专利名称：利用超极化惰性气体对于核磁共振和磁共振成象质量的提高的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及应用于光谱学和成象的核磁共振(NMR)技术。更具体地说，本发明涉及利用超极化惰性气体(例如氙气和氦气)增强和提高核磁共振和磁共振成象质量。
发明
背景技术：
核磁共振(NMR)技术是应用于光谱学研究和成象的常规技术。核磁共振光谱法是测定液态、固态、甚至气态分子的基本结构、形态和局部动态特性的最有力的方法之一。作为一种全身成象技术，磁共振成象(MRI)能够提供具有极高的软组织分辨率的图象，使得在许多临床诊断中磁共振成象成为最常用的手段。磁共振成象所拍摄的图象能够使临床医生区别出病态位置和健康组织。例如，磁共振图象能够清晰地从周围的组织中区分出肿瘤。此外，使用磁共振成象能够对器官中特定区域成象和获得关于各种过程包括血液流动和组织灌注过程的解剖学(形态学和病理学)信息和/或功能信息。现在关于大脑的功能图象已经有大量文献记载。
利用磁共振成象方法获得的结构和功能信息可以采用全身核磁共振光谱法来补充。对于器官的核磁共振光谱研究提供了一种探测在研究过程中在组织内发生的化学过程的手段。例如，可以研究固有的NMR光谱标记物如乳酸和柠檬酸的位置和含量以增进对于疾病状态的化学过程的了解(Kurhanewicz,J.等人，Urology45:459-466(1995))。NMR光谱学还可用于观察用药对于生物体的生物化学作用和用药之后药物发生的变化(Maxwell,R.J.,Cancer Surv.17:415-423(1993))。由于这些技术的创建，通过提高灵敏度或使用适当设计的外部探测剂来改善利用MRI和NMR光谱法获得的信息的尝试一直在进行之中。
在成象和光谱测量方面，灵敏度使得NMR的应用受到持久的挑战。在质子MRI中，对比度主要是由组织中质子的数量和这些质子的固有弛豫时间(即T1和T2)控制的。组织结构不同的相邻组织在MR图象中却磁性相似地出现等强度。由于组织中质子含量不是一个容易控制的参数，所以在磁性相似组织之间产生区别的方法是在生物系统中引入顺磁性药物(即对比增强剂)如Gd(DTPA)(Niendorf,H.P.，等人，Eur.J.Radial.,13:15(1991))。质子核与Gd+3离子上不成对的自旋之间的相互作用急剧减小了质子的弛豫时间，使得在相互作用点的组织强度增大。Gd(DTPA)及类似作用剂都是小分子量作用剂，它们大多被限定在细胞外代谢区中，并且不容易穿过完整的血液-大脑屏障。因此，这些增强剂在功能性脑成象中用处很小。
与MRI类似，NMR光谱研究一般依赖于对以自然丰度存在的NMR活性核子(例如，1H、31P、13C)的探测(Sapega,A.A.，等人，Med.Sci.SportsExerc.,25:656-666(1993))。此外，被观察的化学物质必须具有与观察窗中的其它化合物不同的光谱特性。因此，在NMR光谱测量中的灵敏度为需要研究的分子的丰度和光谱特性的函数。由于应用了包含NMR活性核子，例如19F的外部探测剂，NMR光谱研究的范围已经在某种程度上扩展了(Aiken,N.R.，等人，Biochim.Biophys.Acta,1270:52-57(1995))。
惰性气体作为MRI和NMR光谱测量的示踪物和探测剂是有意义的(Middleton,H，等人，Magn.Res.Med.,33:271(1995))但是，这些分子的MRI和NMR光谱测量灵敏度相对较低。造成惰性气体在这些技术中灵敏度不高的一个原因是惰性气体试样的自旋极化、或净磁矩较弱。例如，在室温下处于热平衡的一个典型分子具有沿所施加的磁场方向的超自旋的几率相对于沿相反方向的几率通常小于1/105。在能够达到的程度内，较低的温度和较强的磁场，对于几率的提高只有有限的作用。另一种方法则依赖于通过强迫试样中的分子处于极化状态来破坏平衡磁化。本领域中熟知的两种用于增强核子群的自旋磁化的方法是动态核极化法和光泵激法。
动态核极化法，起初应用于金属，产生于耦合自旋之间的正交弛豫。这种现象被称为Overhauser效应，最早由Overhauser等人发现和公开(Overhauser,A.W.，金属中的核极化(“Polarization of nuclei in metals”),Phys.Rev.92(2):411-415(1953),Solomon,I.,“Relaxation processes in a system oftwo Spins,”Phys.Rev.99(2):559-565(1955)，和Carver,T.R.，等人，“Experimental verification of the Overhauser nuclear polarization Effect”,Phys.Rev.102(4):975-980(1956))。核自旋之间的核Overhauser效应在溶液中分子的NMR研究中被广泛地用于确定原子间距离。
光泵激法是用于在有惰性气体状态下利用圆偏振光增强包含放射性碱金属的气体的自旋极化的方法。所得的超极化气体已经用于对表面的NMR研究和对空隙空间和表面成象。举例来说，超极化129Xe的增强表面NMR法，如Raftery,D.，等人的文章(Phys.Rev.Lett.66:584(1991))所述；利用超极化129Xe通过热混合对于质子和13C的NMR的信号增强，如Driehuys,B.，等人的文章(Phys.Lett.A184:88-92(1993))和Bowers,C.R.，等人的文章(Chem.Phys.Lett.205:168(1993))所述，以及利用Hartmann-Hahn正交极化增强质子和13C的NMR信号，如Long,H.W.，等人的文章(J.Am.Chem.Soc.115:8491(19993))所述；器官(例如肺)和其它材料中空隙空间的增强MRI，如Albert,M.S.，等人所述(Nature 370:199-201(1994))和Song,Y-Q.，等人的文章(J.Magn.Reson.A115:127-130(1995))所述。
