенон/FLUOSOL^® в цельной крови (В). Сжатый ¹²⁹Хе ЯМР спектр раствора ксенон/FLUOSOL^® в цельной крови (В, вставка).

Фиг. 7. Двухмерное магниторезонансное изображение ¹²⁹Хе, растворенного в свежей крови человека, полученное сразу после того, как кровь смешали с физиологическим раствором, насыщенным гиперполяризованным ксеноном. Изображения 128х64 получены методом эхо-планарной визуализации (EPI) на спектрометре Quest 4300. Диаметр пробирки для образца 10 мм, и раствор занимает регион длиной 20 мм.

Фиг.8. Временная зависимость сигнала гиперполяризованного ¹²⁹Хе ЯМР, наблюдаемая в бензольном растворе после его контактирования с гиперполяризованным ксеноном. На основной фигуре показаны данные для частично дейтерированного бензола (25% C₆D₅H, 75% С₆D₆); на вставке показаны данные для нормального бензола (С₆Н₆). В экспериментах, представленных пустыми кружками, ксенон вводили в бензол посредством открытия ксенонового резервуара; начальный рост сигнала соответствует прониканию ксенона в растворитель. В эксперименте, представленном заштрихованными кружками, ксенон смешивали с бензолом посредством взбалтывания образца после открытия ксенонового резервуара таким образом, чтобы получить однородный насыщенный раствор. Спиновую поляризацию ¹²⁹Хе усиливали путем оптической накачки с использованием циркулярно поляризованного света при 794,7 нм. Обычно в одном эксперименте использовали 4х10^-4 моль обогащенного ¹²⁹Хе. Различие в сигнале ¹²⁹Хе между бензолом и дейтерированным бензолом демонстрирует влияние магнитного дипольного взаимодействия между спинами ¹H и ¹²⁹Хе на релаксацию ¹²⁹Хе. Для исходных NOE экспериментов использовали частично дейтерированные жидкости, чтобы поддерживать эффекты поперечной релаксации выше эффектов, которые способствуют авторелаксации ¹Н. ¹²⁹Хе ЯМР осуществляли при 51 МГц на спектрометре Quest 4300 с использованием зонда собственной конструкции и под углом наклона 3^o.

Фиг. 9. Временная зависимость ¹H ЯМР сигнала, наблюдаемая после экспонирования частично дейтерированного бензола (25% C₆D₅H, 75% C₆D₆) гиперполяризованным ¹²⁹Хе. Образец экспонировали ксеноном при нулевом магнитном поле, а затем вводили в ЯМР зонд в течение нескольких секунд. Начальное увеличение ¹H сигнала связано со спин-решеточной релаксацией. ¹H ЯМР сигнал проявляет положительный (O) или отрицательный NOE в зависимости от знака вектора поляризации ¹²⁹Хе. По вариации сигнала ¹H в присутствии неполяризованного ксенона определено, что ¹Н T₁ раствора бензол-ксенон составляет приблизительно 160 с. Вставка: временная зависимость сигнала ¹H ЯМР после того, как поляризованный ¹²⁹Хе был растворен в частично дейтерированном бензоле. Перед введением ксенона образец помещали в ЯМР магнит примерно на 10 минут, чтобы дать возможность установиться тепловому равновесию намагничивания ¹H. После того как ксеноновый резервуар был открыт, образец взбалтывали, чтобы гарантировать эффективное перемешивание ксенона и бензола. Плавные линии представляют собой соответствие временной зависимости раствора [J. Н. Noggle, R. E. Schirmer, The Nuclear Overhauser Effect^ Chemical Applications (Academic Press, New York - London - Toronto - Sidney - San Francisco, 1971)] уравнению 1,

с временными константами 120 с и 1050 с (•), и 140 с и 1020 с ¹H ЯМР осуществляли при 185 МГц с использованием зонда собственной конструкции и под углом наклона 3^o.

Фиг. 10. Двухмерные магниторезонансные изображения растворенного в бензоле ¹²⁹Хе, с разрешением во времени, полученные после экспонирования бензола гиперполяризованным ¹²⁹Хе. Градиент концентрации Хе существует сразу после введения Хе, изменяясь со временем до более однородного раствора. Изображения 64х128 пикселей получали методом визуализации быстрый снимок под малым углом (FLASH) на спектрометре Quest 4300, с углом наклона 3^o для каждой из 64 регистрации сигналов. Градиент частотного кодирования составлял 3,5 Г/мм. Размер шага градиентных импульсов фазового кодирования, которые были 500 мкс длиной, составлял 0,063 Г/мм. Диаметр пробирки для образца составляет 7 мм, и раствор занимает регион длиной 15 мм.

Фиг. 11. Распределение, с разрешением во времени, намагничивания ¹²⁹Хе в частично дейтерированном бензоле по МРВ проекции вдоль оси пробирки (z). Образец не взбалтывали после введения ксенона в бензол, чтобы предотвратить начальную однородную концентрацию. На первом изображении, полученном через 47 с после введения газообразного ксенона в раствор, можно различить три области. Интенсивность сигнала выше уровня раствора (выше 18 мм) возникает от ксенона в газовой фазе, которая смещена от сигнала растворенного ¹²⁹Хе благодаря его иному химическому сдвигу. Падение сигнала газа выше 21 мм вдоль оси z происходит вследствие снижения ЯМР чувствительности вне радиочастотной спирали, представленной на схеме кружками. Максимум сигнала в позиции 15,2 мм соответствует верху раствора, где сигнал поступает от ксенона, диффундирующего в раствор из газообразной фазы. Максимальный сигнал в позиции примерно 1,3 мм соответствует нижнему концу пробирки. Таким образом, вначале ксенон аккумулируется на дне пробирки для образца, и заметный градиент концентрации ксенона продолжает существовать до 5 минут. Градиент концентрации, который является результатом естественной конвекции вследствие разности плотностей раствора ксенона и чистого бензола, в конечном счете прогрессирует до однородного насыщенного раствора ксенона. Градиент поля визуализации составлял 2,6 Г/мм.

Фиг. 12. Двухмерное магниторезонансное изображение усиленных NOE ¹H сигналов на 2 и 6 минутах после того, как гиперполяризованный ксенон был введен в пробирку для образца, содержащую нормальный бензол. Изображения усиления получают вычитанием показанного равновесного изображения, которое представляет собой среднее из четырех изображений, полученных через 25 минут. Шкала интенсивности относительно различия изображений увеличена в 8 раз для четкости. Максимальное усиление NOE на 2-минутном изображении составляет 0,05; на 6-минутном изображении оно составляет 0,12. Ощутимый градиент усиленного ¹H сигнала наблюдается на 2-минутном изображении, что соответствует наблюдаемому градиенту концентрации ксенона, а 6-минутное изображение обнаруживает, что усиление становится однородным при уменьшении градиента концентрации ксенона. Отрицательная область на 2-минутном изображении возможно вызвана расширением жидкой фазы при растворении ксенона. Изображения получены методом эхопланарной визуализации [Mansfield, P., J. Phys. С 10, L55 (1977)] при 24 мс. Градиент частотного кодирования составлял 3,15 Г/мм; градиентные импульсы фазового кодирования составляли 0,14 Г/мм длительностью 50 мкс. Размер изображения был 128х32, и изображение было нуль-заполненным до 256х256 при обработке данных. Сдвиг изображения является следствием неоднородности статического магнитного поля.

Фиг. 13. Схематическая диаграмма последовательности импульсов, использованной для получения SPINOE спектров гетероядерного различия. Протонную намагниченность насыщают сначала посредством серии π/2 импульсов и прикладывают магнитное поле с z-осевым градиентом между импульсами, чтобы расфазировать поперечные компоненты намагниченности для оптимального насыщения, π импульсы помогают снизить рост протонного сигнала вследствие спин-решеточной релаксации, π импульс также прикладывают к ¹²⁹Хе резонансу одновременно с протонными π импульсами так, чтобы намагниченность ¹²⁹Хе инвертировалась при синхронизации с протонной намагниченностью. Эта синхронизация гарантирует, что SPINOE сигналы будут аккумулироваться в течение всего времени смешивания. Как протонные, так и ксеноновые π импульсы представляют собой адиабатические импульсы BIR4 продолжительностью 1 мс.

Фиг. 14А и 14Б. (А) Протонные спектры 0,1 М раствора п-нитротолуола в пердейтерированном бензоле при тепловом равновесии; (В) SPINOE протонные спектры 0,1 М раствора п-нитротолуола в пердейтерированном бензоле с положительной и отрицательной спиновой поляризацией ¹²⁹Хе. Общее время смешивания составляет 2,1 с.

Фиг. 15. Протонные спектры 0,05М раствора α-циклодекстрина в пердейтерированном ДМСО (диметилсульфоксиде) при тепловом равновесии.

Фиг. 16. SPINOE спектр α-циклодекстрина в присутствии отрицательно поляризованного ¹²⁹Хе.

Фиг. 17. SPINOE спектр α-циклодекстрина в присутствии положительно поляризованного ¹²⁹Хе. Положительная поляризация ¹²⁹Хе определена по тепловой равновесной поляризации. Общее время смешивания составляет 1 с, и для каждого спектра требовалось два сигнала.

Фиг. 18. Схематическая диаграмма, показывающая процесс, использованный для визуализации in vivo гиперполяризованного ¹²⁹Хе у крысы.

Фиг.19. ¹²⁹Хе спектр ксенона, представляющий собой среднее из сканирований с шестого по двенадцатое в серии ¹²⁹Хе спектров, полученных на областях груди и живота после внутривенной инъекции раствора ксенон/INTRALIPID^® крысе.

Фиг.20. Схематическая диаграмма эксперимента по ¹²⁹Хе визуализации, показывающая синхронизацию и соотношение между импульсом возбуждения, импульсом выборки среза, первым и вторым градиентами и детектированием сигнала.

Фиг. 21. Двухмерные ¹²⁹Хе изображения, полученные через интервалы примерно в 7 секунд. Изображения отображают интенсивность ¹²⁹Хе сигнала в верхней части задней лапы крысы.

Фиг. 22. Представление одного из возможных аппаратов для осуществления смешивания гиперполяризованного благородного газа с текучей средой, как предложено согласно данному изобретению. Аппарат имеет четыре главных подкомпонента: сосуд для приема текучей среды 10, резервуар для благородного газа 20, входное отверстие для газа 40 и средства для удаления текучей среды из сосуда 60. Резервуар и сосуд соединены посредством запорного клапана 30. Подобным же образом резервуар и входное отверстие для газа соединены посредством запорного клапана 50.

Подробное описание изобретения и относящиеся к нему воплощения
Было обнаружено, что когда гиперполяризованный благородный газ (например, ¹²⁹Хе) растворяют в жидких растворителях, наблюдается зависимое от времени отклонение, например, спиновой поляризации протонов от ее теплового равновесия. Вариация намагниченности, положительная или отрицательная в зависимости от знака спиновой поляризации благородного газа, представляет собой неожиданное проявление ядерного эффекта Оверхаузера (NOE), следствие поперечной релаксации между спинами протонов раствора и растворенного гиперполяризованного благородного газа. Магниторезонансные изображения, с разрешением во времени, обоих ядер, ¹Н и растворенного благородного газа, в растворе показывают, что намагничивание протона избирательно возмущается в зонах, содержащих спин-поляризованный благородный газ. Таким образом, теперь установлено, что оптическую накачку и ядерный эффект Оверхаузера можно эффективно использовать для передачи повышенной поляризации от гиперполяризованного благородного газа различным молекулярным формам фазы раствора без необходимости радиочастотного облучения возмущенных спинов. Этот эффект назван индуцированным спиновой поляризацией эффектом Оверхаузера (SPINOE). Таким образом, SPINOE можно выгодно использовать для повышения чувствительности ЯМР и, в свою очередь, для лучшего определения первичной структуры, конформации и локальных динамических свойств молекул в жидком растворе.

Таким образом, в одном из аспектов настоящего изобретения предложен способ анализа образца, содержащего ЯМР-активные ядра. Этот способ включает в себя: (а) контактирование образца с гиперполяризованным благородным газом; (б) сканирование образца с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации; (в) детектирование ЯМР-активного ядра, причем ЯМР-активное ядро представляет собой ядро, иное чем благородный газ.

Термин "контактирование" здесь использован взаимозаменяемо со следующим: объединение с, добавление к, растворение в, смешивание с, пропускание через, течение через, введение в, инъецирование в, проглатывание кем-то и т.п. Образец может быть приведен в контакт с гиперполяризованным благородным газом в жидкой, твердой или газообразной фазе. Далее, исследуемый образец может представлять собой жидкость, твердое вещество, комбинацию жидкости и твердого вещества или граничное состояние между твердым веществом и жидкостью. Перед контактированием образца с гиперполяризованным благородным газом может быть желательно заморозить благородный газ, чтобы сохранить гиперполяризацию. Кроме того, замораживание газа в магнитном поле может сохранить гиперполяризацию в течение значительно более длительного периода, чем просто замораживание газа. Для тех благородных газов, которые замораживаются при температурах, которых трудно достичь, в объеме данного изобретения эти газы охлаждают до температуры выше их точки затвердевания. Эта процедура охвачена термином "замораживание". Согласно тому, что описано выше, такое охлаждение может также происходить в присутствии магнитного поля.

