文摘

磁共振成像(MRI)通常需要对比剂来改善可视化在某些组织和器官,包括胃肠道里的。在后者情况下,而不是血管内管理,可以使用口服制剂。自然口服造影剂,如果汁、的优点更好的味道,耐受性,和更低的价格对于人工代理。我们有菠萝汁王仁贵概要文件的特征为了理解的起源放松利率的增加核磁共振对比)的(因此引用其内容的锰离子。此外,我们有菠萝汁的王仁贵概要特征在不同海藻酸的存在;海藻酸锰离子之间的相互作用,减缓他们的重新定位时间在某种程度上,增加了后续的弛豫率。王仁贵配置文件也相比锰(II)在50更易与dm解决方案³醋酸钠溶液(相同pH值的菠萝汁),显示相当大的分歧,主要是在水分子的数量协调金属离子,一生,在恒定的Fermi-contact交互。最后,横向的适合relaxivity表明水凝胶配方的粘度增加可以显著提高菠萝汁的负对比临床MRI磁场有关。

1。介绍

果汁富含锰离子正越来越多地用于临床磁共振成像的口服对比剂胃肠道(1]。磁共振胰胆管造影图像实际上是经常退化的高信号由于液体收集在胃和十二指肠。口服造影剂可以大大提高胆道和胰腺导管的可视化,促进末梢导管的评价,和胃和小肠。口服锰离子也提供良好的核磁共振成像的对比显示周围神经参与疼痛感的说法,由于锰的能力^{2 +}通过钙通道进入神经元(2]。

理想的口服剂必须无毒,增加对比均匀即使稀释通过胃肠道,并有良好的消化接受,缺乏抵押品的效果,最低蠕动刺激,和一个可访问的价格(3]。一些天然物质已经试过因为Mn的内容^{2 +}离子(4- - - - - -9]。天然的商用富含锰的水果包括菠萝、蓝莓、树莓、黑莓、枸杞,李子,和亚马逊果肉从音乐女神oleracea(通常叫巴西莓)10- - - - - -12]。菠萝汁是最有前途的天然锰含量较高的食物^{2 +}离子(13,14),提供一定程度的图像对比类似于商用阴性造影剂(6]。由于锰^{2 +}离子可以很大程度上增加纵向和横向弛豫率水的质子,它可以用作T1和T2造影剂。例如,为T2的代理,这是抑制信号显示在小儿肠道液体核磁共振胰胆管造影,同时为T1的代理,它可以描绘肠道(13]。

菠萝汁已被证明有效的口服对比剂在磁共振图像,,最近,浓缩果汁加上水凝胶(15提出了进一步提高对比度。然而,到目前为止,还没有详细研究进行天然果汁或其衍生品的弛豫特性。Field-dependent王仁贵[16,17),它由测量的核放松利率的函数应用磁场,技术在这方面的选择。事实上,它提供大量的物理化学参数的放松利率取决于(18- - - - - -20.]。的顺磁系统,结构参数,比如水分子的数量和距离协调顺磁金属离子,和动态参数,如系统的重新定位时间、协调的水分子的寿命,金属,电子弛豫参数,未配对电子自旋密度离域到水的质子(17]。从这些参数的值,可以推断出发生交互的顺磁金属与环境和监控他们如何变化在改变实验条件。此外,王仁贵配置文件允许的分析来评估不同的贡献的放松产生不同类型的调制的metal-proton从不同的动态交互和政权。

在这项研究中,我们描述的菠萝汁王仁贵概要文件来描述不同的参数确定实验的相关性。我们也分析的影响海藻酸添加到菠萝汁作为一种天然食品能缓慢顺磁离子存在于果汁的动态,从而增加核放松利率。锰离子代表主要演员驾驶菠萝汁的弛豫特性,锰离子弛豫率的解决方案的条件类似的果汁也进行调查,以评估其他组件的影响比这些离子弛豫率的汁。

