Characterization and Optimization of Saturation Transfer NMR with Exchanging Xenon in Different Host-Guest Systems

Abstract

Molecular imaging modalities that aim for early detection of small biochemical changes in combination with spatial information would revolutionize our currently existing medical diagnostic and treatment system, as it could focus on the conservation of the state of health and not on its recovery. Such molecular imaging concepts are based on the noninvasive detection of labeled cells by sensitive methods such as positron emission tomography, single-photon emission computed tomography, X-ray computed tomography, or magnetic resonance imaging (MRI). Of these, only MRI is based on non-ionizing radiation. However, the low sensitivity of MRI for conventional, relaxation-based contrast agents limits its application for molecular imaging purposes in which sensitivity down to nanomolar concentrations of a contrast agent is required. A ca. 10^5-fold gain in sensitivity for MRI is achieved when detecting spin- hyperpolarized xenon and its reversible binding to xenon-host molecules using the method of hyperpolarized xenon detection through chemical exchange saturation transfer (Hyper-CEST). This sensitivity gain is achieved by the combination of the two processes of a) LASER-induced spin-exchange optical pumping and b) the indirect CEST detection method. The latter depletes the spin hyperpolarization of the biological compatible noble gas xenon when it is temporarily bound to a host structure using a selective RF saturation pulse. Continuous xenon exchange transfers this depleted signal to that of free and unbound xenon as a measurable signal change. However, initial Hyper-CEST MRI implementations were experimentally time-consuming. Furthermore, different Hyper-CEST sensitivities have been reported empirically when switching the xenon host molecule. Moreover, as the Hyper-CEST technique relies on RF saturation pulses, the pulse strengths and durations become new degrees of freedom to generate signal contrast. Overall, the mechanism of the Hyper-CEST technique is quantitatively unknown. This thesis presents approaches for quantitative xenon-host system exchange characterization and optimization with saturation transfer. By using single-shot MR imaging techniques that encode the required information within one working step, the first time-resolved xenon-host diffusion studies could be demonstrated. With this significant MR imaging speed improvement, the spectral dimension of the Hyper-CEST technique was studied to characterize xenon-host systems. A novel quantification method could be established that determines for the first time the xenon-host exchange kinetics at high sensitivity. This enabled for the first time the determination of optimal saturation pulse parameters. These results were obtained using the most prominent xenon host for biosensing, cryptophane-A (CrA). It could further quantitatively be demonstrated for the first time that switching to the CrA-alternative xenon host molecule cucurbit[6]uril provides substantial sensitivity improvement for the Hyper-CEST detection method. Therefore, this thesis provides the fundamentals to characterize and optimize the Hyper-CEST mechanism for general xenon-host systems. Such a characterization and optimization is essential to successfully translate the Hyper-CEST technique towards a possible molecular imaging modality with potential in vivo applications or preclinical implementations but also for investing gas binding structures in general.

Molekulare Bildgebungsverfahren, die biochemische Veränderungen frühzeitig und räumlich aufgelöst detektieren, könnten unser aktuelles medizinisches Diagnostik- und Behandlungssystem revolutionieren, da sie nicht auf der Wiederherstellung, sondern auf der Erhaltung unseres Gesundheitszustandes beruhen. Solche Verfahren basieren auf der sensitiven nicht-invasiven Detektion von markierten Zellen mit Techniken wie Positronen-Emissions- Tomographie, Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie, Computertomographie oder Magnetresonanztomographie (MRT). Unter diesen nutzt lediglich das MRT- Verfahren keine ionisierende Strahlung. Jedoch ist die Sensitivität von MRT gegenüber den Zellmarkern aufgrund konventioneller, relaxations-basierten Kontrastmitteln beschränkt. Unter der Verwendung von Spin-hyperpolarisiertem Xenon und dessen reversibler Bindung zu Xenon-Wirtsstrukturen mittels Sättigungstransfer MRT (englisch: hyperpolarized xenon detection through chemical exchange saturation transfer; Hyper-CEST) wird eine ca. 10^5-fache Sensitivitätssteigerung der MRT erreicht. Diese Verstärkung wird durch die zwei Teilprozesse a) des LASER-induzierten “spin-exchange optical pumping” und b) der indirekten CEST Methode erzielt. Bei der Letzteren wird die Spin- Hyperpolarisation des ungiftigen Edelgases Xenon, das temporär im Wirt bindet, selektiv durch einen HF-Sättigungspuls zerstört. Durch den reversiblen Bindungscharakter wird dieses ausgeschaltete Signal auf das des freien und ungebundenen Xenons transferiert und als Signalrückgang messbar. Erste Realisierungen dieser Hyper-CEST MR-Bildgebung waren experimentell sehr zeitaufwändig. Zudem wurde bisher durch den Einsatz verschiedener Wirtsstrukturen empirisch unterschiedliche Sensitivitätssteigerungen mit Hyper-CEST berichtet. Da die Hyper-CEST-Technik HF-Sättigungspulse ausnutzt, tragen die Pulsstärke und -dauer als weitere Freiheitsgrade bei. Die genauen Hyper-CEST-Mechanismen waren bislang quantitativ unverstanden. Diese Arbeit präsentiert Methoden zur beschleunigten quantitativen Charakterisierung des Xenon-Wirt-Systems und Optimierung des Sättigungstransfers. Bei der Beschleunigung handelt es sich um den Einsatz sogenannter “single-shot” Bildgebungsverfahren, die in einem einzigen Arbeitsschritt die erforderliche Information aufnehmen und kodieren. Damit konnten zum ersten Mal zeitaufgelöste Diffusionsstudien des Xenon-Wirts gezeigt werden. Mit dieser signifikanten Bildgebungsbeschleunigung konnte zudem die spektrale Dimension der Hyper-CEST Methode untersucht werden. Mit Hilfe dieser konnte eine neue Quantifizierungstechnologie etabliert werden, welche es erstmals ermöglichte, die Xenon-Austauschkinetiken hochsensitiv zu ermitteln. Damit konnten auch erstmalig optimale Sättigungspulsparameter bestimmt werden. Diese Charakterisierung und Optimierung wurde mit dem weit verbreiteten Xenon-Wirt Cryptophan-A (CrA) durchgeführt. Darüber hinaus konnte quantitativ zum ersten Mal gezeigt werden, dass der CrA-alternative Xenon-Wirt Cucurbit[6]uril eine erhebliche Sensitivitätssteigerungen für die Hyper-CEST Detektion mit sich bringt. Die vorgelegte Arbeit liefert die Grundlagen für eine detaillierte In vitro-Charakterisierung und Optimierung des Hyper-CEST Mechanismus für allgemeine Xenon-Wirt-Systeme. Eine solche Charakterisierung ist die Voraussetzung für eine erfolgreiche Übertragung auf weitere Xenon-Wirt-Systeme mit maßgeschneiderten Eigenschaften für potentiell zukünftige In vivo- Anwendungen oder mögliche präklinische Einsätze auf dem Gebiet der molekularen Bildgebung, sowie der Untersuchung Gas-bindender Substanzen im Allgemeinen.