Сразу после контакта образца с благородным газом его можно сканировать, используя ЯМР, МРВ или их оба. Образец сканируют, чтобы детектировать воздействия гиперполяризованного газа на ЯМР-активные ядра в образце. Можно детектировать любое ЯМР-активное ядро, иное чем благородный газ. В значении, используемом здесь, термин "ЯМР-активные ядра" обозначает те ядра, которые обладают ненулевым спиновым квантовым числом. Такие ЯМР-активные ядра включают в себя ¹H, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и их комбинации, но не ограничены ими. В предпочтительных воплощениях детектируют множество ЯМР-активных ядер. Путем детектирования воздействий гиперполяризованного благородного газа на образец можно легко проанализировать структуру, химию, пространственное распределение и т.д. образца.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ анализа образца, который основан на том, что благородный газ можно объединить с текучей средой с образованием смеси, и, в свою очередь, эта смесь может быть доставлена в кровь или другую ткань, пока еще благородный газ обладает большой неравновесной ядерной спиновой поляризацией. Таким образом, этот способ включает в себя: (а) объединение гиперполяризованного благородного газа с текучей средой с образованием смеси; (б) контактирование образца со смесью; (в) сканирование образца, благородного газа или как образца, так и благородного газа путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации.

Термин "текучая среда", как он использован здесь, включает в себя, но не ограничен ими, воду, физиологический раствор, забуференый фосфатами физиологический раствор, водные буферные растворы, фторуглероды, растворы фторуглеродов в воде или в органических растворителях, водные эмульсии фторуглеродов, липиды, растворы липидов в органических растворителях, водные эмульсии липидов, органические растворители (например, ДМСО, этанол и т. д.). Термин "водный" охватывает растворы и эмульсии, приготовленные на ¹H₂O, ²H₂O или ¹Н₂О. Термины "текучая среда", "физиологическая текучая среда" и "жидкий носитель" использованы здесь взаимозаменяемо.

В предпочтительных воплощениях благородный газ выбран из группы, состоящей из ксенона, гелия, неона, криптона и смесей этих газов. В более предпочтительных воплощениях благородный газ представляет собой ксенон и в особенно предпочтительных воплощениях благородный газ представляет собой либо ¹²⁹Хе, либо ¹²⁹Хе. При этом способе желательно предварительно растворить гиперполяризованный благородный газ в текучей среде, которая может, например, продлить его время релаксации, когда гиперполяризованный ксенон находится в контакте с физиологическими жидкостями. Например, если гиперполяризованный газ инъецируют в кровь, желательно сначала предварительно растворить гиперполяризованный газ в липиде, растворе липида или липидной эмульсии с образованием смеси, которую в свою очередь инъецируют в кровь. Желательно также растворять гиперполяризованный благородный газ во фторуглероде, растворе фторуглерода или фторуглеродной эмульсии. Методы получения таких липидных и фторуглеродных препаратов будут очевидны специалистам. Более того, при желании можно использовать гиперполяризованный благородный газ, чтобы поляризовать текучую среду, которую в свою очередь используют в качестве контрастного агента или зонда. Например, при желании можно поляризовать воду путем объединения ее с гиперполяризованным благородным газом и после этого использовать поляризованную воду в качестве контрастного агента или зонда. При желании может оказаться полезным растворение благородного газа в жидкости перед гиперполяризацией благородного газа.

В другом аспекте настоящего изобретения предложена фармацевтическая композиция, содержащая гиперполяризованный благородный газ, растворенный в физиологически совместимом жидком носителе. В предпочтительных воплощениях жидкий носитель совместим с введением гиперполяризованного газа путем подкожного, внутривенного, орального, внутрибрюшинного, внутримышечного или ингаляционного введения. В некоторых более предпочтительных воплощениях жидкий носитель является пригодным для введения в организм путем внутривенного введения.

Как отмечено выше, гиперполяризованный благородный газ объединяют с текучей средой или жидким носителем, который является химически, биологически или материально совместимым с образцом, который подлежит анализу, или во всяком случае растворяет столько благородного газа, сколько возможно. Текучие среды, подходящие для использования в способах по настоящему изобретению, включают в себя, но не ограничены ими, воду, физиологический раствор, изотонические буферы, липиды, липидные эмульсии, органические растворители, фторуглеродные кровезаменители и другие безопасные в медицине внутривенные или пероральные среды, в которых время релаксации благородного газа является достаточно длительным.

В предпочтительных воплощениях текучая среда, в которой растворяют благородный газ, представляет собой фторуглерод или водную эмульсию перфторуглерода. Предпочтительными являются фторуглероды, включающие в себя, но не ограничивающиеся ими, перфтордекалин, перфтор-1,3-диметилциклогексан, перфторгексан(ы), перфторгексилиодид, перфтор(метилциклогексан), перфтор(метилдекалин), перфтор-2-метил-2-пентен, перфторнонан, перфторктан(ы), перфторбутиламин и перфтортриэтиламин. Единственным предостережением для использования перфторуглеродов является то, что, когда желательно использовать фторуглероды in vivo, они должны быть совместимыми с биологической системой, подлежащей исследованию. Специалисты легко смогут распознать, является ли фторуглерод совместимым с биологической системой. Для использования in vitro такая совместимость является желательной, но несущественной.

Особенно предпочтительными фторуглеродами являются те, которые известны специалистам как безопасные для введения in vivo. Из безопасных для введения in vivo наиболее предпочтительными являются перфторуглероды, которые применяют в качестве кровезаменителей. Перфторуглероды, которые применяют в качестве кровезаменителей, известны специалистам (см., например, Long, D.M., et al. BLOOD SUBSTITUTES, Chang, T.M.S. and Geyer, R.D., Eds. Marcel Dekker, Inc. New York, 1989, pp. 411-420, включено здесь ссылкой). Примеры перфторуглеродов, применяемых в качестве кровезаменителей, включают в себя перфтороктилбромид (PFOB), перфтортрибутиламин и перфтордекалин. Фторуглероды можно использовать в виде чистых жидкостей, эмульсий либо их можно растворять в растворителе или инъекционном адъюванте перед применением.

Эмульсии фторуглеродов могут быть образованы с использованием воды, плазмы, крови, буферов или других водных составляющих. Способы получения фармацевтически приемлемых растворов и эмульсий хорошо известны специалистам, и любые методы получения таких смесей, известные специалистам, можно использовать в практике настоящего изобретения (см. Naim, J.G., REMINGTON'S PHARMACEUTICAL SCIENCES, Vol. 17. Gennaro, A.R., Ed., Mack Publishing Co., Easton, PA, 1985, pp. 1492-1517, включено здесь ссылкой).

Жидкие среды, особенно предпочтительные в практике настоящего изобретения, представляют собой коммерчески доступные кровезаменители, такие как PFB-1, PFB-2 (Alliance Pharmaceutical Corp.) и FLUOSOL^®, FLUOSOL^®, перфторуглеродная эмульсия для внутрисосудистого введения, которая поставляется Alpha Therapeutic Corporation (Los Angeles, California, U.S.A.), является примером фторуглеродного кровезаменителя, который можно использовать в способах по настоящему изобретению. Другие фторуглероды и фторуглеродные препараты, полезные в практике данного изобретения, должны быть очевидны специалистам.

В другом воплощении благородный газ растворяют в липиде, растворе липида или липидной эмульсии. Термин "липид" относится к любому маслу или производному жирной кислоты. Масло может происходить от растительных, минеральных или животных источников. Используемый здесь термин "липид" включает в себя также те липиды, которые способны образовывать бислой в водной среде так, чтобы гидрофобная часть липидного материала была ориентирована по направлению к бислою, тогда как гидрофильная часть была ориентирована по направлению к водной фазе. Гидрофильные характеристики являются результатом наличия фосфатной, карбоксильной, сульфатной, амино, сульфидрильной, нитро и других подобных групп. Гидрофобность может быть результатом содержания групп, которые включают в себя, но не ограничены ими, длинноцепочечные насыщенные и ненасыщенные алифатические углеводородные группы и эти группы, замещенные одной или более чем одной ароматической, циклоалифатической или гетероциклической группой (группами). Предпочтительными липидами, которые можно использовать, являются фосфоглицериды и сфинголипиды, представительные примеры которых включают в себя фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит, фосфатидную кислоту, пальмитоилолеоилфосфатидилхолин, лизофосфатидилхолин, лизофосфатидилэтаноламин, дипальмитоилфосфатидилхолин, диолеоилфосфатидилхолин, дистеароилфосфатидилхолин или дилинолеоилфосфатидилхолин. Другие соединения, не содержащие фосфор, такие как семейства сфинголипидов и гликосфинголипидов, также находятся в пределах группы, определяемой как липид. Кроме того, амфипатические липиды, описанные выше, можно смешивать с другими липидами, включая триглицериды и стерины.

Особенно предпочтительным в практике этого воплощения настоящего изобретения является использование коммерчески доступного липидного препарата, такого как 10% или 20% INTRALIPID^® (Clintec Nutrition, Deerfield, Illinois, U. S. А. ), либо 10% или 20% LIPOSYN^®II, II, либо 10% или 20% LIPOSYN^® III. LIPOSYN^® представляет собой жировую эмульсию для внутривенного введения, которую поставляет Abbot Laboratories (Abbot Park, Illinois, U. S. А.) и которая является примером липидной эмульсии, которую можно использовать в способах по настоящему изобретению. Липидные эмульсии являются особенно полезными, поскольку они растворяют благородные газы, а также поскольку в таких липидах благородные газы обладают длительными временами релаксации. Другие липиды, липидные смеси и жидкие среды, которые в общем пригодны для использования по настоящему изобретению, должны быть очевидны специалистам.

Следует отметить, что часто бывает желательным добавлять в смесь дейтерированный или частично дейтерированный растворитель. Более того, внутримышечные инъекционные адъюванты, такие как ДМСО, витамин Е и т. д., также можно использовать в качестве носителей благородного газа. Многие из этих текучих сред легко доступны от коммерческих источников. Другие соединения, которые являются растворителями для благородных газов и в то же время обладают фармацевтически приемлемыми или фармакологически пригодными свойствами, должны быть очевидны специалистам.

В некоторых предпочтительных воплощениях текучая среда, в которой растворяют благородный газ, будет обладать свойством специфического или избирательного связывания с конкретным органом-мишенью или тканью-мишенью внутри организма. Многие способы достижения такого связывания известны специалистам. Например, известно, что липидные везикулы (липосомы) быстро захватываются клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). Таким образом, в одном из воплощений поляризованный благородный газ специфически связывается с РЭС посредством его инкорпорации в липосому. Известны некоторые липосомы ("скрытые липосомы"), которые избегают клеток РЭС и остаются преимущественно внутри сосуда в период их существования in vivo. Таким образом, в другом воплощении гиперполяризованный благородный газ инкорпорируют в "скрытую липосому" и используют в качестве внутрисосудистого агента. Другие липосомы для использования по настоящему изобретению включают в себя температурочувствительные липосомы, мишень-чувствительные липосомы и рН-чувствительные липосомы. Каждая из этих липосом хорошо известна специалистам (см. Oku, N. LIPOSOMES, pp. 24-33, in POLYMERIC DRUGS AND DRUG DELIVERY SYSTEMS, Dunn, R. L, et al., Eds. ACS Symposium Series 469, American Chemical Society, Washington, D.C., 1991, включено здесь ссылкой).

Использование молекул, которые имеют химическую авидность к рецепторам на поверхности клеток, для доставки фармацевтических агентов к этим клеткам хорошо известно специалистам. Именно в объеме настоящего изобретения находится растворение благородного газа в текучей среде, содержащей молекулу с авидностью к конкретным тканям или клеткам, и использование этой авидности для доставки благородного газа к ткани или клеткам. Каждое из воплощений, подробно изложенных выше, может быть использовано как in vitro, так и in vivo.

Приведенное выше обсуждение, рассматривающее использование липосом и опосредованное рецепторами специфическое связывание поляризованных благородных газов, служит примером способов и носителей для доставки, которые полезны в связи с настоящим изобретением. Эти примеры не предназначены для того, чтобы определять или ограничивать данное изобретение или воплощения изобретения, где благородный газ специфически связывается с конкретными тканями.

Сразу после образования смесь благородный газ/жидкость можно объединять с образцом с использованием ряда различных методов, известных специалистам. Например, если образец представляет собой организм млекопитающего или его часть, смесь можно вводить в организм путем, например, инъекции, ингаляции или глотания. Более конкретно, в зависимости от предусмотренного применения, смесь благородный газ/жидкость можно инъецировать в интересующую ткань (если это клинически безвредно) или внутрь сосуда для доставки к выбранной ткани. Кроме того, смесь благородный газ/жидкость можно глотать или, альтернативно, аэрозоль благородный газ/жидкость можно вводить ингаляцией для определенных применений в медицинской визуализации. Сразу после введения смеси благородный газ/жидкость в образец последний сканируют посредством ядерного магнитного резонанса и/или магниторезонансной визуализации в целях исследования молекулярной структуры и/или пространственного распределения. Следует отметить, что смесь благородный газ/жидкость можно вводить однократно или, альтернативно, на непрерывной или квази-непрерывной основе.

Термин "образец", как он использован здесь, охватывает разнообразные структуры и может включать в себя организм. Термин "образец" также включает в себя органические мономеры и полимеры, неорганические мономеры и полимеры, биополимеры, включая, но не ограничиваясь ими, олигопептиды, полипептиды, антитела, белки, олигонуклеотиды, полимеры рибонуклеиновых кислот (например, РНК, мРНК, тРНК) и дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), включая, но не ограничиваясь ими, хромосомы, гены и плазмиды. Термин "образец" охватывает также углеводы, включая олигосахариды, полисахариды, гликопротеины и мукополисахариды, липиды, кровь, углеводороды, катализаторы, полимеры, пористые материалы (например, поверхности, слои химических реакторов, камни, присутствующие в нефтяных запасах) и т.д. "Образец" может естественно содержать ЯМР-активные ядра, ЯМР-неактивные ядра или комбинацию ЯМР-активных и ЯМР-неактивных ядер. Используя способы по настоящему изобретению, можно легко проанализировать структуру, химию, пространственное распределение и т.д. таких образцов. Другие образцы, которые можно анализировать, используя способы по настоящему изобретению, должны быть очевидны специалистам.