虽然已经证明超极化惰性气体在对于肺部的气体空间的研究中作为探测剂是有用的，但是这些方法的有效性或灵敏度或多或少地受到生物物质和器官，例如血液和只有借助血液才能看清的身体部分的影响。在超极化气体驻留在血液中期间，其浓度大大稀释，气体从肺部空间转移到血液中的时间延迟耗费了极化气体回复到非极化状态所需的大部分时间(例如T1)。使情况更加复杂的是，超极化气体向红细胞内部的渗透明显地减少了超极化气体的T1，因此，严重地缩减了气体可以作为有效探测剂的时间范围。
通过引入以多用途超极化惰性气体为基础的NMR活性示踪剂可以极大地改进MRI和NMR光谱测量，这种活性示踪剂还用作对比度增强剂或以能够从光谱上分辨的方式，对于探测剂气体所接近的试样分子产生其它作用。在其它的应用中，这种作用剂有助于脑功能成象，还可用于探测各种组织的细胞内与细胞外代谢区之间的动态交换。更有意义的是，通过血液或直接注射到检测组织中，作为一种传递示踪剂的手段，在传递过程中和在成象及光谱实验过程中都将保持气体的超极化状态。令人十分惊奇的是，本发明同时提供这样一种示踪剂和传递方法。
发明概要本发明提供将超极化惰性气体与NMR光谱测量和MRI结合使用的方法。这些惰性气体可用作其本身被探测的示踪剂以及对于试样中存在的其它核子的磁特性产生影响的作用剂。
因此，根据第一方面，本发明提供用于分析包含NMR活性核子的试样的一种方法，该方法包括以下步骤(a)使试样与超极化惰性气体接触；(b)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置，或者核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描试样；(c)探测NMR活性核子，其中NMR活性核子为除一种惰性气体以外的其它核。
根据另一个方面，本发明提供用于分析一种试样的方法，该方法包括以下步骤(a)将一种超极化惰性气体与一种流体结合构成一种混合物；(b)使试样与该混合物接触；和(c)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置，或者核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描试样、惰性气体或试样和惰性气体两者。
根据再一个方面，本发明提供一种药剂组合物，其中包含溶解在一种生理兼容的液体载体中的一种超极化惰性气体。
根据又一个方面，本发明提供用于研究惰性气体在组织中特性的一种方法。本发明的该方法包括以下步骤(a)使惰性气体超极化；(b)将这种超极化惰性气体溶解在一种生理兼容的液体载体中以构成一种混合物；(c)使组织与由(b)获得的混合物接触；和(d)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置，或者核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描该组织，从而研究组织中惰性气体的特性。
根据再另一个方面，本发明提供用于增加与一种生理液体接触的超极化惰性气体的弛豫时间的一种方法。该方法包括以下步骤(a)通过将该超极化惰性气体溶解在一种流体中构成一种超极化惰性气体中间溶液，惰性气体在这种流体中的弛豫时间比其在生理流体中的弛豫时间长；(b)使生理流体与该中间溶液接触。
根据又另一个方面，本发明提供用于测量从至少一种超极化惰性气体传递到至少一种非惰性气体NMR活性核子的信号的一种方法，该方法包括以下步骤(a)使一种非惰性气体NMR活性核子与一种超极化惰性气体原子接触；(b)在磁场中对非惰性气体NMR活性核子施加射频能量；和(c)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置或两者测量从超极化惰性气体传递到非惰性气体NMR活性核子的信号。
根据再又一个方面，本发明提供用于异核差分自旋极化感生核Overhauser效应(SPINOE)NMR系统的一个脉冲序列，该系统包括至少一个超极化惰性气体原子和至少一个非惰性气体NMR活性核子，所说脉冲序列包括(a)至少一个非惰性气体NMR活性核子π/2脉冲；(b)与施加一个惰性气体π脉冲同时施加的一个非惰性气体NMR活性核子π脉冲；和(c)一个非惰性气体NMR活性核子π/2脉冲。
根据另外一个方面，本发明提供用于制备一种在流体中的超极化惰性气体溶液的装置，该装置包括用于容纳这种流体的一个容器；用于贮存超极化惰性气体的一个储气容器，该储气容器通过一个第一截流阀与储液容器连通，该储气容器的形状使得储气容器可以独立于储液容器进行冷却；通过一个第二截流阀与该储气容器连通的一个气体入口；和用于将流体从该容器中抽出、独立于第一和第二截流阀的一个装置。
通过以下的详细描述可以了解本发明的其它特征、目的和优点及其优选实施例。
附图简介
图1示意性表示了所采用的实验方案。使用上述技术通过与光泵激的铷原子的自旋交换使80％的同位素浓缩129Xe极化。在液氮温度下使氙凝固在处于由一个永磁体产生的强磁场中的一个试样管的侧管中。然后通过加热并将其导入溶液中使氙变为气态。
图2表示在D2O的129Xe溶液中129Xe的NMR光谱。
图3A和图3B表示在将1cc氙/水混合物注入1cc浓缩的红细胞之后在所得的血液中氙的常规光谱和光极化129XeNMR光谱。
图4表示血液中典型的129Xe的NMR光谱中两个峰的积分之间的时间相关性。
图5A和图5B表示血液中细胞内与细胞外代谢区之间的固有交换。图5A表示最初的平衡光谱和在选择转换之后的时间相关光谱。图5B表示信号强度的时间相关性。