2。材料和方法

2.1。样品制备

样本由溶解海藻酸钠(Sigma-Aldrich A1112)在菠萝汁(鸡笼,100%,菠萝汁)或在一个模拟的菠萝汁获得水凝胶在5%和15% (w / w)多糖。模拟菠萝汁含有相同浓度的无机盐(4更易与dm³Ca^{2 +};6更易与dm³毫克^{2 +};0.437更易与dm³锰^{2 +})和相同的pH值(3.6)的天然产物是由溶解MgCl股票的解决方案₂,CaCl₂,MnCl₂在50更易与dm³醋酸钠。醋酸钠溶液是由纯醋酸溶解在水里,然后通过添加氢氧化钠的浓溶液直到到达pH值3.6。水被添加到匹配所需的浓度。水凝胶是均质声波降解法的几个步骤。

2.2。¹H NMRD测量

水放松概要文件获得了Stelar Spinmaster FFC2000-1T松弛计通过测量水的质子弛豫率的函数应用磁场(0.01质子拉莫尔频率-40 MHz)。放松测量,获得合适的磁化衰变/恢复对monoexponential函数曲线,受到影响的误差为±1%。relaxivity配置文件是通过测量松弛数据的规范化,减抗磁弛豫速率的贡献,Mn^{2 +}浓度(更易与dm³)。测量进行了25岁和37°C。

2.3。轨迹核磁共振测量

R₁和R₂在高场测量在一个力量皇冠三世光谱仪操作在400 MHz¹H拉莫尔频率(9.4 T)减轻松弛的影响,使用5毫米偏硼酸钡probehead。减轻辐射阻尼的影响,样本放在一个毛细管5毫米管同轴,和probehead被1 MHz失谐。

2.4。模型用于分析数据

实验水质子弛豫率 和 是由抗磁性、顺的贡献。顺贡献与顺磁金属离子在溶液中,而增加水的质子的弛豫率对金属离子通过超精细耦合协调。这些顺磁弛豫增强(和 )然后转移到大体积的水通过化学交换质子这样吗 化学位移的差异顺磁和抗磁性物种远小于 ,在哪里

一生汇率的倒数,问是水分子的数量协调金属离子,然后呢和表明顺放松增强由于纵向和横向平移扩散(也称为外球面放松),即,due to the dipole-dipole interaction between the paramagnetic metal ion and the water molecules freely diffusing around it up to a distance of closest approachd。

和可以描述Solomon-Bloembergen-Morgan(座)模型(21,22),是由Fermi-contact和偶极的贡献: 在哪里 是接触耦合常数,r金属离子和协调质子之间的距离,年代电子自旋量子数(5/2 Mn的情况吗^{2 +}),Fermi-contact交互的相关时间: 和偶极-偶极相互作用的相关时间,给出了吗 在哪里的下跌时间顺系统和吗是电子弛豫时间, 假回转中描述模型的参数和 ,对应于暂态零场分裂和相关电子弛豫时间,分别。使用利帕里和萨博模范自由方法(23),在方程(4)和(5),方订单参数还介绍了占贡献产生的非刚性的分子做到。在这种情况下,事实上,偶极-偶极相互作用部分调制与进一步的相关时间也由内部流动更快,与相关的时间吗 :

其他符号在方程(4)和(5)有通常的意义17]。外球面放松可以描述使用释放模型(24]: 在哪里 和D是水分子的扩散系数的总和,顺的复杂。

顺纵向和横向relaxivities对应和 ,当顺磁离子的浓度分别是1更易与dm³。

3所示。结果与讨论

3.1。菠萝汁的金属含量

大量的铜、铁、锰离子通过icp - aes在菠萝汁被评估。由此产生的三个离子的浓度0.002 - -0.007更易与dm³0.027 - -0.031,更易与dm³0.42 - -0.46,更易与dm³,分别。观察到的范围指可变性四个样本来自不同果汁批次。锰的浓度^{2 +}超过一个数量级比铁和铜,这样放松的果汁的属性在很大程度上是由这些离子的存在。