Термин "организм", как он используется здесь, относится к жизненным формам, включающим в себя, например, животных, растения, микроорганизмы и грибы. Способы по изобретению можно использовать как на живых, так и на мертвых организмах. Термин "организм" также охватывает части организмов (например, органы, группу(ы) органов, ткань(и) и т. д.), либо in situ, либо извлеченные из организма, для которого они являются нативными.

Термин "орган" относится к индивидуальным функциональным компонентам организмов, включая сердце, печень, легкие, кровь, мозг, мышцы и т.д. "Группа органов", как используется здесь, относится к кооперативным системам органов, например ретикулоэндотелиальной, центральной нервной, периферической нервной, пищеварительной и т.д. Как использовано здесь, "ткань" означает клетку или агрегат подобных клеток, включая, например, кровь, кость, мышцу, нерв и т.д. То некоторое перекрывание, которое существует между структурами, определяемыми терминами "орган", "группа органов" и "ткань", следует распознавать; эти термины не подразумевают взаимного исключения.

Термин "органический мономер", как он использован здесь, относится к малой органической (то есть содержащей углерод) молекуле с молекулярной массой, как правило, попадающей в интервал от примерно 15 дальтон до примерно 1000 дальтон. Кроме общей принадлежности к установленным пределам молекулярной массы, не подразумевается никаких ограничений в структуре и функциональности этих молекул. Этот термин охватывает как синтетические, так и природные соединения. Кроме того, "органический мономер" может также включать в себя одну или более чем одну неорганическую молекулу, такую как находящиеся, например, в органических хелатах, хелатных смолах, металлорганических соединениях и металлопорфиринах.

Дополнительным к термину "органический мономер" и сходным по определению является термин "органический полимер", который охватывает органические молекулы с молекулярной массой более чем примерно 1000 дальтон. Этим термином определяют как синтетические, так и природные соединения. Органические полимеры могут включать в себя материалы, такие как, например, технические пластмассы, текстильные полимеры и полимеры, применяемые в медицине.

Термин "неорганический мономер", как он используется здесь, относится к малой неорганической молекуле с молекулярной массой, как правило, в интервале от примерно 1 дальтон до примерно 1000 дальтон. Термин "неорганический мономер" дополняет собой термин "органический мономер" и, следовательно, включает в себя молекулы, в которые не входит углерод как часть их структуры. Дополнительным к термину "неорганический мономер" и сходным по определению является термин "неорганический полимер", который определяет неорганические молекулы с молекулярной массой более чем 1000 дальтон и включает в себя как синтетические, так и природные полимерные материалы.

Термин "белок", как он используется здесь, имеет общепринятое в данной области значение и включает в себя, например, как структурные, так и функциональные (например, ферменты) белки. Термин "белок" включает в себя как природные, так и синтетические белки, полученные или выделенные любыми известными в данной области методами. Белки не естественного происхождения также охвачены этим термином. Так, например, белок может содержать одну или более чем одну мутацию в аминокислотной последовательности его пептидного скелета. Белки могут также нести группы не естественного происхождения, добавленные в качестве зондов или для модификации характеристик белка. Эти группы могут быть добавлены посредством химической или микробной модификации белка или одной из его субъединиц. Дополнительные вариации относительно термина "белок" должны быть очевидны специалистам.

Термин "олигопептид", как он использован здесь, относится к пептиду, который состоит из 2-10 аминокислотных единиц. Термин "полипептид", как он использован здесь, относится к пептидам, содержащим более чем 10 аминокислотных субъединиц. Как "олигопептид", так и "полипептид" относятся как к природным, так и к синтетическим пептидам, которые могут содержать только аминокислоты естественного происхождения, только аминокислоты не естественного происхождения или сочетание аминокислот естественного и не естественного происхождения.

Термин "олигонуклеотид", как он использован здесь, относится к синтетическим или естественным нуклеотидным конструкциям, состоящим из 2-20 нуклеиновых кислот. Олигонуклеотид может состоять либо из рибонуклеиновых кислот, либо из дезоксирибонуклеиновых кислот, либо из их сочетаний. "Олигонуклеотиды" могут состоять только из естественных нуклеиновых кислот, только из не естественных нуклеиновых кислот или из сочетания естественных и не естественных нуклеиновых кислот.

Термины "рибонуклеиновая кислота", "дезоксирибонуклеиновая кислота", "хромосомы" и "гены", как они использованы здесь, имеют значение, которое обычно дается им специалистами, и включают в себя также модифицированные аналоги, которые могут быть получены любыми способами, известными специалистам, включая, но не ограничиваясь ими, химический синтез и микробный синтез.

Термин "углеводы", как он использован здесь, относится как к естественным, так и к синтетическим сахаридам, олигосахаридам, полисахаридам, гликопротеинам и мукополисахаридам. Любые способы получения или выделения углеводов, известные специалистам, можно использовать для получения углеводов, применимых в практике настоящего изобретения.

Термин "благородный газ", как он использован здесь, относится к редкому или инертному газу, который является членом нулевой группы периодической таблицы. Благородные газы, подходящие для использования в способах по настоящему изобретению, включают в себя благородные газы, которые обладают ядерным спином, а именно ненулевым ядерным спином. Примеры таких благородных газов включают в себя, но не ограничены ими, ³Не, ²¹Ne, ⁸³Кr, ¹²⁹Хе, ¹³¹Хе. В предпочтительном воплощении используемый благородный газ представляет собой ¹²⁹Хе, ¹³¹Хе или ³Не. Хотя эти благородные газы, как правило, являются предпочтительными, в разных применениях могут быть предпочтительными другие благородные газы из-за их иных физических, химических и магниторезонансных свойств. Кроме того, в некоторых случаях может быть предпочтительным использование комбинации благородных газов, например ¹²⁹Хе и ³Не.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ исследования свойства благородного газа в ткани. Данный способ включает в себя: (а) гиперполяризацию благородного газа; (б) растворение гиперполяризованного благородного газа в физиологически совместимом жидком носителе с образованием смеси; (в) контактирование ткани со смесью из (б); и (г) сканирование ткани путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или их обоих, посредством чего исследуют свойство благородного газа в ткани.

В этом аспекте изобретения исследуемая ткань может представлять собой любую ткань организма. Ткань можно исследовать in situ или извлеченной из организма, для которого она является нативной. В предпочтительных воплощениях этого аспекта изобретения исследуемая ткань представляет собой ткань центральной или периферической нервной системы. В особенно предпочтительных воплощениях ткань представляет собой компонент центральной нервной системы, такой как мозг, спинной мозг, гематоэнцефалический барьер или спинномозговая жидкость, и исследуемое свойство благородного газа в ткани может представлять собой либо функциональное, либо структурное свойство.

Термин "свойство", как он использован здесь, охватывает параметры ЯМР, функциональные свойства и структурные свойства. Термин "параметр ЯМР" относится к частотному сдвигу, химическому сдвигу, скалярной связи, дипольной связи, времени релаксации (например, T₁, T_1p, T₂, T•2

и т. д.). Как функциональные, так и структурные свойства могут быть производными от параметров ЯМР исследуемой системы.

Термин "функциональное свойство", как он использован здесь, относится к свойствам, характеризующим взаимодействие благородного газа с тканью, и включает в себя, но не ограничен ими, такие свойства, как механизм обмена благородного газа между внутриклеточным и внеклеточным компартментом, скорость обмена благородного газа между внутриклеточным и внеклеточным компартментом ткани, время пребывания благородного газа во внутриклеточном и внеклеточном компартменте, влияние благородного газа на химию и метаболизм клетки и концентрация благородного газа во внутриклеточном и внеклеточном компартменте ткани.

Термин "структурное свойство", как он использован здесь, относится к свойствам, характеризующим взаимодействие благородного газа с тканью, и включает в себя, но не ограничен ими, такие свойства, как пространственное распределение благородного газа в пределах внутриклеточного и внеклеточного компартмента ткани, так и локализацию и идентичность сайтов, которые связывают благородный газ в пределах внутриклеточного компартмента, внеклеточного компартмента или мембраны, разделяющей компартменты.

В одном из предпочтительных воплощений исследуемое свойство представляет собой механизм обмена благородного газа между внутриклеточным и внеклеточным компартментом ткани.

В другом предпочтительном воплощении исследуемая ткань представляет собой ткань центральной или периферической нервной системы. В более предпочтительном воплощении исследуемое свойство представляет собой механизм обмена благородного газа между внутриклеточным и внеклеточным компартментом ткани центральной нервной системы.

Еще в одном аспекте изобретения предложен способ увеличения времени релаксации гиперполяризованного благородного газа в контакте с физиологической текучей средой. В данном аспекте способ по изобретению включает в себя: (а) образование промежуточного раствора гиперполяризованного благородного газа путем растворения гиперполяризованного благородного газа в текучей среде, в которой время релаксации гиперполяризованного благородного газа является более длительным, чем время релаксации гиперполяризованного благородного газа в физиологической текучей среде: и (б) контактирование физиологической текучей среды с промежуточным раствором.

Термин "физиологическая текучая среда", как он использован здесь, охватывает различные внутриклеточные и внеклеточные текучие среды, которые находятся в организме. Такие физиологические текучие среды включают в себя, но не ограничены ими, кровь, плазму, лимфу, спинномозговую жидкость, желчь, слюну, желудочные жидкости, стекловидное тело, цитоплазму и т.д.

Термин "время релаксации", как он использован здесь, относится ко времени, требуемому для того, чтобы ядра, которые претерпели переход в более высокое энергетическое состояние, вернулись в энергетическое состояние, из которого оно исходно было возбуждено. Рассматривая это явление в объеме, термин "время релаксации" относится ко времени, которое требуется образцу ядер, распределение Больцмана которых было нарушено приложением энергии, чтобы заново установить распределение Больцмана. Время релаксации обычно обозначают T₁ и Т₂. T₁ относится ко времени продольной релаксации, а Т₂ относится ко времени поперечной релаксации. Другие относящиеся сюда времена релаксации включают в себя, но не ограничены ими, T_1p (парамагнитное влияние на скорость продольной релаксации) и T•2

(время поперечной релаксации, включая эффект В₀ неоднородности). Термин "время релаксации", как он использован здесь, относится к описанным выше временам релаксации либо вместе, либо в альтернативе. Другие относящиеся сюда времена релаксации должны быть очевидны специалистам. Исчерпывающий курс по ядерной релаксации можно найти в Banci, L., et al. , NUCLEAR AND ELECTRON RELAXATION, VCH, Weinheim, 1991, содержание которого включено здесь ссылкой.

В предпочтительном воплощении этого аспекта изобретения текучая среда, в которой растворяют гиперполяризованный благородный газ, представляет собой фторуглерод или липид, как описано выше. В более предпочтительном воплощении текучая среда представляет собой водную эмульсию либо фторуглерода, либо липида или водную эмульсию комбинации фторуглерода и липида.

В дополнительном аспекте изобретения предложен способ измерения сигнала, передаваемого от атома гиперполяризованного благородного газа ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, включающий в себя: (а) контактирование ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, с атомом гиперполяризованного благородного газа; (б) приложение радиочастотной энергии к ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, в магнитном поле; и (в) измерение сигнала, передаваемого от атома гиперполяризованного благородного газа ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или их обоих.

В предпочтительных воплощениях ядро, иное чем благородный газ, представляет собой биологически совместимое ядро, такое как ¹H, ¹³С, ¹⁵N, ³¹P и т. п. , но не ограничивается этими примерами. В особенно предпочтительном воплощении ядро представляет собой протон.

В еще одном аспекте изобретения предложена последовательность импульсов для индуцированного спиновой поляризацией ядерного эффекта Оверхаузера (SPINOE) ЯМР гетероядерного различия системы, содержащей гиперполяризованный благородный газ и ЯМР-активное ядро, иное чем благородный газ. Последовательность импульсов включает в себя: (а) π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ; (б) π импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, приложенный одновременно с приложением π импульса благородного газа; и (в) π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ.

Термин "π импульс ядра, иного чем благородный газ", как он использован здесь, означает радиочастотный импульс на резонансной частоте ядра, иного чем благородный газ, который поступает в систему и является достаточно продолжительным, чтобы вращать вектор объемной намагниченности образца ядер, иных чем благородный газ, на 180^o. Аналогично, "π импульс благородного газа" относится к радиочастотному импульсу, достаточному, чтобы вращать вектор объемной намагниченности благородного газа на 180^o. "π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ", будет вращать вектор объемной намагниченности образца протонов на 90^o. Средства подачи этих импульсов в исследуемую систему должны быть очевидны специалистам.

Последовательность импульсов, воплощенную в этом аспекте изобретения, можно использовать, чтобы получать информацию, относящуюся к передаче поляризации от гиперполяризованного благородного газа ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, такому как протон. В предпочтительном воплощении последовательность импульсов используют для исследования зон структуры, которые связываются или иначе взаимодействуют с благородным газом. В других предпочтительных воплощениях последовательность импульсов используют для исследования макромолекул, таких как белок, полисахарид, полипептид, олигонуклеотид или любая другая молекула, которая взаимодействует с гиперполяризованным благородным газом способом, различимым ЯМР или МРВ. В еще одном предпочтительном воплощении гиперполяризованный благородный газ растворяют в текучей среде перед его введением в ткань.