图6A和图6B表示在INTRALIPID_溶液中传递到血液中的氙的光泵激129Xe光谱(A)。血液/INTRALIPID_中激光极化氙的二维129Xe的MR图象(A，插图)。在将氙/FLUOSOL_溶液混合到纯血液中之后所得的129Xe光谱(B)。在纯血液中氙/FLUOSOL_溶液的129Xe的压缩NMR光谱(B，插图)。
图7表示在将新鲜人血液与极化氙饱和的盐溶液混合之后立即摄取的溶解在该血液中的129Xe的两维磁共振图象。这些128×64的图象是采用回波平面成象(EPI)法在一个Quest4300型光谱仪上摄取的。试样管的直径为10毫米，溶液占据20毫米长度的区域。
图8表示在与极化氙接触之后在苯溶液中观测到的极化129Xe NMR信号的时间相关性。主图表示部分氘化的苯(25％C6D5H,75％C6D6)中获得的数据；插图表示普通苯(C6H6)的数据。在用空心圆点表示的实验中，打开氙储气容器将氙导入苯中；信号最初的上升表示氙渗透进入溶剂。在用实心圆点表示的实验中，在打开氙储气容器之后摇动试样使氙与苯混合，从而生成均匀的饱和溶液。利用794.7nm的圆偏振光进行光泵激增强129Xe的自旋极化。一般来说，在一次实验中使用4×10-4摩尔的浓缩129Xe。苯和氘化苯中129Xe信号之间的差别显示出1H和129Xe之间磁性双极耦合对于129Xe弛豫的影响。在起始的NOE实验中，使用了部分氘化液体，以有助于对于1H自动弛豫有贡献的正交弛豫效应的产生。对于129Xe的NMR测量是使用自制探测剂以51兆赫兹频率和3°的倾斜角度在一个Quest 4300光谱仪上进行的。
图9表示在将部分氘化苯(25％C6D5H,75％C6D6)与超极化129Xe接触之后观测到的1H的NMR信号的时间相关性。试样在零磁场中与氙接触，然后在几秒内注入NMR探测剂中。1H信号的起始上升是由于自旋晶格弛豫。1H的NMR信号随129Xe极化的不同而显示出正的(○)或负的(◇)NOE效应。根据存在非极化氙时(□)1H信号的变化，测得苯-氙溶液的1H弛豫时间T1为大约160秒。插图表示在将极化的129Xe溶解到部分氘化的苯中之后1H的NMR信号的时间相关性。在导入氙之前，将试样放置在NMR磁场中大约10分钟，以使1H磁化达到热平衡。在打开氙储气容器之后，摇动试样以确保氙和苯的充分混合。平滑的曲线表示对于方程1的时间相关解的拟合(J.H.Noggle,R.E.Schirmer,The Nuclear Overhauser Effect:Chemical Application(Academic Press,New York-London-Toronto-Sidney-San Francisco,1971))。
1(t)=a+b(e-t/t1-e-t/t2)(1)获得120秒和1050秒(●)，及140秒和1020秒(◆)的时间常数。1H的NMR是使用自制探测剂以185兆赫兹频率和3°的倾斜角进行的。
图10表示在将苯与超极化129Xe接触之后摄取的溶解在苯中的129Xe的两维时间分辨磁共振图象。在刚刚将Xe导入之后存在Xe浓度梯度，随着时间的增长渐渐形成较为均匀的溶液。这些64象素×128象素的图象是采用快速低角度拍摄(FLASH)成象方法在一台Quest4300光谱仪上获得的，对于每64个信号采集倾斜角度为3°。频率编码梯度为3.5G/mm。长度为500μs的相位编码梯度脉冲的梯级高度为0.063G/mm。试样管的直径为7mm，溶液占据15mm长度的区域。
图11表示沿试样管轴(z)从MRI投影获得的在部分氘化苯中129Xe磁化的分辨时间分布。在将氙导入苯之后不摇动试样以防止形成均匀的初始浓度。在将氙气导入溶液之后47秒摄取的第一幅图象中可以区分出三个区域。溶液液位(大约18毫米)之上的强度来源于气态的129Xe，这部分信号由于气态氙具有不同的化学特性而偏离溶解的129Xe信号。沿z轴21mm以上的气体信号强度的减弱是由于在射频线圈之外NMR灵敏度下降，在示意图中射频线圈用圆点表示。在15.2毫米位置处的信号最大值对应于溶液顶部，是由从气态扩散到溶液中的氙产生的。在大约1.3毫米位置处的信号对应于试样管的下端。因此，氙首先积蓄在试样管底部，可以辨别得出的氙浓度梯度保持长达5分钟。浓度梯度是由于氙溶液与纯苯之间密度差造成的自然对流而形成的，最终变化为均匀的饱和氙溶液。成象磁场梯度为2.6G/mm。
图12表示在将超极化氙导入包含当量浓度苯的试样管之后2分钟和6分钟时NOE增强的1H信号的两维磁共振图象。增强图象是通过将所示的平衡图象进行减法处理获得的，其中所说平衡图象是在25分钟之后摄取的4幅图象的平均值。为了清楚起见，在各个图象中的强度标尺已经放大了8倍。在2分钟摄取图象中的最大NOE增强为0.05；在6分钟摄取图象中的最大NOE增强为0.12。在2分钟图象中观察到增强1H信号的明显的梯度，对应于所观察到的氙浓度梯度，在6分钟图象中发现当氙浓度梯度消失时增强是均匀的。在2分钟图象中的负区域可能是由于当氙溶解时液态的扩散引起的。这些图象是采用回波平面成象法(Mansfield,P.,J.Phys.C10,L55(1997))在24ms内拍摄的。频率编码梯度为3.15G/mm；相位编码梯度脉冲为0.14G/mm和50μs长。图象尺寸为128×32，图象在数据处理时用零填充为256×256。图象的扭曲是由于静态磁场的不均匀造成的。
图13为用于获得异核差分SPINOE光谱的脉冲序列的示意图。首先利用一组π/2脉冲使质子磁化达到饱和，然后在脉冲之间施加z-轴磁场梯度以使磁化横向分量发生相移从而达到最佳饱和。π脉冲帮助减小由于自旋晶格弛豫引起的质子信号的增长。在施加质子π脉冲的同时还对129Xe共振施加一个π脉冲，从而使129Xe磁化与质子磁化同步反相。这种同步确保了在整个混合时间内能够累计SPINOE信号。质子π脉冲和氙π脉冲都是宽度为1ms的绝热脉冲BIR4。
