Studien zur Generierung der parawasserstoffinduzierten Kernspinhyperpolarisation am Beispiel von organischen Säuren und aromatischen Systemen

Abstract

Den Magnetresonanzverfahren liegt aufgrund des geringen Besetzungsunterschiedes der Kernspinniveaus im thermischen Gleichgewicht eine geringe Nachweisempfindlichkeit zugrunde. Eine von der Boltzmann-Verteilung abweichende Besetzung kann mit Hilfe von Hyperpolarisations-techniken erreicht werden, die eine selektive Besetzung von bestimmten Kernspinzuständen ermöglichen. Theoretisch können so erzeugte NMR-Signale eine Polarisation von 100 % erreichen. Bei der klassischen parawasserstoffinduzierten Hyperpolarisation (PHIP) wird die Überbesetzung bestimmter Kernspinniveaus durch die Addition von Parawasserstoff an eine ungesättigte Verbindung hervorgerufen. Im Gegensatz dazu wird die Polarisation bei dem Verfahren der Signalverstärkung durch reversiblen Austausch (SABRE) weitestgehend ohne direkte Übertragung des Parawasserstoffs transferiert. Bei diesem parawasserstoffinduzierten Verfahren wird die Polarisation ohne Hydrierung auf das Zielsubstrat transferiert. Die aus der PHIP-Methode resultierende Signalverstärkung und damit einhergehende Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses ermöglichen die In-vivo-Detektion der hyperpolarisierten Substrate innerhalb weniger Sekunden. Letztere werden als hyperpolarisierte Marker bereits erfolgreich für die Bildgebung im Tiermodell eingesetzt. Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Arbeit war es, relevante Substrate für die klassische PHIP-Methode zu erschließen. Mit Hilfe von Testverbindungen wurden zunächst Machbarkeitsstudien an verschiedenen Vorstufen durchgeführt. Im Rahmen dieser Studien gelang es z. B. erstmals Valproinsäure zu polarisieren. In diesem Zusammenhang veranschaulichen die ausführlichen Vorversuche an strukturell vergleichbaren Molekülen, wie der 4-Pentinsäure, eine mögliche Anwendbarkeit von Valproat für die MR-Bildgebung. Neben der Untersuchung kleiner Moleküle wurden Studien zur Polarisierbarkeit größerer Verbindungen, mit dem Ziel, Steroidverbindungen auf ihre Hyperpolarisierbarkeit hin zu untersuchen, durchgeführt. Darüber hinaus konnte die Eignung von Bis(phenylethinyl)benzenderivaten für das PHIP-Verfahren veranschaulicht werden. Die verwendeten Derivate weisen eine strukturelle Ähnlichkeit zu Substraten wie 3,3'-[(2-Fluor-1,4-phenylen)di(E)-2,1-ethendiyl]bis(6-hydroxybenzoesäure) (FSB) oder 3,3'-[(2-Brom-1,4-phenylen) di(E)-2,1-ethendiyl]bis(6-hydroxybenzoesäure) (BSB) auf. Diese Strukturen sind durch ihre Bindung an Amyloid-Plaques, die in Verbindung mit der Alzheimer-Krankheit stehen, von hohem Interesse. Die NMR-Spektren der polarisierten Bis(phenylethinyl)benzenderivate belegen einen gelungenen Polarisationstransfer von den übertragenen Wasserstoffen auf die Fluorkerne dieser Verbindungen. Die Anwendung der PHIP auf diese Verbindungen könnte deren Detektion durch die verstärkten Signale deutlich verbessern. Ein weiterer wesentlicher Aspekt dieser Arbeit lag in der Überprüfung eines möglichen neuen Konzeptes, mit dem erstmalig die Kombination zweier parawasserstoff-induzierter Hyperpolarisationsmethoden untersucht wurde. Mit Machbarkeitsstudien, die sowohl die klassische PHIP als auch das SABRE-Verfahren beinhalten, wurde überprüft, inwieweit sich die Intensität der Polarisation der erzeugten Substrate beeinflussen lässt. Zu dieser Problematik wurden zwei Ansätze verfolgt: Zum einen wurde die beidseitige Hydrierung des Substratmoleküls (doppelte PHIP) untersucht. Zum anderen wurde geprüft, ob sich die Polarisation unter Verwendung eines Katalysators über die klassische PHIP- und zeitgleich mit der SABRE-Methode auf das Zielsubstrat überträgt. In diesem Zusammenhang wurde eine Vielzahl von Hydrierexperimenten durchgeführt, um den Einfluss der chemischen Struktur der Verbindungen zu untersuchen.

All magnetic resonance methods are based on low population differences of the nuclear spin states in thermal equilibrium which cause a low detection sensitivity. A deviation from the Boltzmann distribution can be achieved with the help of hyperpolarization techniques which allow a selective population of nuclear spin states. Consequently, the generated NMR signals can reach a theoretically achievable polarization of 100%. In the case of classical parahydrogen induced polarization (PHIP), the overpopulation of nuclear spin states is caused by the addition of parahydrogen to an unsaturated compound. In contrast, the polarization is predominantly transferred without the direct transfer of parahydrogen in the process of signal amplification by reversible exchange (SABRE). In this parahydrogen induced process, the polarization is transferred to the target molecule without hydrogenation. The signal amplification resulting from the PHIP method and the associated increase in signal-to-noise ratio enable the in vivo detection of the hyperpolarized substrates within a few seconds. The latter are already successfully used as hyperpolarized markers for imaging in animal models. A major goal of this work was to develop biomedical substrates for the classical PHIP methodology. By means of test compounds, feasibility studies were carried out using various precursors. In the course of these studies, valproic acid could be polarized for the first time. In this context, the detailed preliminary experiments of structurally similar molecules such as 4-pentynoic acid demonstrate the possible application of valproic acid for MR imaging. Besides the examination of small molecules, studies of larger substrates were carried out to examine their polarizability with the objective of examine steroid compounds to their hyperpolarizability. In addition, the suitability of bis(phenylethynyl)benzene derivatives for the PHIP method could be illustrated. The derivatives which are used have a structural similarity to substrates such as (E,E)-1-fluoro-2,5-bis-(3-hydroxycarbonyl-4-hydroxy)styrylbenzene (FSB) or (E,E)-1-bromo-2,5-bis(3-hydroxycarbonyl-4-hydroxy)styrylbenzene (BSB). These structures are of great interest because they are known to qualify for a binding to amyloid plaques which are associated with Alzheimer's disease. The NMR spectra of the polarized bis(phenylethynyl)benzene derivatives demonstrates a successful polarization transfer from the transferred hydrogens to the fluorine nuclei of these compounds. The application of PHIP on these compounds could significantly improve their detection by the amplification of the signals. Another important aspect of this work was the examination of a possible new concept which was used to investigate the combination of two parahydrogen induced hyperpolarization methods for the first time. With feasibility studies, which included the classical PHIP as well as the SABRE method, it was investigated, how far the intensity of the polarization of the substrate can be affected. Addressing this issue, two approaches have been pursued. On the one hand, the double-sided hydrogenation of the substrate molecule (double PHIP) was investigated. On the other hand, it was examined whether the polarization is transferred to the target substrate by the classical PHIP and simultaneously with the SABRE method by using one catalyst. In this context, a variety of hydrogenation experiments has been carried out with the purpose of adapting the chemical structure of the compounds for this method.