В другом воплощении изобретения предложен аппарат для приготовления раствора гиперполяризованного благородного газа. Аппарат включает в себя сосуд для приема текучей среды; резервуар для приема гиперполяризованного благородного газа, сообщающийся через первый запорный клапан с сосудом, причем резервуар имеет форму, которая позволяет охлаждать его независимо от сосуда; входное отверстие для газа, сообщающееся через второй запорный клапан с резервуаром; и средства для удаления текучей среды из сосуда независимо от запорного клапана.

Аппарат может быть изготовлен из любого материала при условии, что данный материал не ускоряет релаксацию гиперполяризованного газа и способен выдерживать температуры, необходимые для замораживания благородного газа, и температурные перепады между температурой, используемой для замораживания благородного газа, и комнатной температурой или выше. Таким образом, аппарат может быть изготовлен, например, из стекла, пирекса, металла или пластика.

Ограничения по форме и размеру элементов минимальны. Единственное существенное ограничение состоит в том, чтобы резервуар для благородного газа можно было охлаждать отдельно от сосуда для текучей среды. Так, в объеме настоящего изобретения резервуар имеет боковое плечо, колбу или другую емкость как ответвление сосуда для текучей среды. Резервуар может также быть отделенным от остальной части аппарата с помощью соединительных средств, таких как, например, трубки, шланги, стеклянные соединения со шлифами, шаровые шарнирные соединения, или любых других соединительных средств, известных специалистам. Если необходимо использовать большие объемы газа и/или жидкости, особенно предпочтительно, чтобы аппарат состоял из отделяемых компонентов (то есть резервуар и сосуд), которые можно собрать и разобрать, когда это необходимо, чтобы способствовать реализации назначения аппарата.

Запорные клапаны между основными элементами аппарата включают в себя любые средства соединения-разъединения двух связанных между собой сосудов, известные специалистам. Таким образом, в объем изобретения включено использование запорного крана, перегородки, клапана, обратного клапана, клапана сброса давления и т.д. Аналогично, средства для удаления текучей среды из сосуда могут включать в себя любые известные в технике средства для обратимой герметизации сосуда. Они включают в себя, но не ограничиваются ими, запорные краны, перегородки, мембраны, вскрывающиеся затворы, крышки, пробки, ломкие печати и т. д.

В предпочтительном воплощении аппарат, кроме того, содержит средства для замораживания гиперполяризованного благородного газа в резервуаре для приема гиперполяризованного благородного газа. Средства для замораживания газа могут состоять из любых известных в технике средств для достижения температур, достаточно низких, чтобы заморозить благородный газ. Они включают в себя, но не ограничены ими, жидкие газы, циркуляционные бани и холодильные установки.

В другом предпочтительном воплощении аппарат дополнительно включает в себя средства для приложения магнитного поля к замороженному гиперполяризованному благородному газу с целью сохранения гиперполяризации до стадии образования смеси гиперполяризованного газа и текучей среды. Любые известные в технике средства для приложения магнитного поля могут быть применимы по настоящему изобретению. Они включают в себя, но не ограничены ими, постоянные магниты, электромагниты, сверхпроводящие магниты и магнит в ЯМР-спектрометре или приборе для визуализации.

Как отмечено выше, благородный газ, используемый в способах по настоящему изобретению, является гиперполяризованным относительно его нормальной поляризации по Больцману. Благородные газы могут быть гиперполяризованы для использования по настоящему изобретению с помощью различных способов, известных специалистам и используемых ими. Такие способы включают в себя, но не ограничены ими, спин-обменные взаимодействия с парами щелочного металла, подвергнутого оптической накачке, и прямую накачку метастабильным состоянием. Специалистам должно быть очевидно, что другие способы также могут быть использованы для гиперполяризации благородных газов, используемых по настоящему изобретению. В предпочтительном воплощении для получения гиперполяризованного благородного газа используют оптическую накачку с использованием циркулярно поляризованного света.

Термин "оптическая накачка", как правило, относится к перераспределению атомов между их уровнями тонкой и сверхтонкой структуры посредством света. Свет может быть циркулярно поляризованным, анизотропным, отфильтрованным или модулированным по амплитуде. В предпочтительных воплощениях свет является циркулярно поляризованным. Используя относительно простые известные специалистам методы, возможно продуцировать приемлемую поляризацию атомов, ядер и электронов. Например, см. статью Carver, T.R. [Science, 141 (3581): 599-608 (1963)] , которая представляет собой подробный обзор по оптической накачке. Кроме того, прибор для оптической накачки, пригодный для использования по настоящему изобретению, подробно описан, например, Raftery, et al. [Phys. Chem., 97: 1649 (1993)] и Song, et al. [J. Magnet. Res. 115: 127-130 (1995)] . Изложенное в указанных ссылках включено здесь ссылкой.

Оптическую накачку и спин-обмен можно осуществлять в отсутствие приложенного магнитного поля, однако предпочтительно их осуществляют, используя умеренные поля около 1Г или более. Возбуждение в зазоре ЯМР-магнита при полях в несколько тесла также возможно. Достигаемый максимум ядерной поляризации стационарного режима зависит от временной константы, характеризующей спиновый обмен со щелочным металлом, и временной константы, характеризующей релаксацию (T₁) вследствие, например, контакта с поверхностями ячеек для накачки. Например, для ¹²⁹Хе T₁=20 мин, поляризации 20-40% совершенно реальны, а поляризации 90% или более должны быть достижимы.

Гиперполяризацию благородных газов через спиновый обмен с парами оптически накаченного щелочного металла начинают с облучения паров щелочного металла циркулярно поляризованным светом с длиной волны первого главного резонанса (Д₁) щелочного металла (например, 795 нм для Rb). ²S_1/2 основное состояние атомов, таким образом, возбуждают до ²P_1/2 состояния, которое впоследствии распадается обратно до основного состояния. Это циклическое изменение атомов между основным и первым возбужденным состояниями, если оно осуществлено в умеренном (10 Гаусс) магнитном поле, ориентированном вдоль оси падающего света Д₁, приводит к почти 100% поляризации атомов. Эта поляризация осуществляется главным образом одиночным валентным электроном, характерным для всех щелочных металлов; это по существу означает, что все эти электроны обладают спинами, либо упорядоченными, либо противоупорядоченными в направлении магнитного поля в зависимости от спирали (состояние правой или левой круговой поляризации) возбуждающего светового излучения. Если также присутствует благородный газ с ненулевым ядерным спином, атомы щелочного металла могут претерпевать столкновения с атомами благородного газа, при этом поляризация валентных электронов передается ядрам благородного газа через взаимный переворот спинов. Этот спиновый обмен является результатом Ферми-контакта, связанного со сверхтонкой структурой взаимодействия между электроном и ядром благородного газа. При поддержании поляризации щелочного металла почти 100% с использованием света накачки высокие неравновесные поляризации (5-80%) в настоящее время достижимы в больших количествах множества благородных газов через этот процесс спин-обмена. Например, один из доступных в настоящее время титан-сапфировый лазер теоретически может обеспечивать 1 г/ч (200 см³-атм/ч) высоко поляризованного ¹²⁹Хе. От использования современных полупроводниковых лазеров ожидают даже большего количества продукта.

Щелочные металлы, способные действовать как партнеры спинового обмена в оптически накаченных системах, включают в себя любые щелочные металлы. Примеры щелочных металлов, подходящих для использования в этом методе гиперполяризации, включают в себя, не ограничены ими, ²³Na, ³⁹К, ⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb и ¹³³Cs. В предпочтительном в настоящее время воплощении используют изотопы щелочных металлов ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb.

В дополнение к оптической накачке благородный газ может быть гиперполяризован с использованием метастабильного обмена. Техника метастабильного обмена включает в себя прямую оптическую накачку, например, ³Hе без необходимости посредничества щелочного металла. Способ метастабильного обмена обычно включает в себя возбуждение основного состояния атомов ³Не (1¹So) до метастабильного состояния (2³S₁) слабым радиочастотным разрядом. Затем атомы 2³S₁ подвергают оптической накачке с использованием циркулярно поляризованного света с длиной волны 1,08 мкм в случае ³Hе. Свет запускает переходы вплоть до состояний 2³P, продуцируя высокие поляризации в метастабильном состоянии, до которого атомы 2³P затем распадаются. Поляризация состояний 2³S быстро передается основному состоянию через метастабильные обменные столкновения между метастабильными атомами и атомами в основном состоянии. Оптическая накачка метастабильного обмена должна действовать в тех же низких магнитных полях, в которых действует оптическая накачка спинового обмена. Подобные поляризации достижимы, но, как правило, при более низких давлениях, например примерно 0-1,33 кПа (0-10 Торр).

До гиперполяризации и независимо от нее дополнительное усиление магниторезонансного сигнала может быть получено увеличением относительного содержания ЯМР-активного изотопа в каждом благородном газе до уровня выше естественного относительного содержания таких визуализируемых изотопов в благородном газе. Например, в случае ¹²⁹Хе, который имеет естественное относительное содержание изотопа около 26%, усиление может быть четырехкратным для газа, который обогащен ¹²⁹Хе до 100%. Таким образом, хотя гиперполяризация играет намного большую роль в усилении сигнала, обогащение изотопом может привносить значительный вклад в конечную эффективность настоящего изобретения.

В способах по настоящему изобретению гиперполяризованный благородный газ, например ¹²⁹Хе, можно подавать в газообразной, жидкой или твердой фазах. Благородный газ высокого давления приемлемо можно получить сначала замораживанием в небольшой объем в магнитном поле, а затем разогреванием. Затем благородный газ объединяют с текучей средой с образованием смеси. Такая смесь может быть образована, например, энергичным взбалтыванием для быстрого уравновешивания благородного газа в текучей среде либо посредством других эффективных средств для смешивания газ/жидкость, известных специалистам и используемых ими. Альтернативно, для насыщения раствора благородным газом можно использовать пористые мембраны или другие известные специалистам средства, при условии что время релаксации благородного газа не будет существенно уменьшаться. Следует отметить, что замораживание гиперполяризованного благородного газа служит также для того, чтобы очистить благородный газ, например, чтобы удалить или отделить токсичный щелочной металл, использованный при гиперполяризации, и чтобы продлить гиперполяризацию благородного газа во время хранения или транспортировки.

В способах по настоящему изобретению спектроскопию магнитного резонанса и/или магниторезонансную визуализацию используют для детектирования параметра, который можно использовать, чтобы проанализировать, охарактеризовать или изобразить образец или его часть. Параметры образца, гиперполяризованного благородного газа или системы, содержащей образец и гиперполяризованный благородный газ, которые полезны для таких целей, включают в себя, но не ограничены ими, химический сдвиг, T₁ релаксацию, Т₂ релаксацию и T_1p релаксацию. В предпочтительном воплощении детектируют множество параметров. Кроме того, в способах по настоящему изобретению может быть использовано множество методов для сбора данных ядерного магнитного резонанса и манипулирования ими. Такие методы включают в себя, но не ограничены ими, одномерную и многомерную спектроскопию, Фурье-визуализацию, планарную визуализацию, эхо-планарную визуализацию (ЕР1), визуализацию проекция-реконструкция, Фурье-визуализацию деформации спинов, визуализацию повторного определения градиента в устойчивом состоянии (GRASS), известную также как визуализация быстрого снимка под малым углом (FLASH), или гибридную визуализацию. В целях визуализации предпочтительные способы включают в себя FLASH или GRASS методы визуализации и метод ЕР1 из-за их способности генерировать изображения посредством быстрого вхождения в синхронизм, причем сохраняя поляризацию благородного газа.

Способы по настоящему изобретению можно использовать для огромного количества разнообразных применений, включая, но не ограничиваясь ими, количественное определение тканевой перфузии; более продолжительную по времени визуализацию воздушной полости; новый протонный контрастный агент; новый зонд патофизиологии; новое применение ЯМР для желудочно-кишечной клинической медицины; новый нетоксичный внутрисосудистый контрастный агент для МРВ ангиографии; и разъяснение структуры белка по передаче поляризации протонам или другим ядрам в молекуле. Более того, в контексте раскрытых здесь способов настоящее изобретение обладает также следующими преимуществами. В общем, ЯМР гиперполяризованных благородных газов можно использовать в качестве альтернативы технике визуализации с использованием радиоактивных изотопов, таких как ¹²⁷Хе и ¹³³Хе. Преимущества МРВ гиперполяризованных благородных газов состоят в получении пациентом нулевой дозы радиации, а также в намного лучшей пространственной разрешающей способности. В дополнение к этому, ЯМР благородных газов полезна для исследований мозга.

Конкретно, магниторезонансная визуализация с гиперполяризованным благородным газом дает возможность лучше определить перфузию центральной нервной системы и, таким образом, она пригодна в качестве инструмента для диагностики удара и в качестве гибкого инструмента для функциональной визуализации. Специалистам будет ясно, что способы по настоящему изобретению пригодны также для множества других назначений.

Специалистам будет очевидно, что благородный газ предпочтительно держать в герметично закрытой системе для предотвращения утечки в атмосферу. Обычно герметично закрытый контейнер должен содержать в себе источник благородного газа, такой как газовый контейнер или баллон со сжатым газом, трубопроводы к образцу и от него, а также рекуперационный аппарат. Более того, гиперполяризованный благородный газ можно хранить в течение продолжительного периода времени в гиперполяризованном состоянии. Предпочтительны системы хранения, которые предназначены для криогенного хранения благородного газа, которые дают возможность поддерживать такие температуры, чтобы благородный газ хранился в замороженном состоянии. Например, замороженный ¹²⁹Хе следует держать при полях, более или равных 500 Гаусс, при температурах в интервале от 4,2К (температура жидкого гелия), для которой T₁ составляет около миллиона секунд (10 дней), до 77К (температура жидкого азота), для которой T₁ составляет около 10 тысяч секунд. Поля, которые требуются здесь, могут быть обеспечены с помощью постоянного магнита, лучше электромагнита или сверхпроводящего магнита. Специалистам будет ясно, что благородный газ, который гиперполяризован посредством спинового обмена с щелочным металлом, можно хранить либо до, либо после удаления любого щелочного металла, использованного в методе гиперполяризации спинового обмена. Во всех случаях, в которых рубидий или другой щелочной металл мог бы влиять на поведение системы, щелочной металл удаляют перед введением благородного газа в образец, используя методы, известные специалистам и используемые ими.