图14A和图14B表示了，(A)在全氘化苯中0-1M p-硝基甲苯溶液在热平衡时的质子光谱；(B)在含有正负129Xe自旋极化的全氘化苯中0.1M p-硝基甲苯溶液的SPINOE质子光谱。总混合时间为2.1s。
图15表示在全氘化DMSO(二甲亚砜)中0.05M α-环糊精溶液在热平衡时的质子光谱；图16表示在负极化129Xe存在下的α-环糊精的SPINOE光谱；图17表示在正极化129Xe存在下的α-环糊精的SPINOE光谱。正极化129Xe限定为沿热平衡极化方向。总混合时间为1秒，每个光谱分别获取两个信号。
图18示意性表示用于对老鼠中超极化129Xe体内(in vivo)成象的过程。
图19为表示在对老鼠静脉注射氙/INTRALIPID_溶液之后对胸部和腹部摄取的一系列129Xe光谱的12次扫描中6次的平均值的129Xe光谱。
图20为129Xe成象实验的示意图，表示激励脉冲、片层选择脉冲、第一和第二梯度和信号探测之间的时序关系。
图21为以大约7秒的间隔拍摄的两维129Xe图象。这些图象显示出在老鼠后腿上部中的129Xe信号强度。
图22表示根据本发明设想的用于实现超极化惰性气体与一种流体混合的一种可能的装置。该装置有四个主要的分器件用于容纳流体10的一个容器、一个惰性气体储气容器20、一个气体输入口40、和用于将液体从容器60中取出的一个装置。储气容器与容器之间通过一个截流阀30连接。类似地，储气容器和气体输入口之间通过一个截流阀50连接。
发明及优选实施例的详细描述已经发现当将一种超极化惰性气体(例如129Xe)溶解在液体溶剂中时，可以观察到例如质子自旋极化从其热平衡与时间相关的偏移。磁化的变化，与惰性气体的自旋极化正相关或负相关，是核Overhauser效应(NOE)的一种无法预料的体现，是溶液质子与溶解的超极化惰性气体自旋之间正交弛豫的结果。溶液中两种核，1H和溶解的惰性气体的时间分辨磁共振图象表明质子磁化在包含自旋极化惰性气体的区域中是有选择地扰动的。因此，现在已经确定光泵激和核Overgauser效应能够有效地用于将增强极化从超极化惰性气体转移到液相物质，而无需对扰动自旋的射频辐照，这种效应被称为自旋极化感生核Overhauser效应(SPINOE)。因此，SPINOE效应能够用于有效地增强NMR的灵敏度，进而更好地测定液体溶液中分子的基本结构、构型和局部动态特性。
因此，根据一个方面，本发明提供一种用于分析包含一种NMR活性核的试样的方法。该方法包括(a)使试样与一种超极化惰性气体接触；(b)使用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置、或核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描试样；和(c)探测NMR活性核，其中NMR活性核是除惰性气体以外的一种核。
这里所用的术语“接触”可以与下列术语替换与…结合、添加到、溶解在、与…混合、从…经过、从…流过、引入、注入、吸入，等等。试样可以与液相、固相和气相的超极化惰性气体接触。此外，所研究的试样可以是液体、固体、液体与固体的组合物、或是固体与液体之间的边界层。在使试样与超极化惰性气体接触之前，需要使惰性气体凝固以保持超极化。此外，在磁场中凝固气体可以使超极化保持的时间明显比仅仅凝固气体所保持的时间长。这些惰性气体的凝固点温度是难以达到的，将这些气体冷却到其凝固点之上的某个温度也属于本发明的范围。这个过程包含在属于“凝固”的含义之中。与上述类似，这种冷却也可以在磁场中进行。
在与惰性气体接触之后，可以使用NMR、MRI或两者扫描试样。扫描试样以检测超极化气体对于试样中的NMR活性核子的作用。可以检测任何一种非惰性气体NMR活性核子。如这里所用的，“NMR活性核子”指的是那些具有非零自旋量子数的核子。这种NMR活性核子包括，但是并不限于，1H、13C、15N、19F、29Si、31P及其组合物。在优选实施例中，可以检测多种NMR活性核子。通过检测超极化惰性气体对于试样的作用，可以比较容易地分析试样的结构、化学性质、空间分布、等等。
根据另一个方面，本发明提供用于分析试样的一种方法，该方法基于这样一种发现，一种惰性气体可以与一种流体结合构成一种混合物，接着，又可以将该混合物输入到血液中或其它组织中，与此同时，惰性气体仍然具有较强的非平衡核自旋极化。因此，这种方法包括以下步骤(a)将一种超极化惰性气体与一种流体结合以构成一种混合物；(b)使试样与混合物接触；(c)使用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置或核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描试样、惰性气体或试样和惰性气体两者。
如这里所用的，术语“流体”包括，但是并不限于，水、盐水、磷酸盐缓冲盐水、含水缓冲溶液、碳氟化合物、水或有机溶剂的碳氟化合物溶液、含水碳氟化合物乳液、类脂物、类脂物有机溶剂的溶液、含水类脂物乳液、有机溶剂(例如，DMSO、乙醇，等)。“含水”包括用1H2O、2H2O、或3H2O制备的溶液和乳液。术语“流体”、“液体”和“液体载体”在本申请中可以互换。
根据优选实施例，惰性气体选自包括氙气、氦气、氖气、氪气及这些气体的混合物中。根据更优选的实施例，惰性气体是129Xe或131Xe。按照这种方法，需要将超极化惰性气体预先溶解在一种液体中，当超极化氙与生理液体接触时，例如，这样能够延长其弛豫时间。例如，如果将超极化气体注入血液中，首先需要将超极化气体溶解在一种类脂物、类脂物溶液或类脂物乳液中以构成一种混合物，然后将这种混合物注入到血液中。还可以将超极化惰性气体溶解在碳氟化合物、碳氟化合物溶液或碳氟化合物乳剂中。制备这种类脂物和碳氟化合物配方的方法对于本领域技术人员来说是熟知的。此外，还可以使用一种超极化惰性气体使一种液体极化，再使用这种液体作为造影剂或探测剂。例如，可取的是，通过将水与一种超极化气体结合使水极化，然后，用极化水作为造影剂或探测剂。还可以证明在使惰性气体超极化之前将惰性气体溶解在一种液体中是有利的。
