Long-lived hyperpolarized molecules for magnetic resonance produced using parahydrogen
Biochemistry
Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
Final Report Abstract
Die Genese des gemeinsamen Forschungsprojets kann gut an den veröffentlichten Arbeiten abgelesen werden. So wurde eine erste Übersichtsarbeit zu paraWasserstoff-hyperpolarisierten Aminosäuren geschrieben. Arbeiten zur Polarisation bei sehr niedrigen Feldern führten zu einem tieferenVerständnis von Mechanismen zur Polarisation von 15N-Kernen und chemisch austauschenden Systemen. Die Entwicklungen der Hardware führten neben einer deutlich verbesserten Reproduzierbarkeit auch zu wesentlich besser definierten Untersuchungen zur Feldabhängigkeit der Polarisation. Im weiteren Verlauf konnte mit modifizierten SABRE-Methoden die 15N-Polarisation von Acetonitril um 30% gesteigert werden. Im Rahmen des Projektes wurde außerdem eine neue Variante zur pH2-induzierten Polarisation gefunden, welche wir PHIP-X genannt haben. Diese Methodik kann als eine geschickte Kombination von SABRE-RELAY und PHIP angesehen werden, welche eine hohe Polarisation auf einem Transfer-Molekül mit der breiten Anwendbarkeit des Protonen-Austauschs kombiniert. Die Methodik wurde von Anderen aufgegriffen und für die 15N-Polarisation weiterentwickelt. Eine weitere Arbeit zum vertieften Verständnis der Polarisationsmechanismen im PHIP-X sowie zum Polarisationstransfer mittels Protonenaustausch im Allgemeinen befindet sich derzeit im Review-Verfahren, eine darauf aufbauende Sachbeihilfe wurde soeben bewilligt. Die Untersuchungen zum PHIP-RASER Effekt brachten neue Erkenntnisse für die Polarisierbarkeit mittels Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Außerdem wurden wichtige Arbeiten zur 13C-Polarisierung von Ethylpyruvat und Succinat erzielt. Ein weiterer Beitrag gelang mit dem 15N-MRI von Pyridin und Nicotinamid, welche mittels SLIC-SABRE hyperpolarisiert wurden. Die in dem Projekt entwickelten Hardware-Systeme wurden übersichtlich dokumentiert und veröffentlicht. Überraschenderweise hat das Team aus Novosibirsk berichtet, dass sie die Literaturwerte zu den mittels SABRE-RELAY erzielten Polarisationen trotz wiederholter Bemühungen nicht reproduzieren können. Daraufhin wurde eine Modifikation der Methodik untersucht, in welcher das Verfahren SABRE durch PHIP ersetzt wird. Die so entstandene neue Methodik, genannt PHIP-X oder PHIP- RELAY, besitzt mit der ursprünglichen Methodik (SABRE-RELAY) die Gemeinsamkeit, dass ein Polarisationsübertrag auf ein Zielmolekül mittels Protonenaustausch stattfindet. Der Unterschied der beiden Methoden besteht darin, dass die labilen Protonen, welche den Protonenaustausch verursachen, mit verschiedenen Verfahren polarisiert werden (SABRE bzw. PHIP). Da PHIP-X oftmals ähnliche Polarisationen und manchmal sogar höhere Polarisationen als die Literaturwerte von SABRE-RELAY induziert, wurde im weiteren Verlauf des Projektes auch mit der modifizierten Methodik weiter verfahren. Die Erstbeschreibung des Effekts wurde hochrangig veröffentlicht, eine Sachbehilfe zu diesem Thema wurde jüngst positiv beschieden. Während die nicht-reproduzierbaren Polarisationen zunächst enttäuschend waren, so war letztendlich die Entdeckung von PHIP-X eine sehr erfreuliche Wendung des Projektes! Zusammen mit den durchaus zahlreichen Veröffentlichungen war es ein also ein fruchtbares und gelungenes Projekt welches, aufgrund der geopolitischen Lage, mit unseren Russischen Partnern leider so nicht fortgeführt werden kann. Wie wohl alle Projekte zu dieser Zeit wurden auch dieses von den Einschränkungen während der Corona-Pandemie getroffen.
Publications
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15N MRI of SLIC‐SABRE Hyperpolarized 15N‐Labelled Pyridine and Nicotinamide. Chemistry – A European Journal, 25(36), 8465-8470.
Svyatova, Alexandra; Skovpin, Ivan V.; Chukanov, Nikita V.; Kovtunov, Kirill V.; Chekmenev, Eduard Y.; Pravdivtsev, Andrey N.; Hövener, Jan‐Bernd & Koptyug, Igor V.
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Long-Lived Hyperpolarized Molecules for Magnetic Resonance Produced with Parahydrogen. RFBR buletin. 2021
Kovtunov K., Koptyug I., Pravdivtsev A. & Hövener J.B.
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Parahydrogen-Induced Polarization Relayed via Proton Exchange. Journal of the American Chemical Society, 143(34), 13694-13700.
Them, Kolja; Ellermann, Frowin; Pravdivtsev, Andrey N.; Salnikov, Oleg G.; Skovpin, Ivan V.; Koptyug, Igor V.; Herges, Rainer & Hövener, Jan-Bernd
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Parahydrogen‐Induced Polarization of Amino Acids. Angewandte Chemie International Edition, 60(44), 23496-23507.
Pravdivtsev, Andrey N.; Buntkowsky, Gerd; Duckett, Simon B.; Koptyug, Igor V. & Hövener, Jan‐Bernd
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Instrumentation for Hydrogenative Parahydrogen-Based Hyperpolarization Techniques. Analytical Chemistry, 94(1), 479-502.
Schmidt, Andreas B.; Bowers, C. Russell; Buckenmaier, Kai; Chekmenev, Eduard Y.; de Maissin, Henri; Eills, James; Ellermann, Frowin; Glöggler, Stefan; Gordon, Jeremy W.; Knecht, Stephan; Koptyug, Igor V.; Kuhn, Jule; Pravdivtsev, Andrey N.; Reineri, Francesca; Theis, Thomas; Them, Kolja & Hövener, Jan-Bernd
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Subsecond Three-Dimensional Nitrogen-15 Magnetic Resonance Imaging Facilitated by Parahydrogen-Based Hyperpolarization. The Journal of Physical Chemistry Letters, 13(44), 10253-10260.
Trepakova, Alexandra I.; Skovpin, Ivan V.; Chukanov, Nikita V.; Salnikov, Oleg G.; Chekmenev, Eduard Y.; Pravdivtsev, Andrey N.; Hövener, Jan-Bernd & Koptyug, Igor V.
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Symmetry Constraints on Spin Order Transfer in Parahydrogen-Induced Polarization (PHIP). Symmetry, 14(3), 530.
Pravdivtsev, Andrey N.; Barskiy, Danila A.; Hövener, Jan-Bernd & Koptyug, Igor V.
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Through-Space Multinuclear Magnetic Resonance Signal Enhancement Induced by Parahydrogen and Radiofrequency Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Analytical Chemistry, 94(43), 15010-15017.
Salnikov, Oleg G.; Trofimov, Ivan A.; Pravdivtsev, Andrey N.; Them, Kolja; Hövener, Jan-Bernd; Chekmenev, Eduard Y. & Koptyug, Igor V.