3.2。¹H NMRD菠萝汁的概要文件

的¹H纵向弛豫测量资料为菠萝汁如图25 - 37°C1。正如所料,Mn的水解决方案^{2 +}离子,群众有两个,一个在最低频率对应于Fermi-contact色散和偶极分散。为了评估顺relaxivity由于锰^{2 +},我们应该估计抗磁性的贡献和其他贡献从顺磁离子。铜离子的贡献应该可以忽略不计,由于低浓度、低relaxivity年代= 1/2离子(17),也对抗磁弛豫率预计将大约0.4秒⁻¹。我们可以计算出放松的relaxivity铁铁的贡献^{3 +}水合离子及其在菠萝汁浓度(25]。一旦加入抗磁性的贡献,我们获得的估计放松利率并非由于水的超精细相互作用与Mn质子^{2 +}离子,达到图中虚线所示的值1(在37°C)。由于这些贡献是一个数量级小于实验的菠萝汁,我们相信,这些估计的一些错误不影响下面的分析明显。一旦减去从测量松弛Mn率和规范化^{2 +}浓度,我们获得的relaxivity Mn^{2 +}离子在菠萝汁,如图2。

菠萝汁的横向弛豫率400 MHz和25 - 37°C也测量(如图所示,明星符号图1)。同样,利率超过一个数量级大于预期的贡献从铁离子25)和抗磁性(dotted-dashed线路图1)。计算R₂relaxivity Mn的^{2 +}离子在菠萝汁结果一样大100和75年代⁻¹·毫米⁻¹分别为25和37°C(明星符号在图2)。

Mn的纵向和横向relaxivity数据^{2 +}离子在菠萝汁适合描述的模型方程(1)- (13)。适合,Mn-water质子距离r固定的2.85,最接近的距离吗d3.6,扩散系数在25岁和37°C到3.0×10⁻⁹和3.9×10⁻⁹米²分别/ s。作为第一步,协调的水分子的数量问,重新定位相关时间 ,水的质子一生 ,电子参数和 ,和接触耦合常数 自由调整, 。由此产生的最适合是低质量的,如图2细线(我们确认的质量并没有提高,即使参数表示为固定左自由调整)。因此,一个平方有序参数被介绍给占贡献的存在引起的两个不同的再定位相关的时间,也就是说,和 ,在哪里远小于 。使用这个模范自由的方法,因此可以考虑放松来自水分子经历整体和局部动态发生截然不同的时间尺度。通过这种方式,符合很好(粗线在图2)。报告的最适合的参数值表1。的价值完全是协变的值和 ,它可以是固定的(在表1,它是固定的值从收集到的资料分析获得的藻酸盐)。偶极相互作用调制的贡献通过缓慢的移动和快速流动,从Fermi-contact交互以及从外球面放松,如图所示3。图显示的最大贡献纵向弛豫源于metal-proton偶极-偶极相互作用调制通过重新定位运动相关性的时候大约40 - ps。订单的质子一生相对较小,几十纳秒。Fermi-contact贡献存在接触耦合常数为0.55 MHz。Fermi-contact放松负责第一个拐点的纵向弛豫和基本上是负责(质子和水一起一生和field-dependent电子弛豫时间)为400 MHz的非常高的横向弛豫。需要小的贡献(2%)从纳秒的动力学机制,实现所需的适合数据,表明,锰离子与一些大分子相互作用存在于果汁。一致,这些交互的发生减少水分子协调Mn的数量^{2 +}(问从6 - 4)。