Изобретение будет описано более подробно на конкретных примерах. Следующие примеры предложены в качестве иллюстрации и никоим образом не подразумевают какого-либо ограничения или определения объема изобретения.

ПРИМЕРЫ
Материалы и методы
В описанных ниже примерах были использованы следующие общие материалы и методы.

Схема шейкера, используемого на стадии растворения для смешивания и поставки ксенона, изображена на фиг.1. Шейкер имеет небольшое боковое плечо, которое может быть изолировано от основного объема посредством запорного крана. Шейкер загружают образцом ксенона либо с нормальным (естественным) относительным содержанием изотопов, либо с обогащением изотопом (80% ¹²⁹Хе, EG& G Mound, Miamsburg, Ohio, U.S.A.). Лазерную поляризацию осуществляют до введения ксенона в шейкер. Короче говоря, приблизительно 5х10^-4 моль ксенона с обогащением изотопом ¹²⁹Хе 80% подвергали оптической накачке в цилиндрической стеклянной ячейке для накачки емкостью 30 см³ (диаметр приблизительно 30 мм). Перед оптической накачкой ячейку очищали и покрывали SURFASIL^® (Pierce Chemical Co. , Florence, Massachusetts, U.S.A.); затем в ячейке создавали вакуум до 0,1333х10³ Па (10^-6 Торр) и загружали в нее одну каплю расплавленного металлического рубидия в атмосфере сухого азота. Оптическую накачку осуществляли 1,3 Вт постоянно-волновым лазером Ti : сапфир (794,7 нм) в течение 20-30 мин и температуру ячейки поддерживали при 60-80^oС посредством терморегулируемого газового потока азота. Типично аппарат продуцирует уровни поляризации ксенона в интервале 5-10%.

После лазерной поляризации поляризованный ¹²⁹Хе замораживают при температурах жидкого азота в боковом плече в магнитном поле приблизительно 50 мТл, обеспечиваемом небольшим постоянным магнитом. Магнитное поле используют на стадии замораживания для предотвращения распада поляризации ксенона. Ксенон возгоняют и затем впускают в раствор. Небольшой размер сосуда для смешивания дает возможность накопления давления ксенона в несколько атмосфер, что способствует увеличению концентрации ксенона в растворе. Во время процедуры растворения сосуд энергично встряхивают, чтобы способствовать растворению газообразного ксенона. Полученный раствор ксенона извлекают шприцем через перегородку из резины высокого давления. В тех описанных ниже примерах, где исследование ЯМР в растворе осуществляют на образце in vitro, ксенон немедленно инъецируют в ЯМР пробирку, которая содержит исследуемый образец. Было обнаружено, что потеря поляризации во время операции инъекции является незначительной.

ПРИМЕР 1
Этот пример описывает ¹²⁹Хе ЯМР образца гиперполяризованного ¹²⁹Хе, растворенного в водном физиологическом растворе. T₁ ксенона измеряли как в Н₂О/физиологическом растворе, так и в D₂O/физиологическом растворе.

В ЯМР пробирке, открытой в атмосферу, объединяли физиологический раствор и гиперполяризованный ¹²⁹Хе. В используемом физиологическом растворе концентрация NaCl составляла 0,9% маc. ¹²⁹Хе растворяли в физиологическом растворе, как описано выше в разделе "Материалы и методы". Ксенон обладает низкой растворимостью в физиологическом растворе с коэффициентом Оствальда только 0,0926 (объем ксенона при стандартных температуре и давлении, растворенного в 1 л жидкости при давлении газа 1 атмосфера; 1 атм=101,3 кПа). В Н₂О/физиологическом растворе Ti ксенона довольно продолжительно (66 с при 9,4 Тл). Спектр ¹²⁹Хе ЯМР раствора ¹²⁹Хе в D₂О/физиологическом растворе представлен на фиг.2. В физиологическом растворе, приготовленном на D₂O, T₁ ксенона составляет приблизительно 1000 с. Таким образом, более короткое T₁ ксенона в Н₂O/физиологическом растворе является следствием дипольного взаимодействия между электронами гиперполяризованного ксенона и ядерными спинами протонов.

Пример 1 продемонстрировал получение и характеристики ¹²⁹Хе спектров гиперполяризованного ксенона, растворенного в водном растворе.

ПРИМЕР 2
Данный пример демонстрирует использование ЯМР ксенона для исследования распределения ксенона между внутриклеточным и внеклеточным компартментами на образце крови человека. ЯМР ксенона на крови человека измеряли с использованием как гиперполяризованного, так и неполяризованного ксенона.

2.1 Материалы и методы
Образец крови человека получали, оставляя свежую кровь добровольца осаждаться в течение нескольких часов, а затем удаляя порцию плазмы. Удаляемая порция составляла приблизительно 30% от общего объема образца крови. После удаления порции плазмы ксенон, насыщенный физиологическим раствором (1 мл), инъецировали в образец красных кровяных клеток (RBC) (1 мл) и измеряли ¹²⁹Хе ЯМР. ЯМР спектры измеряли на спектрометре Bruker АМ-400.

2.2 Результаты
Спектр ЯМР неполяризованного ксенона измеряли на RBC образце (фиг.3А). Для получения спектра с приемлемым отношением сигнала к шуму потребовалось значительное усреднение сигнала. Спектр снимали в течение 1,5 ч, и он представляет собой результат 520 сканирований. При значительном контрасте спектр с великолепным отношением сигнала к шуму был получен после одного сканирования, если использовали поляризованный лазером ¹²⁹Хе (фиг.3Б). Установлено, что усиление сигнала, полученного посредством использования лазер-поляризованного ¹²⁹Хе, было приблизительно на 3 порядка выше, чем с использованием неполяризованного ¹²⁹Хе.

В ЯМР спектрах как лазер-поляризованного ¹²⁹Хе, так и неполяризованного ¹²⁹Хе на образце RBC выявлено два пика: 216 м.д. (миллионных долей) и 192 м. д. Пик при 216 м.д. возникает от ¹²⁹Хе, который диффундировал в RBC. Пик при 192 м. д. возникает от ¹²⁹Хе, который остается внеклеточным и находится в смеси физиологический раствор/плазма. Значительная разница между химическим сдвигом ксенона в RBC и химическим сдвигом ксенона в смеси физиологический раствор/плазма прежде всего является результатом связывания ксенона с гемоглобином.

Таким образом, посредством использования лазер-поляризованного ксенона возможно легко различать внутриклеточную и внеклеточную населенности ¹²⁹Хе. Кроме того, на спектрах, измеренных на образцах, содержащих лазер-поляризованный ¹²⁹Хе, получено значительно улучшенное отношение сигнала к шуму. ЯМР спектры дают возможность наблюдать в реальном времени динамику переноса ксенона из смеси физиологический раствор/плазма в RBC.

ПРИМЕР 3
Пример 3 иллюстрирует применение спектроскопии ЯМР для наблюдения за динамикой перемешивания поляризованного лазером ¹²⁹Хе между внутриклеточным и внеклеточным компартментами образца, состоящего из красных кровяных клеток и плазмы.

3.1 Материалы и методы
Образец поляризованного лазером ксенона в физиологическом растворе и образец RBC готовили, как описано в примерах 1 и 2 соответственно. Посредством использования коротких радиочастотных импульсов под малым углом наклона снимали ¹²⁹Хе ЯМР спектр как функцию времени после инъекции смеси ксенон/физиологический раствор в кровь. ЯМР спектры измеряли на спектрометре Bruker AM-400.

3.2 Результаты
Результаты этого эксперимента проиллюстрированы на фиг.4. На фиг.4 главный график показывает временную зависимость сигнала ксенона в RBC и в смеси физиологический раствор/плазма, нормированного по суммарному сигналу. Начальный рост RBC сигнала и снижение сигнала физиологический раствор/плазма указывает на перенос ксенона из водной смеси физиологический раствор/плазма в RBC во время перемешивания. В течение первой секунды рост RBC сигнала и снижение сигнала физиологический раствор/плазма описывают динамический процесс вхождения ксенона в RBC из смеси физиологический раствор/плазма во время перемешивания. Временная зависимость обоих сигналов RBC и физиологического раствора/плазмы во время процесса перемешивания можно описать экспоненциальной функцией формулы:
f(t)=А+В (exp (-t/T)) (2)
где А и В представляют собой константы, и временная константа (Т), как было установлено, составляет примерно 200 мс.

Увеличение сигнала (примерно 1 с) вероятно происходит благодаря обогащенной ксеноном крови, капающей со стенок пробирки с образцом в детекторную катушку после энергичного перемешивания. Перенос ксенона из воды в красные кровяные клетки является очевидным. Масштаб времени для процесса составляет 170±30 мс. Когда 1 см³ водного физиологического раствора смешивают с 1 см³ красных кровяных клеток, равновесное распределение интеграла из двух пиков составляет приблизительно 50%. Заметно, что два пика спадают с одинаковой постоянной скоростью (примерно 5 секунд). Время спин-решеточной релаксации ксенона в крови, измеренное традиционным ЯМР, давало две различных скорости спада для двух пиков. Это, вероятно, представляет собой артефакт, связанный с осаждением красных кровяных клеток в течение 12-часового или более снятия данных, требуемого для традиционных экспериментов. После отделения эритроцитов от плазмы обмен ксенона между двумя компартментами очень неэффективен, и наблюдают два различных времени релаксации. Когда смешивают красные кровяные клетки и плазму, обмен происходит достаточно быстро с получением одного и того же T₁ для двух пиков. Величина скорости обмена, измеренная авторами, согласуется с этой моделью. Поскольку эксперименты проводили в пробирке для образца, открытой для воздуха, дополнительный вклад в спад сигнала мог вносить перенос ксенона в воздух. Такой механизм не должен играть роли, когда раствор вводят в ткани внутрисосудистым способом.

Вставка на фиг.4 отображает временную зависимость интегрированного сигнала ксенона из обоих пиков спектров. Из спада, начинающегося через 2 секунды, Ti двух компонент, как было найдено, составляет примерно 5,0 секунд. Начальный рост интенсивности общего сигнала ксенона в течение первой секунды после энергичной инъекции и смешивания ксенона/физиологического раствора, наиболее вероятно, был вызван стеканием смеси кровь/плазма/физиологический раствор со стенок пробирки с образцом в зону детекторной спирали. Поскольку невероятно, чтобы образец был однородно перемешан и уравновешен на старте ЯМР измерений, то данные, полученные в описанном выше примере, отражают в первую очередь процесс перемешивания ксенона между RBC и смесью физиологический раствор/плазма.

Этот пример иллюстрирует возможность применения методов по настоящему изобретению для исследования динамики обмена благородного газа между внутриклеточным и внеклеточным компартментами ткани.

ПРИМЕР 4
В примере 4 описано определение с использованием спектроскопии ЯМР скорости собственного обмена ксенона между RBC и смесью физиологический раствор/плазма.

4.1 Материалы и методы
Образец поляризованного лазером ксенона в физиологическом растворе и образец RBC получали, как описано в примерах 1 и 2, соответственно. Используя короткие радиочастотные импульсы под малым углом наклона снимали ¹²⁹Хе ЯМР спектр как функцию времени после инъекции смеси ксенон/физиологический раствор в кровь. ЯМР спектры измеряли на спектрометре СМХ Infinity (Chemamagnetics-Otsuka Electronics, Fort Collins, CO, U.S.A.) при магнитном поле 4,3 тесла.

4.2 Результаты
Скорость обмена ксенона между внутриклеточным и внеклеточным компартментами образца RBC/физиологический раствор/плазма измеряли посредством избирательной инверсии ЯМР линии ксенон/физиологический раствор/плазма и наблюдения за восстановлением двух сигналов. Избирательной инверсии полярности достигали посредством модулированного по амплитуде импульса Гаусса продолжительностью 1 мс, центрированного по частоте сигнала физиологический раствора/плазмы. Этот импульс также снижал абсолютные интенсивности сигнала для пиков RBC и физиологического раствора/плазмы примерно на 50%. Импульс градиента поля 1 мс прилагали после импульса инверсии полярности, чтобы сдвинуть по фазе какие-либо компоненты поперечной намагниченности. После импульса инверсии полярности спектры ксенона снимали в фиксированные интервалы времени, используя малый угол наклона (20^o). После добавления раствора ксенон/физиологический раствор к образцу RBC задержка в 3 секунды перед приложением импульса инверсии полярности гарантировала то, что система ксенон/RBC была хорошо перемешана и уравновешена. Результаты эксперимента отображены графически на фиг.5А и фиг.5Б.

Фиг.5А показывает начальный равновесный спектр 13 мс до приложения импульса инверсии полярности и три серии спектров, которые измеряли после избирательного импульса инверсии полярности. Обмен ксенона между RBC и физиологическим раствором/плазмой показан увеличением амплитуды сигнала физиологический раствора/плазмы и соответствующим снижением амплитуды сигнала RBC. Временную зависимость сигналов S_RBC и S_pl можно описать следующими уравнениями:



где τ_RBC и τ_p1 представляют собой временные константы пребывания ксенона в RBC и в смеси физиологический раствор/плазма, а 1/τ = 1/τ_RBC+1τ_p1. S0RBC

и S0p1 представляют собой начальные интенсивности для компонентов RBC и физиологический раствор/плазма, соответственно, немедленно после импульса инверсии полярности. Эффектом спин-решеточной релаксации пренебрегают, поскольку τ≪T₁, что делает S0RBC+S0pl постоянной во время процесса обмена.

