Fast and Sensitive NMR Encoding for Reversibly Bound Xenon

Abstract

NMR detection of hyperpolarized, reversibly bound xenon using chemical exchange saturation transfer (Hyper-CEST) is a relatively new technique with great potential for the detection of dilute molecular targets, e.g. in the context of chemical sensing or molecular imaging. However, the first implementations of Hyper-CEST imaging and spectroscopy (before 2011) were still limited by relatively long acquisition times and the need for a highly consistent xenon delivery to the object (or subject) of interest. In this thesis, we present various tools to tackle these issues from a signal encoding perspective: (1) Multi-echo single-shot MRI readouts for Hyper-CEST to make efficient use of the available hyperpolarized magnetization and to accelerate the measurement process, (2) principal component analysis based data post- processing and sub-sampled data acquisition to increase the signal-to-noise ratio of spectral Hyper-CEST image series, (3) gradient encoding of the saturation frequencies to strongly accelerate in vitro CEST spectroscopy (ultrafast CEST), and (4) shared magnetization after single hyperpolarization with CEST (smashCEST) to enable both Hyper-CEST imaging and spectroscopy also under conditions where the number of xenon deliveries has to be minimized due to time or signal stability restrictions. Utilizing these tools, we demonstrate new Hyper-CEST applications: For instance the monitoring of dynamic processes such as enzymatic reactions or contrast agent diffusion, and fast and sensitive spectral Hyper-CEST imaging to enable multiplexing of different contrast agents. As some of these tools have additionally been applied successfully in several other projects of our research group (e.g. the first live-cell tracking with Hyper-CEST), we are convinced that they might help to further extend the scope of molecular sensing applications using hyperpolarized xenon, eventually also in the context of future in vivo studies. Notably, many of the techniques presented in this thesis might also be of use for conventional CEST NMR and MRI applications using thermally polarized protons.

NMR mit hyperpolarisiertem Xenon unter Ausnutzung von Sättigungstransfer durch chemischen Austausch (Hyper-CEST) ist eine relativ neue und vielversprechende Methode zum Nachweisen von molekularen Zielstrukturen in niedrigen Konzentrationen mit Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Molekularbildgebung oder der (bio-)chemischen Probenanalyse. In ersten Studien (vor 2011) war die praktische Anwendbarkeit von Hyper-CEST zur Bildgebung und Spektroskopie jedoch noch durch relativ lange Aufnahmezeiten und die Notwendigkeit einer sehr stabilen Xenon-Anlieferung beschränkt. In der vorliegenden Arbeit werden mehrere Methoden aus den Bereichen der Bild- und Signalverarbeitung und -kodierung vorgestellt, um diese Einschränkungen zu reduzieren: (1) Multi-echo single-shot MRI-Techniken für Hyper-CEST um die vorhandene, hyperpolarisierte Magnetisierung optimal zu nutzen und um die Aufnahmedauer zu verkürzen, (2) auf Hauptkomponentenanalyse basierende Bildverarbeitung sowie Unterabtastung bei der Bildaufnahme um das Signal-Rausch-Verhältnis von spektralen Hyper-CEST Bildserien zu erhöhen, (3) Gradientenkodierung der Sättigungsfrequenzen um die in vitro CEST Spektroskopie stark zu beschleunigen (ultrafast CEST), und (4) smashCEST (shared magnetization after single hyperpolarization – also „geteilte Magnetisierung nach einer einzigen Hyperpolarisierung“ – für CEST) um Hyper-CEST Spektroskopie und Bildgebung auch dann zu ermöglichen, wenn die Anzahl an Xenon-Anlieferungen aus Zeit- oder Stabilitätsgründen minimiert werden muss. Diese Methoden eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten für Hyper- CEST, z.B. die Beobachtung von dynamischen Prozessen wie etwa enzymatischen Reaktionen oder der Diffusion von Kontrastmittelmolekülen mit hoher zeitlicher Auflösung, oder auch die schnelle Aufnahme spektraler Bildserien, um gleichzeitig mehrere verschiedene Kontrastmittel nachzuweisen („Multiplexing“). Einige dieser Techniken wurden weiterhin erfolgreich in mehreren anderen Projekten unserer Arbeitsgruppe eingesetzt, wie beispielsweise zum erstmaligen Nachverfolgen von lebendigen Zellen („live cell tracking“) mittels Hyper-CEST Bildgebung. Sie könnten daher auch in Zukunft dazu beitragen, die Anwendbarkeit von NMR mit hyperpolarisiertem Xenon weiter auszuweiten, insbesondere im Hinblick auf kommende in vivo Studien. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, dass viele der hier vorgestellten Methoden auch in konventionellen CEST-MR-Anwendungen mit thermisch polarisierten Protonen von Nutzen sein könnten.