3.3。¹H NMRD Mn的概要文件^{2 +}解决方案

为了检查是否relaxivity的菠萝汁只是由relaxivity锰离子的水溶液,或是否有影响的其他组件汁,Mn relaxivity配置文件^{2 +}解决方案在同一pH值(3.6)和盐浓度的菠萝汁(图得到4)。在这种情况下的低场relaxivity较大,和Fermi-contact(低场)分散在Mn更高^{2 +}解决方案比菠萝汁,而轨迹relaxivity更小。这表明,锰接触耦合常数^{2 +}解决方案是比菠萝汁。偶极的位置(高场)分散在Mn在较大的频率^{2 +}解决方案比菠萝汁,从而表明偶极短的再定位相关时间放松。的R₂Mn的值^{2 +}在400 MHz有些比菠萝汁。在这种情况下,假设6个水分子获得定期协调适应锰离子非常好(实线在图4)。最适合的参数表2与先前的结果有很好的一致性,Mn^{2 +}水离子(26]。的相对贡献Fermi-contact偶极内球体和外球面放松如图3。不同于菠萝汁,复杂是免费的重新定位与相关20 - 30 ps的时候,正如预期的水合离子。接触耦合常数为0.82 MHz。这个值是Mn明显增大^{2 +}解决方案比菠萝汁可能因为在后者,协调水有点受到大分子的相互作用。很明显,纵向relaxivity Fermi-contact放松提供了主要贡献较低的领域,而偶极放松提供了重大贡献高的领域。然而,Fermi-contact交互代表了迄今为止在400 MHz横向弛豫的最大来源。协调水质子的生命周期类似菠萝汁。

3.4。¹H NMRD概要的菠萝汁海藻酸的存在

一般策略来增加放松利率高的领域,顺复杂的分子动力学可以减缓通过促进瞬态顺复杂和大分子之间的相互作用(1,27,28]。Gd的relaxivity^{3 +}造影剂,例如,有一个峰值在Gd 1 T的领域^{3 +}复杂的结合蛋白(29日- - - - - -31日),是协调一致的纳米颗粒(32- - - - - -37),或被禁锢到水凝胶(38,39]。在这种情况下,我们的目标是在引入食品含Mn大型大分子^{2 +}离子可以是暂时性的相互作用或可能导致其监禁在一个受限制的环境中,以这样一种方式来降低其流动性。海藻酸、多糖这是一个商用的天然食品,是用于此目的。由于海藻酸钠溶液的粘度急剧增加,relaxometric分析可以提供关键的数据优化多糖的含量以获得高对比度和合适的流变特性。海藻酸钠浓度的初步筛选后,解决方案在5%和15%重量进行调查以确定这些水凝胶的物理化学参数影响弛豫率。而解决方案5%海藻酸钠的重量仍粘性液体,解决方案似乎贴厚15%。

藻朊酸盐解决方案的抗磁性放松利率在5%和15%重量如图5(一个)。这些解决方案是准备在乙酸钠,为了相同的菠萝汁和pH值增加4更易与dm³(150毫克/升)的浓度^{2 +}离子存在于商业果汁,促进形成水凝胶(40]。放松利率的大幅增加,这可以减少观察到磁场,实际上表明交联的海藻酸聚合物(41- - - - - -43]。在同一浓度海藻酸也添加到菠萝汁,和放松资料测量(图5(一个))。在各个领域,放松利率在这种情况下是做比那些测量原始菠萝汁(图1);放松在低领域的大幅减少相似之处减少看到海藻酸样品,因此归因于抗磁性的贡献,而relaxivity峰观察到约1 T来源于流动限制的顺磁离子和电子的场依赖性松弛率。

图6显示了relaxivity数据样本的菠萝汁添加海藻酸,减法后的海藻酸和抗磁弛豫率从铁离子顺贡献,和随后的正常化1更易与dm³锰^{2 +}浓度。顺磁性的贡献从铁离子认为类似于被认为是在缺乏海藻酸的高分子螯合铁(III)离子的pH值(44重新定位),后续增加时间和减少结合水分子的数量。relaxivity配置文件的原始菠萝汁也报道图6为一个更简单的比较,以及在400 MHz的横向relaxivity样本。数据适合使用方程(1)- (13),包括订单参数,和最适合的参数如表所示1。偶极相互作用调制的贡献被缓慢的迁移和快速迁移,从Fermi-contact交互以及从外球面放松,如图7(一)和7 (b)示例有15%海藻酸25°C。

适合表示同样数量的水分子Mn协调^{2 +}离子在海藻酸之外(小的最适合的价值增加问可能只是反映了大外和/或第二个球系统的粘度越高,带来的贡献可能会减少微观扩散常数和慢的第二个球体水分子)的生命周期。分析表明减少接触耦合常数的值在海藻酸的存在和相当协调的水分子的生命周期和增加的价值 。