根据再一个方面，本发明提供一种药物组合物，其中包含溶解在一种生理兼容液体载体中的超极化惰性气体。按照优选实施例，这种液体载体可以通过皮下、静脉、口服、腹膜、肌肉或吸入等方式将超极化气体导入。在某些更为优选的实施例中，液体载体适合于通过静脉注射方式导入生物体中。
如上所述，将超极化惰性气体与一种液体或一种液体载体结合，这种液体或液体载体可与待分析试样化学、生理或物质上兼容，或者，例如溶解尽可能多的惰性气体。适合用于本发明方法的液体包括，但是并不限于，水、盐水、等渗压缓冲溶液、类脂物、类脂物乳剂、有机溶剂、碳氟化合物血液替代液和其它在医学上安全的静脉注射或口服媒介，惰性气体在其中的弛豫时间应当足够长。
在优选实施例中，溶解惰性气体的液体是一种碳氟化合物或含水全氟化碳乳剂。优选的物质为全氟化碳化合物，包括，但是并不限于，全氟萘烷、全氟-1,3-二甲基环己烷、全氟己烷、全氟己基碘、全氟(甲基环己烷)、全氟(甲基萘烷)、全氟-2-甲基-2-戊烯、全氟壬烷、全氟辛烷、全氟丁胺和全氟三乙胺。对于使用全氟化碳化合物的唯一限制是，当需要在活的生物体内使用碳氟化合物时，所用碳氟化合物必须与所研究的生理系统相容。本领域技术人员很容易辨别一种碳氟化合物是否与生理系统相容。对于在活体外部的应用来说，这种相容性是有益的，但不是必须的。
特别优选的碳氟化合物是本领域熟知的那些可安全导入活体中的碳氟化合物。在可安全导入活体的碳氟化合物中，用作血液替代品的全氟化碳是最优选的。全氟化碳用作血液替代品是本领域所熟知的。(例如参见，Long,D.M.，等人，in BLOOD SUBSTITUTES,Chang,T.M.S和Geyer,R.D.,Eds.Marcel Dekker,Inc.New York,1989,pp411-420，该文以引用方式结合在本申请中)。用作血液替代品的全氟化碳包括全氟辛基溴(PFOB)、全氟三丁胺和全氟萘烷。碳氟化合物可以用作纯净液体、乳剂，或者它们可以溶解在一种溶剂中或在使用之前将它们注入辅剂中。
碳氟化合物乳剂可以用水、血浆、血液、缓冲剂或其它含水成分构成。生产药剂可用溶液和乳剂的方法对于本领域技术人员来说是熟知的，本领域中任何已知的制备这些混合物的手段都可以用于实施本发明。(参见，Nairn,J.G.,in REMINGGTON’S PHARMACEUTICAL SCIENCES,Vol.17,Gennaro,A.R.,Ed.,Mack Publishing Co.,Easton,PA,1985,pp.1492-1517，该文以引用方式结合在本申请中)。
用于实施本发明特别优选的液体为市售的血液替代品，例如PFB-1,PFB-2(联合制药公司)和FLUOSOL_。FLUOSOL_是由Alpha TherapeuticCorporation公司(Los Angeles,California,U.S.A)出品的一种静脉注射用全氟化碳乳剂，它是可以用于本发明方法的一种碳氟化合物血液替代品的实例。其它可以用于本发明的碳氟化合物和碳氟化合物配剂对于本领域技术人员来说是熟知的。
在另一个实施例中，惰性气体溶解在类脂物、类脂物溶液或类脂物乳剂中。术语“类脂物”指任何一种油或脂肪酸衍生物。油可以从蔬菜、矿物或动物源中获得。如在本申请中所使用的含义，术语“类脂物”还包括能够在含水媒质中形成双分子层，从而类脂物中疏水部分朝向双分子层，而亲水部分则朝向含水相的那些类脂物。亲水特性是由于存在磷酸根(phosphato)、羧酸基、硫酸根合、氨基、硫氢基、硝基和其它类似基团而产生的。疏水性可以通过包含以下基团而具有，所说基团包括，但不限于，长链饱和和不饱和脂族烃基和由一个或多个芳族基、环脂族基或杂环基取代的这类基团。优选的类脂物包括磷酸甘油酯和鞘脂类，其代表性实例包括磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酸、棕榈酰油酰磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺、二棕榈酰磷脂酰胆碱、二油酰磷脂酰胆碱、二硬脂酰磷脂酰胆碱或二亚油酰磷脂酰胆碱。其它缺少磷的化合物如鞘脂类和甘胆酸鞘脂类族(glycosphingolipid families)化合物也属于类脂物。此外，上述的两亲性类脂物可以与其它类脂物包括甘油三酯和固醇混合。
特别可取的是，在实施本发明时使用市售的类脂物制备剂，例如10％或20％的INTRALIPID_(Clintec Nutrition,Deerfield,Illinois,U.S.A)，或10％或20％的LIPOSYN_Ⅱ，或者10％或20％的LIPOSYN_Ⅲ。LIPOSYN_是Abbot Laboratories(Abbot Park,Illinois,U.S.A)公司出品的一种静脉内注射脂肪乳剂，是可以用于本发明方法的类脂物乳剂的一个实例。类脂物乳剂是特别有用的，因为它们溶解惰性气体，并且，还因为惰性气体在这种类脂物中具有较长的弛豫时间。适用于本发明的其它类脂物、类脂物混合物和液体对于本领域技术人员来说是显而易见的。
应当指出，常常需要在混合物中添加一种氘化或部分氘化的溶剂。此外，肌肉注射辅剂，如DMSO、维生素E等，都可以用作惰性气体载体。大部分此类液体都很容易从市场上购得。其它可作为惰性气体溶剂以及具有适用于药剂或在药理学上有用的特性的化合物对于本领域技术人员来说是显而易见的。