Временная зависимость разности двух сигналов ΔS = S0RBC

-S0pl показана на фиг. 5Б. Из экспоненциального соответствия было определено, что τ=12,0±1 мс. Было учтено снижение сигналов вследствие конечного угла наклона. При известном τ_p1/τ_RBC из отношения сигналов при равновесии получили τ_RBC= 20,4±2 мс, τ_p1= 29,1±2 мс. Масштаб времени для диффузии ксенона (τ_RBC= 20,4 мс) соответствовал времени для диффузии ксенона на расстояние 11 мкм (константа диффузии принята 10^-5 см²/с). Это расстояние немного больше, чем характеристический размер RBC. Было обнаружено, что τ_RBC ксенона продолжительней, чем для молекул воды, которое, как было определено, составляет 12±2 мс при комнатной температуре [Herbst, M.D., et al.. Am. J. Physiol., 256: C1097-C1104 (1989)].

Приведенный выше пример демонстрирует, что данные, относящиеся к динамике взаимодействия между поляризованным лазером ксеноном и его окружением (например, смесью красных кровяных телец и плазмы), доступны при применении спектроскопии ЯМР.

ПРИМЕР 5
Данный пример иллюстрирует получение и ЯМР свойства носителя для доставки ксенона, который состоит из смеси ксенона и водной суспензии липидных везикул. Предложен эффективный способ для доставки оптически поляризованного ксенона в сосудистую систему, чтобы наблюдать ЯМР сигнал ксенона-129, прежде чем наступил спад поляризации ксенона. Конкретно, гиперполяризованный газ предварительно растворяют в растворах, в которых ксенон обладает длительным временем спин-решеточной релаксации, и после этого смесь ксенон/раствор вводят в кровь.

5.1 Материалы и методы
Раствор гиперполяризованного ксенона в INTRALIPID^® получали таким же способом, который описан для раствора гиперполяризованного ксенона в физиологическом растворе, однако в шейкер загружали INTRALIPID^®, а не физиологический раствор. Растворы INTRALIPID^® состоят из водных суспензий липидных везикул диаметром примерно 0,1 мкм, которые хорошо переносятся in vivo и которые используют клинически в качестве питательных добавок. Коммерчески доступный 20% раствор INTRALIPID^® (Pharmacia, Uppsala. Sweden) одобрен U.S. Food and Drug Administration (Управление по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств США) для использования на людях. Важно, что ксенон обладает примерно в 4 раза большей растворимостью в INTRALIPID^®, чем в физиологическом растворе. В раствор INTRALIPID^® загружали лазер-поляризованный ¹²⁹Хе и аликвоту (1 мл) этого раствора добавляли к крови человека (1 мл). Спектры снимали на спектрометре Bruker AM-400. Изображение 128х64 было получено методом эхо-планарной визуализации на спектрометре Quest 4300 (Nalorac Cryogenics, Martinez, CA, U.S.A.).

5.2 Результаты
Ti ксенона в растворе INTRALIPID^®, как было измерено, составляет 40±3 с. Спектр поляризованного лазером ксенона, доставленного в кровь в виде раствора в Intralipid, показан на фиг.6А. Преобладающей характеристикой спектра является пик при 194 м.д., который соответствует ксенону в чистом растворе Intralipid. Только небольшой сигнал наблюдается при 216 м.д.; причем этот сигнал соответствует ксенону в RBC (т.е. внутриклеточному). Отношение пика, соответствующего ксенону в Intralipid растворе, и пика от внутриклеточного ксенона составляет примерно 6:1. Этот результат согласуется с более высоким сродством ксенона по отношению к липидам и, соответственно, неэффективным переносом в RBC. Время спада сигнала T₁ при 194 м.д., как было измерено, составляет 16 с, примерно в 3 раза больше, чем соответствующее время спада для ксенона в смеси физиологический раствор/кровь. Сигнал ¹²⁹Хе был настолько сильным в данном образце, что была возможность непосредственной визуализации распределения ксенона в смеси. Полученное изображение отображено на фиг.6А (вставка).

Ксенон в крови можно использовать для изучения анатомии легочных воздушных полостей, тканевой перфузии и ЯМР ангиографии. В общем, ЯМР гиперполяризованного ксенона должен стать альтернативой методикам визуализации, которые требуют использования радиоактивных изотопов ксенона, таких как ¹²⁷Хе и ¹³³Хе. Преимущества МРВ с гиперполяризованным ксеноном состоят в получении пациентом нулевой дозы радиации и в значительно лучшем пространственном разрешении. ЯМР ксенона может также стать полезным для исследований мозга. В частности, магниторезонансная визуализация с гиперполяризованным ксеноном способна обеспечить лучшее определение перфузии центральной нервной системы и, следовательно, стать инструментом для диагностики удара, а также гибким специфическим инструментом для функциональной визуализации.

Данный пример демонстрирует получение и свойства растворов гиперполяризованного ксенона в липидах. Продемонстрирован также принцип, что липидные растворы поляризованного лазером ксенона можно применять для доставки поляризованного ксенона через кровь. Наличие липида в носителе для доставки задерживает проникновение ксенона через мембрану RBC и защищает поляризацию ксенона от быстрого спада.

Использование различных растворов для введения гиперполяризованного ксенона в кровь и ткани является весьма перспективным для методов ¹²⁹Хе спектроскопической визуализации, визуализации химического свига или in vivo локализованной спектроскопии ЯМР в тканях. ¹²⁹Хе ЯМР параметры, такие как время релаксации, могут оказаться полезными для исследования состояния здоровья тканей или злокачественности опухолей. Более того, ксенон легко растворяется в жире, и МРВ гиперполяризованного ксенона может быть альтернативой для традиционной протонной МРВ жировых тканей.

ПРИМЕР 6
Пример 6 демонстрирует применимость перфторуглеродов в качестве носителей для доставки поляризованного лазером ксенона.

Перфторуглеродные соединения, как правило, химически инертны и нетоксичны. Интересно, что перфторуглеродные эмульсии способны поглощать и переносить кислород и диоксид углерода. Типичный представитель перфторуглеродной эмульсии, FLUOSOL^® (Green Cross, Osaka, Japan) был выбран в качестве перспективного прототипа носителя для доставки ксенона. FLUOSOL^® представляет собой эмульсию, которая содержит 20% перфторуглерода и одобрена U.S. FDA для внутрисосудистого введения людям в качестве кровезаменителя.

Раствор гиперполяризованного ксенона в FLUOSOL^® получали таким же образом, как описано для раствора ксенона в физиологическом растворе, однако, в шейкер загружали FLUOSOL^® вместо физиологического раствора. В раствор FLUOSOL^® загружали поляризованный лазером ксенон и аликвоту (1 мл) этого раствора добавляли к крови человека (1 мл). Спектры снимали на спектрометре Bruker AM-400.

6.2 Результаты
На фиг. 6Б показан ¹²⁹Хе ЯМР спектр, снятый после смешивания раствора FLUOSOL^®/ксенон с кровью. Пик при 216 м.д. соответствует ксенону в RBC, тогда как широкий пик с центром при 110 м.д. (фиг.6Б, вставка) возникает от ксенона в растворе FLUOSOL^®. Ксенон в чистом FLUOSOL^® обладает химическим сдвигом 110 м. д., и пик проявляет уширение, которое подобно уширению, которое наблюдается на спектре раствора ксенон/кровь/FLUOSOL^®. Отношение усредненных интенсивностей широкого и узкого пиков составляет примерно 3. Было измерено, что T₁ узкого пика составляет 13±1 с. Это Ti, сходное с тем, которое измерили для ксенона в INTRALIPID^®, является более длительным, чем измеренное для ксенона в образце RBC/плазма. Результаты с использованием FLUOSOL^® позволяют предположить, что отличительным признаком переходов ксенона между внутренней частью RBC и окружением служит время релаксации ксенона, которое является более длительным, чем время релаксации, которое показывает внутриклеточный ксенон. Возможно ксенон, который обладает более длительным временем релаксации, остается в Эти результаты имеют применение для избирательного ЯМР/МРВ ксенона, перенесенного в ткани.

Кроме того, получено двухмерное МР изображение ¹²⁹Хе, растворенного в свежей крови человека (фиг.7). Изображение было получено сразу после того, как кровь смешали с физиологическим раствором, насыщенным гиперполяризованным ¹²⁹Хе.

Вышеописанный пример демонстрирует, что перфторуглеродные эмульсии являются полезными носителями для доставки гиперполяризованных благородных газов. Продемонстрирована также возможность осуществления МР визуализации ¹²⁹Хе, растворенного в крови, если ¹²⁹Хе вводят в кровь в виде раствора в физиологическом растворе и, следовательно, он обладает более коротким Ti, чем наблюдается для ¹²⁹Хе в фторуглеродном агенте для доставки.

ПРИМЕР 7
7.1 Материалы и методы
Растворы гиперполяризованного ¹²⁹Хе в частично дейтерированном бензоле (25% С₆D₅Н₁, 75% C₆D₆) получали, как описано выше для раствора ксенона в физиологическом растворе, за исключением того, что шейкер загружали раствором бензола, а не физиологическим раствором. Обычно в одном эксперименте использовали 4х10^-4 моль обогащенного ¹²⁹Хе (80%, EG&G Mound) при давлении 1 атм. ¹²⁹Хе ЯМР осуществляли при 51 МГц на спектрометре Quest 4300 (Nalorac Cryogenics, Martinez, CA, U. S. А.) с использованием зонда собственной конструкции и под углом наклона 3^o. ¹H ЯМР осуществляли при 185 МГц с использование зонда собственной конструкции и под углом наклона 3^o.

Двухмерные МР изображения ¹²⁹Хе с временным разрешением были получены с использованием метода визуализации быстрый снимок под малым углом (FLASH) на приборе Quest 4300 с использованием угла наклона 3^o для каждой из 64 регистрации сигнала. Градиент частотного кодирования составлял 3,5 Г/мм. Размер шага импульсов градиента фазового кодирования, длительность которого была 500 мкс, составлял 0,063 Г/мм. Диаметр пробирки для образца составлял 7 мм, и раствор занимал область в пределах пробирки длиной 15 мм. Изображения составляли 64х128 пикселя.

Распределение с временным разрешением (в секундах) образца частично дейтерированного бензола без встряхивания получали из МРВ проекций вдоль оси пробирки (z). Градиент поля визуализации для захвата и сопровождения этих изображений составлял 2,6 Г/мм.

Двухмерные МР изображения SPINOE-усиленных ¹H сигналов получали на 2 и 6 минутах после того, как гиперполяризованный ¹²⁹Хе был введен в пробирку для образца, содержащую нормальный бензол. Изображения снимали методом эхо-планарной визуализации в течение 24 мс. Градиент частотного кодирования составлял 3,15 Г/мм; импульсы градиента фазового кодирования составляли 0,14 Г/мм и 50 мкс длительности. Размер изображения составлял 128х32 пикселей, и изображение было с нулевым заполнением до 256х256 пикселей при обработке данных.

Использованные методы и результаты, полученные в данном примере, обсуждаются в деталях в Navon, G., et al., Science, 271: 1848-1851 (1996), представленном здесь ссылкой.

7.2 Результаты
В следующем примере описаны предварительные эксперименты, предназначенные для исследования SPINOE между гиперполяризованным ксеноном и протонами в растворе. При растворении гиперполяризованного ¹²⁹Хе в жидкостях наблюдали зависимое от времени отклонение протонного спина от его теплового равновесия. Вариация в намагниченности являлась неожиданным проявлением ядерного эффекта Оверхаузера (NOE), следствием поперечной релаксации между спинами протонов раствора и ¹²⁹Хе. SPINOE использовали для того, чтобы следить за зависимыми от времени магниторезонансными изображениями и спектрами ЯМР высокого разрешения спинов раствора, когда они сталкиваются с мигрирующими атомами ксенона.

Временная зависимость интенсивности ¹²⁹Хе ЯМР сигнала, наблюдаемая при растворении гиперполяризованного ¹²⁹Хе в жидком бензоле, показана на фиг.8. Наблюдаемое время спин-решеточной релаксации ¹²⁹Хе в растворе, комбинация времен релаксации газа и раствора, составляет приблизительно 200 с в нормальном бензоле и приблизительно 1000 с в частично дейтерированном образце [Moshos, A., et al., J. Magn. Reson. 95: 603 (1991); and Diehl, P., et al., J. Magn. Reson 88: 660 (1990)]. Разница между этими двумя величинами демонстрирует влияние магнитоактивного дипольного взаимодействия между спинами ¹H и ¹²⁹Хе на релаксацию намагничивания ¹²⁹Хе; такое же взаимодействие лежит в основе поперечной релаксации между спиновыми системами ксенона и протона. Для начальных NOE экспериментов использовали частично дейтерированную жидкость, чтобы способствовать превышению эффектов поперечной релаксации над возможно ограничивающей авторелаксацией спинов протона.

Влияние растворенного гиперполяризованного ¹²⁹Хе на намагничивание ¹H в жидком бензоле проиллюстрировано на фиг.9. ЯМР сигнал протона проявляет положительный или отрицательный зависимый от времени NOE в зависимости от знака намагничивания ¹²⁹Хе, который определяется спиральностью лазерного луча или ориентацией магнитного поля на стадии оптической накачки. Относительное повышение намагниченности протона выше его значения теплового равновесия типично составляет приблизительно 0,1 для бензола и между 0,5 и 2 для частично дейтерированного образца.