3.5。¹H NMRD Mn2 +解决方案的概要文件在海藻酸的存在

最后,放松概要锰的测定^{2 +}解决方案在海藻酸的存在(图5 (b))。配置文件非常类似的形状观察菠萝汁虽然利率是在这种情况下有些小。相应的relaxivity概要图所示6 (b)。像在前面的情况下,数据是适合使用方程(1)- (13),报告的最佳匹配参数表2。数据7 (c)和7 (d)显示来自偶极相互作用调制缓慢流动和快速流动,从Fermi-contact交互,以及从外球面放松的样本有15%海藻酸25°C。同时,在这种情况下,有一个减少接触耦合常数的值对原始锰^{2 +}的生命周期解决方案和大量增加协调水分子。至于菠萝汁,有来自两极的放松与重新定位的纳秒的时候,它产生弛豫峰大约在1 T。

Mn的低阶参数得到^{2 +}解决方案比菠萝汁(海藻酸的存在),这导致锰的观察小relaxivity测量^{2 +}解决方案,尽管如此相反的趋势以海藻酸的缺失。总的来说,分析表明较低的限制流动性的锰^{2 +}复杂造成的海藻酸在这个解决方案中对菠萝汁。

3.6。水凝胶的-对比的贡献

资料的横向relaxivity范围0.01 -400 MHz,生成合适的实验数据,允许一个详细的评估对比增强菠萝汁的水凝胶配方,在临床中使用的磁场MRI(图8)。有趣的是观察到水凝胶配方表现出相当大的横向relaxivities比原始的菠萝汁,与海藻酸浓度成正比。相反,Mn的横向relaxivities^{2 +}解决方案几乎影响海藻酸的存在(图6 (b))。

4所示。结论

后天¹H NMRD概要文件确认放松利率衡量菠萝汁主要是由大型relaxivity锰^{2 +}离子,如预期。然而,资料的分析表明,水分子的数量Mn协调^{2 +}离子是4,6,在水中离子,Fermi-contact Mn耦合常数小于^{2 +}水合离子,翻滚Mn的时间^{2 +}复杂的组件在纳秒时间尺度,可能由于一小部分金属离子与流动性限制与大分子相互作用存在于果汁。海藻酸的存在可以进一步缓慢下跌,从而放松利率,效果比锰被大菠萝汁^{2 +}解决方案。这使得的值R₁在0.94 T更高比Mn菠萝汁^{2 +}解决方案相同的离子浓度,在没有和海藻酸(表的存在3)。在9.4 T,纵向弛豫率小于0.94 T,尤其是对样品在海藻酸的存在。然而,菠萝汁的高横向弛豫率在很大程度上增加了在添加海藻酸(约一个因素2)。R₂测量Mn的9.4吨^{2 +}解决方案是更大比大菠萝汁由于接触耦合常数,但在这种情况下,增加率是小添加海藻酸后,由于水分子的生命周期协调的金属离子限制横向弛豫的增加。

总的来说,这些数据提供了新的线索可能使用的水凝胶准备从菠萝汁,如磁共振成像-口服对比剂。应该注意的是,横向relaxivity的概要文件的函数应用磁场强度显示粘度的增加可以显著提高负反差在生理温度和磁共振成像领域的0.5 - 1 T(和在较低磁场,见图6和8)。相反,在任何磁场值,粘度的增加并不显著提高横向relaxivity通过溶解Mn的解决方案^{2 +}盐。这些结果表明,大分子组件出现在菠萝汁中发挥关键作用观察relaxivity增强,最有可能通过固定锰^{2 +}离子在更大程度上的解决方案。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果可按照客户要求定制Giacomo Parigi和马可Fragai。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认这个基金会Cassa di Risparmio di佛罗伦萨和2017 a2kepl项目“理性设计纳米凝胶包埋顺磁离子核磁共振探头”的金融支持。工作的框架内进行成本CA15209欧洲网络NMR王仁贵行动”。”作者承认Instruct-ERIC的支持和资源的使用,一个里程碑ESFRI项目,特别是,CERM / CIRMMP意大利中心的支持和佛罗伦萨CERM-TT大学JOYNLAB重组蛋白质。