在一些优选实施例中，溶解惰性气体的液体具有特定或有选择地将生物体的特定器官或组织的性质作为目标。在本领域中熟知许多种实现这种特定性的方法。例如，已知利用网状内皮细胞(RES)可以迅速地清除类脂物泡(脂质体)。因此，在一个实施例中，通过将RES导入脂质体中而使惰性气体对RES具有特定性。已知某些脂质体(“暗脂质体”，stealth liposomes)能够避开RES细胞，并且当它们存留在生物体内时基本保持在血管内。因此，在另一个实施例中，将超极化惰性气体导入“暗脂质体”中，并用作血管造影剂。用于本发明的其它脂质体包括对温度敏感的脂质体、具有特定敏感性的脂质体(target-sensitive liposomes)和对pH值敏感的脂质体。这些脂质体每一种都是本领域熟知的。(参见，Oku,N.LIPOSOMES,PP.24-33,in POLYMERICDRUGS AND DRUG DELIVERY SYSTEMS,Dunn,R.L.，等人，编ACSSymposium Series 469,American Chemical Society,Washington,D.C.,1991，该文以引用方式结合在本申请中)。
使用对于细胞表面上的受体具有化学亲和力的分子将药剂传递到这些细胞中在本领域是熟知的。将惰性气体溶解在包含对于特定组织或细胞具有亲和力的分子的液体中和利用这种亲和力将惰性气体传送到组织和细胞中属于本发明的范围。上述的每个实施例都可以用于生物体内或体外。
上述有关脂质体的使用和极化惰性气体以受体为介体的特定性的讨论作为用于与本发明结合的方法和输送媒介物的实例。这些实例并不是对本发明或本发明实施例的限制，其中惰性气体以特定组织为目标。
在构成惰性气体/液体混合物之后，就可以利用本领域技术人员熟知的多种技术使试样与之结合。例如，如果试样是乳房组织或乳房的一部分，则可以通过例如注射、吸入或摄入将混合物导入组织中。更具体地说，根据其用途的不同，可以将惰性气体/液体混合物注射到被检测组织中(如果临床上没有危害)，或者经血管传输到选定的组织。此外，惰性气体/液体混合物可以吞咽下去，或者，在某些医疗成象应用中可以吸入惰性气体/液体气雾剂。在已经将惰性气体/液体混合物导入试样中之后，利用核磁共振和/或磁共振成象扫描试样，以研究分子结构和/或空间分布。应当指出，可以一次将惰性气体/液体混合物导入，或者，连续地或准连续地导入。
如在本申请中所使用的含义，术语“试样”意指形形色色的结构，可以包括一个生物体。“试样”还包括有机单体和聚合物、无机单体和聚合物、生物高聚物，其中包括，但是不限于，低聚肽、多肽、抗体、蛋白质、低(聚核苷酸、核糖核酸高聚物(例如RNA,mRNA,tRNA)和脱氧核糖核酸(DNA)，其中包括，但是不限于，染色体、基因和质粒。术语“试样”还包括碳水化合物，其中包括低聚糖、聚糖、糖蛋白和粘多糖、类脂物、血液、碳水化合物、催化剂、聚合物、多孔材料(例如，表面、化学反应床、储油层中的岩石)，等等。“试样”可以天然地包含NMR活性核子、NMR非活性核子或NMR活性核子与NMR非活性核子的组合物。使用本发明的方法，很容易分析这种试样的结构、化学性质、空间分布等特性。可以使用本发明方法进行分析的其它试样对于本领域技术人员来说是显而易见的。
如在本申请中所使用的含义，术语“生物体”指的是包括例如动物、植物、微生物和真菌在内的生命形式。本发明的方法可以用于活的生物体或死的生物体。术语“生物体”还包括生物体的一部分(例如，器官、器官组、组织，等)，或者是处于正常位置的，或者是从它们所在生物体上取下的。
术语“器官”指的是一个生物体的具有单一功能的部分，包括心脏、肝、肺、血液、大脑、肌肉、等等。“器官组”的含义如在本申请中所用，指的是协同工作的器官系统，例如网状内皮系统、中枢神经系统、末梢神经系统、消化系统，等等。如在本申请中所使用的含义，“组织”意指细胞或相似细胞的集合体，例如，血液、骨骼、肌肉、神经，等等。应当认识到，在术语“器官”、“器官组”、和“组织”所包括的结构之间存在某些重叠；这些术语并不彼此排斥。
如在本申请中所使用的含义，术语“有机单体”指小的有机分子(例如含碳分子)，其分子量一般为大约15道尔顿至大约1000道尔顿。除了对于所述的分子重量范围的限定，对于这些分子的结构或功能没有任何限定。这个术语包括合成的和天然的化合物。此外，“有机单体”可能还包括一个或多个无机分子，如在有机螯合物、螯合树脂、有机金属化合物和金属卜啉(metalloporphyrins)中发现的。
作为与术语“有机单体”的互补，并且定义相似的是术语“有机聚合物”，它包括分子量大于1000道尔顿的有机分子。这个术语包括合成和天然的化合物。有机聚合物可以包括例如工程塑料、纺织聚合物和具有医疗用途的聚合物。
如在本申请中所使用的含义，术语“无机单体”指的是小的无机分子，其分子量一般在大约1道尔顿至1000道尔顿的范围内。“无机单体”是术语“有机单体”的补充，因此，包括其结构中不含有碳的分子。作为与术语“无机单体”的互补，并且定义相似的是术语“无机聚合物”，它包括分子量大于1000道尔顿的无机分子，并且包括合成的和天然的聚合物质。
如在本申请中所使用的，术语“蛋白质”的含义为在本领域中公知的含义，它包括例如结构性蛋白质和功能性蛋白质(即酶)。“蛋白质”包括采用本领域熟知的任何方法生产和分离出的天然的和合成的蛋白质。非天然的蛋白质也包括在该术语含义中。因此，蛋白质在其肽主链的氨基酸序列中可以包括例如一个或多个突变。蛋白质还可以包括作为探测剂或为改变蛋白质特性而加入的非天然基团。这些基团可以通过化学方式或者对蛋白质或其亚单位之一进行微生物改性而加入。术语“蛋白质”的其它引申含义对于本领域技术人员来说是显而易见的。
术语“低聚肽”的含义，如在本申请中所使用的，指的是由2-10个氨基酸单位构成的肽。本申请中所使用的“多肽”的含义是指含有超过10个氨基酸亚单位的肽。“低聚肽”和“多肽”都包括天然的和合成的肽，其中可以仅仅包含天然氨基酸、或仅仅包含非天然氨基酸、或者是天然的和非天然的氨基酸的组合物。
如在本申请中所使用的含义，术语“低聚核苷酸”指由2-20个核酸构成的合成或天然核苷酸结构。低聚核苷酸可以包括核糖核酸、脱氧核糖核酸或其组合物。“低聚核苷酸”可以仅由天然核酸构成，或者仅由非天然核酸构成或者是天然和非天然核酸的组合物。