На основе теории ядерного эффекта Оверхаузера можно вывести следующее выражение для максимума изменения поляризации ядер растворителя (I) растворенным газом (S) вследствие поперечной релаксации:

где γ_S и γ_l представляют собой отношения магнитного вращения ядерных спинов, σ_lS представляет собой скорость поперечной релаксации, a ρ_l представляет собой скорость авторелаксации спинов I. Скорость поперечной релаксации σ_lS имеет одинаковое значение, σ_lS= 1,9×10^-6c^-1, для растворов как бензола, так и частично дейтерированного бензола, поэтому разница в максимуме усиления протонной поляризации в этих двух растворах происходит от различных скоростей протонной релаксации, ρ_l= (20c)^-1 в бензоле и ρ_l= (160c)^-1 в частично дейтерированном растворе. При данных спиновых квантовых числах и отношениях магнитного вращения двух ядер I=S=S, γ_l= ×2,67×10⁸радT^-1c^-1 и γ_s= -7,44×10^-7радT^-1c^-1, и усилении поляризации ¹²⁹Хе во время t_o, когда намагничивание протона достигает своего максимума (минимума), S_z(t_o)/S_o≈6000, максимальное протонное усиление, как установлено, составляет 0,06 в С₆Н₆ и 0,5 в частично дейтерированном растворе, что в принципе согласуется с измеренными величинами.

Высокая спин-поляризация и медленная релаксация ¹²⁹Хе в растворителе дают возможность детального наблюдения за процессом растворения и тока ксенона в растворителе посредством МРВ. На фиг.10 показаны двухмерные МРВ проекции вдоль вертикальной оси пробирки для образца. Обнаружено, что ксенон аккумулируется вначале на дне пробирки, создавая градиент концентрации ксенона, и продолжает растворяться в бензоле, и раствор постепенно становится насыщенным. Детали этого процесса показаны на фиг.11, где серия интенсивностей в одномерном изображении вдоль оси пробирки отражает зависимое от времени пространственное распределение ксенона. Опускание ксенона в пробирке для образца происходит из-за разности плотностей раствора и чистого бензола. Более тяжелые обогащенные ксеноном зоны раствора, которые образуются в верхней части раствора посредством диффузии ксенона в растворитель, опускаются в нижнюю часть пробирки посредством естественной конвекции, в конце концов заполняя пробирку насыщенным раствором ксенона.

Ожидали, что из-за SPINOE-усиления протонных спинов, ближайших к растворенному гиперполяризованному ксенону, градиент концентрации ксенона индуцирует градиент в намагничивании протонов. В действительности, как показано на фиг.12, изображения намагничивания протонов бензола отображают зависимый от времени градиент, согласующийся с пространственным распределением ксенона, показанным на фиг.10 и 11. Фактически дифференциальные SPINOE-усиления протонного ЯМР можно наблюдать в растворах, содержащих более чем один компонент, или в молекулах, обладающих ядрами с различными химическими сдвигами, что делает возможным использовать распределение и избирательную ассоциацию гиперполяризованного газа.

Предшествующие результаты указывают на то, что возможно визуализировать не только гиперполяризованный ксенон, но также окружение, в котором он размещен, причем это утверждение подразумевает применение ксенона, а также гелия как для материалов, так и для медицинских целей. Поскольку равновесная спиновая поляризация раствора S₀, пропорциональна магнитному полю В₀, относительный SPINOE обратно пропорционален В₀ и, следовательно, ожидается, что он будет более резко выраженным при более слабых магнитных полях, обычно применяемых в медицинской визуализации. Кроме того, поскольку ядерный эффект Оверхаузера зависит от близости ядра ксенона к соседним спинам, а также их относительного поступательного движения, значительный SPINOE предвидится в системах, где атомы благородного газа частично иммобилизованы в материалах [Miller, J.B., et al., Macromolecules 26: 5602 (1993)] или временно связаны с молекулами, такими как белки [Tilton, R.F., et al., Biochemistry 21, 6850 (1982)] , даже при относительно быстрой протонной релаксации. Таким образом, открываются перспективы для других возможных применений, где ксенон может быть адсорбирован в материалах, на поверхностях или в биологических молекулах и организмах.

ПРИМЕР 8
Данный пример иллюстрирует пригодность ¹²⁹Хе-¹H SPINOE спектроскопии для исследования динамических и структурных характеристик молекул в растворе. Показано, что взаимодействие между лазер-поляризованным ¹²⁹Хе и протонами в растворе п-нитротолуола является следствием дипольного взаимодействия ядерных спинов, модулированного диффузным движением.

8.1 Материалы и методы
Обычно образцы получали, как описано в приведенных выше примерах. Последовательность импульсов, использованная для получения данных SPINOE, представляет собой гетероядерную версию различия NOE последовательности импульсов, первоначально предложенную Stonehound, J., et al. [J. Am. Chem. Soc. 116: 6037 (1994)] для гомоядерных NOE исследований. Один из методов для наблюдения эффектов SPINOE заключается в том, чтобы просто регистрировать протонный сигнал как функцию времени после того, как лазер-поляризованный ¹²⁹Хе введен в раствор. По отклонению протонного сигнала от его значения теплового равновесия определяют сигнал от поляризованного лазером ¹²⁹Хе, обусловленный SPINOE. Однако этот метод основан на вычитании двух сильных сигналов (со SPINOE и без него), и это вычитание ограничивает чувствительность эксперимента только до тех SPINOE-сигналов, которые сильнее примерно на один процент от равновесного сигнала. Данная новая последовательность обладает преимуществом по сравнению с традиционным методом SPINOE, поскольку равновесный сигнал можно подавить на два или более чем два порядка величины. Этот тип последовательности дал возможность измерять ядерные эффекты Оберхаузера (NOEs) менее чем 10^-4 от равновесного сигнала.

Различие SPINOE последовательности показано на фиг.13. Насыщения протонных резонансов сначала достигают приложением серии протонных π/2 импульсов, и это насыщение поддерживают протонными π импульсами во время перемешивания, когда происходит SPINOE. Синхронизацию π импульсов регулируют для получения оптимального насыщения, π импульс также прилагают к ¹²⁹Хе резонансу одновременно с протонным π импульсом таким образом, чтобы аккумулировать протонный сигнал благодаря SPINOE в течение всего времени перемешивания. Нечетные количества таких пар π импульсов использовали таким образом, чтобы каждый захват и сопровождение инвертировал намагничивание ¹²⁹Хе; поэтому вычитание двух последовательных сигналов эффективно удаляло все вклады в сигнал, которые не происходят от SPINOE.

8.2 Результаты
Наблюдали передачу поляризации от лазер-поляризованного ксенона п-нитротолуолу в растворе пердейтерированного бензола. п-Нитротолуол представляет собой простую молекулу, которая не показывает связывания с ксеноном в растворе; поэтому предположили, что взаимодействия его протонов с ксеноном будут подобны взаимодействиям протонов бензола. Спектры различий SPINOE протонов с использованием лазер-поляризованного ¹²⁹Хе показаны на фиг.14А и фиг.14Б. Поляризация ¹²⁹Хе является отрицательной на фиг.14А и положительной на фиг. 14Б, и обнаружено, что передача намагничивания протону является отрицательной и положительной соответственно. Данное наблюдение согласуется со временем корреляции, которое намного короче, чем инверсия частот Лармора ¹H и ¹²⁹Хе, причем в этом случае константа поперечной релаксации σ_lS должна быть положительной. Из начального роста интенсивности протонного SPINOE сигнала получено, что значения σ_lS для ароматических и метильных протонов сходны со значениями для протонов бензола и теоретической оценкой скорости поперечной релаксации вследствие дипольного взаимодействия, модулированного молекулярной диффузией.

Описанный выше пример демонстрирует пригодность ¹²⁹Хе-¹H SPINOE спектроскопии для исследования динамических и структурных характеристик молекул в растворе. Продемонстрировано, что взаимодействие между лазер-поляризованным ¹²⁹Хе и протонами в растворе п-нитротолуола происходит вследствие дипольного взаимодействия ядерных спинов, модулированного диффузным движением. Кроме того, показано, что на знак SPINOE сигнала влияет знак поляризации ¹²⁹Хе.

ПРИМЕР 9
Данный пример демонстрирует влияние связывания ¹²⁹Хе с молекулой в растворе на наблюдаемый сигнал(ы) SPINOE, возникающий от этой молекулы. В качестве модельного соединения был выбран циклический полисахарид циклодекстрин.

9.1 Материалы и методы
Гиперполяризованный ксенон и смеси гиперполяризованного ксенона и циклодекстринов обычно получали, как описано выше. SPINOE сигналы 0,05М растворов циклодекстрина в дейтерированном ДМСО измеряли, как описано выше в Примере 8.

9.2 Результаты
α-Циклодекстрин представляет собой молекулу-хозяина естественного происхождения, состоящую из шести D-глюкозных остатков, связанных по типу "голова-хвост" в 1α,4- положении с образованием кольца, известного как циклогексаамилоза. Она обладает относительно негибкой структурой тороидальной формы, где верх молекулы имеет двенадцать гидроксильных групп в положениях 2 и 3 глюкозных остатков и нижняя часть имеет 6 первичных гидроксильных групп в положении 6. Равновесный протонный спектр α-циклодекстрина в дейтерированном ДМСО представлен на фиг.15. Циклодекстрины представляют собой циклические глюкопиранозные олигомеры, которые обладают зоной гидрофобного связывания [Saenger, W., Angew. Chem. Int. Ed. 19: 344 (1980)]. Гидрофобные связывающие свойства циклодекстринов позволяют им образовывать комплексы с рядом различных чужеродных молекулярных типов начиная с лекарственных средств и кончая благородными газами [Szejtii, J., CYCLODEXTRIN TECHNOLOGY, Kluwer-Academic, Dordrecht, 1988)]. В частности, в ЯМР исследованиях было показано, что α-циклодекстрин образует комплексы с ксеноном [Bartik, К., et at., J. Magn. Res. В, 109: 164 (1995)].

Первым доказательством сильного взаимодействия между ксеноном и α-циклодекстрином является сниженное T₁¹²⁹Xe в растворе α-циклодекстрина. Например, измеренное T₁¹²⁹Хе составляло 20 с в 0,1М растворе α-циклодекстрина в дейтерированном ДМСО по сравнению с T₁>500 с в 0,1М п-нитротолуоле в дейтерированном бензоле. Это увеличение кажущейся скорости релаксации ксенона происходит благодаря дипольному взаимодействию между ксеноном и протонами α-циклодекстрина; это взаимодействие не только определяет поперечную релаксацию двух спинов, но также вносит вклад в авторелаксацию ксенона.

Чтобы исследовать эффекты связывания ксенона no ¹²⁹Xe-¹H SPINOE, наблюдали SPINOEs от лазер-поляризованного ксенона на α-циклодекстрин, растворенный в растворе пердейтерированного диметилсульфоксида (ДМСО). Протонные SPINOE спектры α-циклодекстрина в присутствии ¹²⁹Хе с отрицательной поляризацией и с положительной поляризацией показаны на фиг.16 и фиг.17 соответственно. Об отнесении протонного резонанса сообщалось в другой работе [Djedaini, F. , et al., J. Mol. Struct., 239: 161 (1990)]. В противоположность SPINOE спектрам п-нитротолуола интенсивности SPINOE сигнала для различных протонов α-циклодекстрина являются по существу различными. Самые сильные SPINOE наблюдали от Н3 и Н5, протонов, которые локализованы внутри полости циклодекстрина. SPINOE сигналы от внешних наружных Н2, Н4 и Н1, однако, примерно в 6 раз слабее. Этого различия во взаимодействии ксенона с различными протонами можно ожидать, поскольку такое дипольное взаимодействие высоко чувствительно к относительному расстоянию между спинами. Отношение расстояний между ксенон-Н3, Н5 и ксенон-H1, Н2, Н4 может быть представлено в виде
В процентном выражении SPINOE сигнал является значительно сильнее, чем сигнал от раствора п-нитротолуола. Учитывая давления ксенона в ячейке для образца и магнитные поля, прилагаемые в различных экспериментах с п-нитротолуолом и α-циклодекстрином, установлено, что отношение скоростей поперечной релаксации α-циклодекстрина и п-нитротолуола составляет примерно 100. Такое значительное увеличение константы общего взаимодействия может быть приписано значительному связыванию между молекулами ксенона и α-циклодекстрина. SPINOE сигналы от трех гидроксильных протонов также наблюдаются, хотя и слабее.

Кроме того, константы взаимодействия ксенона сравнили для α-циклодекстрина и β-циклодекстрина, где β-циклодекстрин представляет собой циклодекстриновое кольцо из семи единиц. Даже если размер β-циклодекстрина только на 15% больше, чем α-циклодекстрина, его связывание ксенона крайне понижено, и константы взаимодействия на два порядка меньше, по существу равны константам взаимодействия для п-нитротолуола.

В описанном выше примере продемонстрировано, что неравновесная поляризация ксенона может передаваться другим видам ядер, таким как протоны. Таким образом, гиперполяризованный ксенон можно применять в качестве контрастного агента для протонов. Более того, его можно применять, чтобы выяснять структуры биологически релевантных молекул, таких как белки, посредством избирательной передачи поляризации протонам специфических сайтов, по которым связывается ксенон.

ПРИМЕР 10
Данный пример описывает применение in vivo гиперполяризованного ксенона, растворенного в липидном носителе. Ксенон, подвергнутый оптической накачке, растворяли в липидной эмульсии, как описано в Примере 5, и инъецировали внутривенно крысе. Спектры ¹²⁹Хе ЯМР из области сердца и печени регистрировали как функцию времени.

10.1 Материалы и методы
Поляризованный лазером ксенон и раствор поляризованного лазером ксенона в INTRALIPID^® готовили по существу, как описано в предыдущих примерах.