如在本申请中所使用的含义，术语“核糖核酸”、“脱氧核糖核酸”、“染色体”和“基因”具有本领域技术人员所公知的含义，还可以包括改性的类似物，这些类似物可以采用本领域熟知的任何方式生产，其中所说生产方式包括，但是不限于，化学合成和微生物合成。
术语“碳水化合物”的含义如在本申请中所使用的，指的是天然的和合成的糖类、寡糖、多糖、糖蛋白(glycoprotein)和粘多糖(mucopolysaccharides)。可以使用本领域熟知的任何生产和分离碳水化合物的方法提供用于本发明的碳水化合物。
如在本申请中所使用的含义，术语“惰性气体”指稀有气体或惰性气体，这些气体属于元素周期表中零族。适用于本发明方法的惰性气体包括具有核自旋，即，非零核自旋的那些惰性气体。这类惰性气体的例子包括，但是不限于，3He、21Ne、83Kr、129Xe、131Xe及其组合物。在一个优选实施例中，所使用的惰性气体为129Xe、131Xe或3He。虽然一般来说这些惰性气体是优选的，但是在不同的应用中其它惰性气体可能是优选的，因为它们具有不同的物理、化学缔合和磁共振特性。此外，在某些情况下，使用惰性气体的组合物，例如129Xe和3He可能是可取的。
根据又一个方面，本发明提供用于研究一种惰性气体在一种组织中特性的方法。该方法包括(a)使一种惰性气体超极化；(b)将超极化惰性气体溶解在一种生理兼容液体载体中以构成一种混合物；(c)使这种组织与由步骤(b)获得的该混合物接触；和(d)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置、或两者扫描该组织，从而研究组织中惰性气体的特性。
根据本发明的这个方面，所研究的组织可以是生物体的任何组织。可以在该组织处于原来位置或从该组织所属的生物体上取下的状态下进行研究。在本发明的这个方面的优选实施例中，所研究的组织是中枢神经系统或末梢神经系统组织。在特别优选的实施例中，组织是中枢神经系统的一部分，如大脑、脊髓、血液-大脑屏障或脑脊髓液，所研究的组织中惰性气体的特性可以是功能特性或是结构特性。
如在本申请中所使用的含义，术语“特性”包括NMR参数、功能特性和结构特性。术语“NMR参数”指频率偏移、化学特性偏移、标量耦合、偶极耦合、弛豫时间(例如，T1、T1p、T2、T2*等)。从所观测系统的NMR参数可以获知功能特性和结构特性。
术语“功能特性”的含义如在本申请中所用的，指的是一种惰性气体与一种组织发生相互作用的特性，包括，但是不限于以下特性，例如惰性气体在细胞内代谢区与细胞外代谢区之间的交换机制、惰性气体在一种组织的细胞内和细胞外代谢区之间的交换率、惰性气体在细胞内和细胞外代谢区的驻留时间、惰性气体对于细胞的化学特性或新陈代谢特性的影响和惰性气体在组织的细胞内和细胞外代谢区中的浓度。
如在本申请中所使用的含义，“结构特性”指的是一种惰性气体与一种组织发生相互作用的特性，包括，但是不限于以下特性，例如惰性气体在一种组织的细胞内和细胞外代谢区的空间分布，和细胞外、细胞外或将细胞内外分开的隔膜上结合惰性气体点的位置和识别。
在一个优选实施例中，所研究的特性是惰性气体在一种组织的细胞内与细胞外代谢区之间的交换机制。在另一个优选实施例中，所研究的组织为末梢神经系统或中枢神经系统。在一个更加优选的实施例中，所研究的特性是惰性气体在中枢神经系统组织的细胞内与细胞外代谢区之间的交换机制。
根据再另一个方面，本发明提供用于增加与一种生理液体接触的超极化惰性气体弛豫时间的方法。根据这一方面，本发明的方法包括(a)通过将超极化惰性气体溶解在一种液体中构成一种超极化惰性气体中间溶液，超极化惰性气体在这种中间溶液中的弛豫时间比在生理液体中长；以及(b)使生理液体与所说中间溶液接触。
如在本申请中所使用的含义，术语“生理液体”包括存在于生物体中的各种细胞内和细胞外体液。这种生理液体包括，但是不限于，血液、血浆、淋巴液、脑脊髓液、胆汁、唾液、胃液、玻璃体液、细胞浆，等等。
如在本申请中所使用的含义，术语“弛豫时间”为已经跃迁到一个较高能态的一个原子核回到它最初被激发的能态所需时间。考虑到堆积现象，术语“弛豫时间”为其波尔兹曼分布已经受到所施加能量的扰动的一个原子核试样重新建立波尔兹曼分布所需的时间。弛豫时间一般表示为T1和T2。T1为纵向弛豫时间，而T2为横向弛豫时间。其它相关的弛豫时间包括，但是不限于，T1p(对于纵向弛豫率的顺磁贡献)和T2*(包括B0不均匀性影响的横向弛豫时间)。如在本申请中所使用的含义，术语“弛豫时间”指上述所有弛豫时间或是其中一种。其它弛豫时间对于本领域技术人员来说是显而易见的。关于核弛豫的详尽论述可参见Banci,L，等人所写论文NUCLEAR ANDELECTRON RELAXATION,VCH,Weinheim,1991，该论文以引用方式结合在本申请中。
如上所述，根据本发明这个方面的一个优选实施例，溶解惰性气体的液体是一种碳氟化合物或类脂物。在一个更加优选的实施例中，所用液体为碳氟化合物或类脂物的一种含水乳剂，或者是一种碳氟化合物与一种类脂物的组合物的含水乳剂。
根据另外一个方面，本发明提供用于测量从一个超极化惰性气体原子传递到一个非惰性气体NMR活性核子的信号的一种方法，该方法包括(a)使非惰性气体NMR活性核子与超极化惰性气体原子接触；(b)向位于一个磁场中的非惰性气体NMR活性核子施加射频能量；和(c)利用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置、或两者测量从超极化惰性气体原子向非惰性气体NMR活性核子传递的信号。
在优选实施例中，非惰性气体核子是与生物相关的核子，例如，但是不限于，1H、13C、15N、31P等等。在一个特别优选的实施例中，所说核子为质子。