Самцов крыс массой 200-250 г анестезировали посредством внутримышечной инъекции кетамина/ксилазина/ацепромазина (30/3/0,6 мг/кг). Дополнительные внутримышечные дозы вводили при необходимости поддерживать анестезию. Венозный катетер помещали в хвостовую вену, а поверхностную катушку приемника/передатчика помещали над сердцем и печенью (фиг.18). Регистрации начинали с начала инъекции. Перед каждым экспериментом крысу помещали в боковом лежачем положении в магнит. По окончании каждого эксперимента катетер удаляли и крысу возвращали в ее клетку для восстановления после анестезии.

Спектры ¹²⁹Хе ЯМР получали на спектрометре ЯМР собственной конструкции, сопряженном с магнитом Bruker 2.35 Т (частота ксенона: 27,68 МГц, внутренний диаметр 25 см). Поверхностная катушка приемника/передатчика имела диаметр 3,5 см. Для спектроскопического эксперимента спектры снимали каждую секунду (угол импульса: приблизительно 20^o).

10.2 Результаты
С момента внутривенной инъекции раствора ксенон/INTRALIPID^® была снята серия спектров ЯМР ксенона. Спектр, представляющий собой среднее из сканирований от шестого до двенадцатого, показан на фиг.19; временная зависимость интегрированного сигнала показана на вставке. Ожидали, что Intralipid будет сначала аккумулироваться в печени; похоже, что начальный рост амплитуды сигнала отражает эту аккумуляцию, в то же время последующий спад является следствием вымывания, релаксации ксенона и приложения радиочастотных импульсов.

Данный пример демонстрирует возможность использования липидных растворов гиперполяризованного ксенона для доставки ксенона посредством внутривенного способа введения. Проиллюстрировано также, что можно легко получить спектры гиперполяризованного ксенона in vivo.

ПРИМЕР 11
В этом примере описано применение ¹²⁹Хе МР визуализации для получения изображений in vivo распределения гиперполяризованного ксенона у крысы. Гиперполяризованный ксенон вводили внутримышечно в физиологическом растворе.

11.1 Материалы и методы
Способы получения гиперполяризованного ксенона и физиологического раствора гиперполяризованного ксенона описаны в предыдущих примерах. Крысы, анестезия и аппарат были такими, как описано в примере 10 выше. Для эксперимента по визуализации катетер помещали в мышцу бедра крысы и закрепляли лентой. Поверхностную катушку помещали над местом инъекции на бедре крысы. По окончании эксперимента катетер удаляли и крысу возвращали в ее клетку для восстановления после анестезии.

Осевые изображения снимали перпендикулярно к спирали с использованием FLASH последовательности, показанной на фиг.20. В эксперименте по визуализации было снято десять двухмерных ¹²⁹Хе МР изображений через интервалы примерно в 7 с (за исключением 18-секундной задержки между изображениями 5 и 6) с момента инъекции раствора ксенон/физиологический раствор.

11.2 Результаты
Шесть из полученных изображений, показанных на фиг.21, отражают интенсивность сигнала ксенона, подвергнутого оптической накачке, в верхней части задней ноги крысы. Центральная область низкой интенсивности сигнала ксенона вероятно соответствует бедренной кости крысы. Из шести изображений можно видеть, что интенсивность сигнала быстро возрастает и достигает максимума на втором изображении (б) (7 с после начала инъекции), а затем падает на последующих изображениях. Начальный рост интенсивности является следствием аккумуляции раствора ксенон/физиологический раствор от инъекции, тогда как последующий спад является главным образом следствием приложения радиочастотных импульсов (48 импульсов под углом наклона примерно 5 градусов), хотя релаксация ксенона и вымывание несомненно вносили дополнительный вклад в этот спад. Изменение характера изображений позволяет предположить, что часть раствора ксенон/физиологический раствор могла проникать и диффундировать в окружающие ткани в течение времени эксперимента.

Главным преимуществом физиологического раствора в качестве растворителя ксенона является длительное T₁ ксенона, которое позволяет иметь незначительную потерю поляризации в течение времени инъекции. Однако растворимость ксенона в физиологическом растворе является низкой с коэффициентом Оствальда только 0,0926 (объем ксенона, растворенного в 1 литре жидкости при 1 атм давления газа, в условиях нормальной температуры и давления). Более высокие концентрации ксенона возможно получить путем использования альтернативных растворителей ксенона (например, INTRALIPID^® и FLUOSOL^®). Кроме того, свойства распределения ксенона в биологических тканях у таких растворителей допускают их специальные применения in vivo. В предыдущих исследованиях in vitro определили, что такие растворители могут давать примерно трехкратное увеличение эффективного времени релаксации ксенона в крови. Следовательно, ожидается, что введение поляризованного ксенона, растворенного в одном из этих двух классов носителей для доставки, должно улучшить полученные МР изображения и дать более продолжительное временное окно визуализации.

Пример 11 демонстрирует, что ¹²⁹Хе МР изображения in vivo можно получить и использовать для исследования распределения гиперполяризованного ксенона в живой системе.

Следует понимать, что приведенное выше описание и примеры являются иллюстрирующими, а не ограничивающими. Многие воплощения будут очевидны специалистам при чтении приведенного выше описания и примеров. Следовательно, объем изобретения следует определять не ссылкой на приведенные выше описание и примеры, а ссылкой на прилагаемую формулу изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, названных в этой формуле изобретения. Раскрытия всех статей и ссылок, включая патентные заявки и публикации, включены здесь ссылками общего назначения.

Изобретение в целом относится к методам ядерного магнитного резонанса как для спектроскопии, так и для визуализации, в частности к способам, при которых используют гиперполяризованные благородные газы (например, Хе и Не) для усиления и улучшения ЯМР и МРВ. Кроме того, растворы гиперполяризованных газов по изобретению пригодны как in vitro, так и in vivo для исследования динамики или структуры систем. При использовании в биологических системах либо in vitro, либо in vivo в объем изобретения включены направление и доставка гиперполяризованного газа в конкретные области внутри системы. Техническим результатом изобретения является улучшение пространственной разрешающей способности при получении пациентом нулевой дозы радиации. 8 с. и 28 з. п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ анализа образца, содержащего ЯМР-активное ядро, включающий в себя: (а) контактирование указанного образца с гиперполяризованным благородным газом с обеспечением передачи поляризации от указанного гиперполяризованного благородного газа указанному образцу; (б) сканирование указанного образца путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации или путем как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации, с использованием последовательности импульсов, способной детектировать эту переданную поляризацию; (в) детектирование указанного ЯМР-активного ядра, причем указанное ЯМР-активное ядро представляет собой ядро, иное чем благородный газ. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное ЯМР-активное ядро представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из¹H, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и их комбинаций. 3. Способ анализа образца, содержащего ЯМР-активное ядро, включающий в себя: (а) объединение гиперполяризованного благородного газа с текучей средой с образованием смеси; (б) контактирование указанного образца с указанной смесью с обеспечением передачи поляризации от указанного гиперполяризованного благородного газа в указанной смеси указанному образцу; (в) сканирование указанного образца путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса магниторезонансной визуализации или путем как спектроскопии ядерного магнитного резонанса, так и магниторезонансной визуализации, с использованием последовательности импульсов, способной детектировать эту переданную поляризацию; (г) детектирование указанного ЯМР-активного ядра, причем указанное ЯМР-активное ядро представляет собой ядро, иное чем благородный газ. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный благородный газ представляет собой член, выбранный из группы состоящей из ксенона, гелия, неона, криптона и их смесей. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный благородный газ представляет собой ксенон. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что указанный ксенон представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из ¹²⁹Хе и ¹³¹Хе. 7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный благородный газ представляет собой ³He. 8. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют стадию гиперполяризации указанного благородного газа перед стадией (а). 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанная стадия гиперполяризации включает в себя гиперполяризацию указанного благородного газа через спиновый обмен с щелочным металлом. 10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанная стадия гиперполяризации включает в себя гиперполяризацию указанного благородного газа через метастабильный обмен. 11. Способ по п. 9, отличающийся тем, что указанная стадия гиперполяризации включает в себя облучение указанного щелочного металла циркулярно поляризованным светом. 12. Способ по п. 9, отличающийся тем. что указанный щелочной металл выбран из группы, состоящей из ²³Na, ³⁹К, ¹³³Cs, ⁸⁵Rb и ⁸⁷Rb. 13. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя замораживание указанного гиперполяризованного благородного газа до твердой формы перед стадией (а). 14. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанная текучая среда представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из воды, физиологического раствора, фторуглеродов, фторуглеродных эмульсий, липидов, липидных эмульсий и препаратов-кровезаменителей. 15. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный образец включает в себя организм или часть организма. 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что указанная часть организма включает в себя орган или ткань. 17. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный образец представляет собой органический или неорганический мономер. 18. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный образец представляет собой органический или неорганический полимер. 19. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный образец представляет собой биополимер. 20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что указанный биополимер представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из олигопептидов, полипептидов, антител и белков. 21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что указанный биополимер представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из олигонуклеотидов, РHК, мРНК, тРНК, ДНК, хромосом, генов и плазмид. 22. Способ по п. 19, отличающийся тем, что указанный биополимер представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из олигосахаридов, полисахаридов, гликопротеинов и мукополисахаридов. 23. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанный образец сканируют для детектирования изменения в ЯМР-активных ядрах, вызванного указанным гиперполяризованным благородным газом. 24. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанные ЯМР-активные ядра представляют собой член, выбранный из группы, состоящей из ¹H, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и их комбинаций. 25. Способ получения фармацевтической композиции, включающий в себя: (а) гиперполяризацию благородного газа и (б) контактирование физиологически совместимого жидкого носителя с указанным гиперполяризованным благородным газом. 26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что стадия (б) включает в себя: (а) замораживание указанного гиперполяризованного благородного газа для сохранения гиперполяризации и (б) сублимацию указанного замороженного гиперполяризованного благородного газа в указанный физиологически совместимый жидкий носитель, посредством чего осуществляют контактирование указанного физиологически совместимого жидкого носителя с указанным гиперполяризованным благородным газом. 27. Способ исследования свойства благородного газа в ткани, включающий в себя: (а) гиперполяризацию благородного газа; (б) растворение указанного гиперполяризованного благородного газа в физиологически совместимом жидком носителе с образованием смеси; (в) контактирование указанной ткани с указанной смесью из стадии (б) и (г) сканирование указанной ткани путем спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации либо обоих, посредством чего исследуют указанное свойство. 28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что указанное свойство представляет собой член, выбранный из группы, состоящей из параметров ЯМР, скорости обмена указанного гиперполяризованного благородного газа между внеклеточным компартментом и внутриклеточным компартментом указанной ткани, концентрации указанного гиперполяризованного газа внутри указанного внутриклеточного компартмента, концентрации указанного гиперполяризованного газа внутри указанного внеклеточного компартмента, времени релаксации указанного гиперполяризованного газа внутри указанного внутриклеточного компартмента и времени релаксации указанного гиперполяризованного газа внутри указанного внеклеточного компартмента. 29. Способ по п. 27, отличающийся тем, что указанная ткань включает в себя член, выбраный из группы, состоящей из крови, мышцы, ткани периферической нервной системы и ткани центральной нервной системы. 30. Способ по п. 27, отличающийся тем, что указанная ткань представляет собой ткань центральной нервной системы, которая представляет соой член, выбранный из группы, состоящей из мозга, спинного мозга, спинномозговой жидкости и гематоэнцефалического барьера. 31. Способ увеличения времени релаксации гиперполяризованного благородного газа в контакте с физиологической текучей средой, включающий в себя: (а) образование промежуточного раствора гиперполяризованного благородного газа путем растворения указанного гиперполяризованного благородного газа в текучей среде, в которой указанное время релаксации указанного гиперполяризованного благородного газа является более длительным, чем указанное время релаксации указанного благородного газа в указанной физиологической текучей среде, и (б) контактирование указанной физиологической текучей среды с указанным промежуточным раствором. 32. Способ измерения сигнала, передаваемого от атома гиперполяризованного благородного газа ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, включающий в себя; (а) контактирование ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, с атомом гиперполяризованного благородного газа; (б) приложение радиочастотной энергии к указанному ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, и (в) измерение указанного сигнала, переданного от указанного атома гиперполяризованного благородного газа указанному ЯМР-активному ядру, иному чем благородный газ, с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса, магниторезонансной визуализации либо обоих. 33. Последовательность импульсов для индуцированного спиновой поляризацией ядерного эффекта Оверхаузера (SРINОЕ) ЯМР гетероядерного различия системы, содержащей атом благородного газа и ЯМР-активное ядро, иное чем благородный газ, включающая в себя: (а) π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ; (б) π импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ, прилагаемый одновременно с приложением π импульса благородного газа, и (в) π/2 импульс ЯМР-активного ядра, иного чем благородный газ. 34. Аппарат для получения раствора гиперполяризованного благородного газа, включающий в себя: сосуд для приема текучей среды; резервуар для приема указанного гиперполяризованного благородного газа, сообщающийся через первый запорный клапан с указанным сосудом, причем указанный резервуар имеет форму, которая позволяет охлаждать его независимо от указанного сосуда; входное отверстие для газа, сообщающееся через второй запорный клапан с указанным резервуаром, и средства для удаления текучей среды из указанного сосуда независимо от указанного первого запорного клапана и указанного второго запорного клапана. 35. Аппарат по п. 34, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средства для замораживания указанного гиперполяризованного благородного газа. 36. Аппарат по п. 34, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средства для приложения магнитного поля к указанному резервуару для приема указанного гиперполяризованного благородного газа.