根据再又一个方面，本发明提供用于一个系统的异核差分自旋偏振感生核Overhauser效应(SPINOE)NMR的一个脉冲序列，所说系统包括超极化惰性气体和非惰性气体NMR活性核。该脉冲序列包括(a)非惰性气体NMR活性核π/2脉冲；(b)与惰性气体π脉冲同时施加的一个非惰性气体NMR活性核π脉冲；和(c)一个非惰性气体NMR活性核π/2脉冲。
如本申请中所使用的含义，术语“非惰性气体π脉冲”表示频率为一种非惰性气体核子共振频率的一个射频脉冲，该脉冲传输到所说系统中，其具有足够长的持续时间以将非惰性气体核子试样的整体磁化方向转动180°。类似地，“惰性气体兀脉冲”表示足以将惰性气体试样的整体磁化方向转动180°的射频脉冲。“非惰性气体NMR活性核子π/2脉冲”可以将质子试样的整体磁化方向转动90°。将这些脉冲传输到所观察系统中的方法对于本领域技术人员来说是熟知的。
应用于本发明这个方面的脉冲序列可以用于获得关于极化状态从超极化惰性气体传递到非惰性气体NMR活性核如一个质子有关的信息。在一个优选实施例中使用脉冲序列研究一种与超极化惰性气体结合或以其它方式与惰性气体相互作用的结构区域。在另一个优选实施例中，使用脉冲序列研究高分子如蛋白质、多糖、多肽、低聚核苷酸、或能够以NMR或MRI可识别的方式与超极化惰性气体相互作用的任何分子。在又一个优选实施例中，在将超极化惰性气体导入组织之前将其溶解在一种液体中。
在另一个实施例中，本发明提供用于制备超极化惰性气体溶液的一种装置。该装置包括用于盛放液体的一个容器；用于储存超极化惰性气体的一个储气容器，该储气容器通过第一截流阀与所说盛放液体的容器连通，该储气容器的形状使之可以独立于所说容器进行冷却；通过第二截流阀与所说储气容器连通的一个进气口；和用于与截流阀无关地从所说盛放液体的容器中抽取液体的装置。
该装置可以由任何材料制成，但是这种材料应当不会加快超极化气体的弛豫，并且必须能够承受住凝固惰性气体的温度和在冷却惰性气体的温度与室温或更高温度之间的变换。因此，该装置可以由例如玻璃、硼硅酸耐热玻璃(pyrex)、金属或塑料制成。
对于各个部分的形状和大小的限制是最少的。唯一必需的限制是惰性气体储气容器s能够与液体容器分开冷却。因此，使用液体容器的侧臂、长颈瓶或其它下挂式容器作为储气容器属于本发明的范围。储气容器还可以利用连接件诸如连接管、软管、毛玻璃、球窝节、或者本领域技术人员熟知的其它连接件与整个装置的其它部分分开。当使用大量的气体和/或液体时，该装置最好是由分立单元(即，储气容器和液体容器)组成，这些分立单元可以按照需要组装和拆装以利于实现该装置的目的。
该装置的主要单元之间的截流阀包括本领域中熟知的能够可逆地将两个相连的容器分开的器件。因此，使用活塞、隔膜、阀门、单向阀、泄压阀等都属于本发明的范围。类似地，将液体从液体容器中取出的器件可以由本领域已知的任何器件构成从而可逆地密封一个容器。这些包括，但是不限于，活塞、隔膜、膜片、敲击密封尖嘴、帽盖、管塞等。
在一个优选实施例中，该装置还包括用于凝固盛放超极化惰性气体的储气容器中的超极化惰性气体的器件。该凝固器件可以由本领域已知的用于达到足够低温度以凝固惰性气体的器件构成。这些包括，但是不限于，液态气体、循环浴和凝固器。
在另一个优选实施例中，该装置还包括用于向凝固的超极化惰性气体施加磁场以在构成超极化惰性气体与液体的混合物之前保持超极化状态。在本发明中可以使用本领域已知的任何用于施加磁场的装置。这些包括，但是不限于，永磁体、电磁铁、超导磁体和NMR光谱仪或成象装置中的磁体。
如上所述，用于本发明的惰性气体相对于其正常波尔兹曼极化来说是超极化的。根据本发明可以利用本领域技术人员已知和使用的任何一种方法使惰性气体超极化。这些方法包括，但是不限于，与光泵激碱金属蒸汽的自旋交换相互作用和从亚稳态的直接泵激。本领域技术人员应当理解，还可以采用其它方法使本发明的惰性气体超极化。在一个优选实施例中，采用圆偏振光进行光泵激来产生超极化气体。
术语“光泵激”(optical pumping)一般是指利用光使原子在其精细与超精细结构能级之间的再分布。所用光可以是圆偏振光、各向异性光、过滤光或经过幅度调制的光。在优选实施例中，所用光为圆偏振光。使用本领域技术人员已知的相对简单的技术，能够产生原子、核子和电子的有用偏振状态。例如，参见Carver,T.R.,Science,141(3581):599-608(1963)，从中可以看到有关光泵激的详细介绍。此外，适合用于本发明的光泵激装置的详细内容记载在以下论文中，例如Raftery，等人，Phys.Chem,97:1649(1993)；和Song，等人，J.Magnet.Res.115:127-130(1995)。上面所引证的文献以引用方式结合在本申请中。
光泵激和自旋交换可以在不施加磁场的情况下进行，但是可取的是利用1G或更大的普通磁场进行。在场强为若干特斯拉的NMR磁腔中进行光泵激也是可能的。可以达到的最大稳态核偏振依赖于表征与碱金属的自旋交换的时间常数和表征由于例如与泵激元件表面接触产生的弛豫(T1)的时间常数。例如，采用129Xe,T1=20分钟，20-40％的极化是十分可行的，90％或更多的极化应当是可达到的。
通过与光泵激碱金属蒸汽之间的自旋交换使惰性气体超极化开始时用波长为碱金属第一主共振光(D1)波长(例如对于Rb为795nm)的圆偏振光照射碱金属蒸汽。于是2S1/2基态原子被激发到2P1/2能态，其后衰变返回到基态。如果在沿入射光D1方向的适合的磁场(10高斯)中进行光泵激，则原子在基态与激发态之间的循环变化使得原子极化接近100％。这种极化主要是由所有碱金属的单个价电子特性体现的；这基本上意味着所有这些电子的自旋随泵激光螺旋性的不同(右旋或左旋圆偏振状态)而不同，或者与磁场同向，或者与磁场反向。如果还存在具有非零核自旋的惰性气体，则碱金属原子可能与惰性气体原子发生碰撞，在这个过程中价电子的极化通过自旋反转传递到惰性气体核子。这种自旋交换是由于电子与惰性气体核子之间的费米接触超精细相互作用产生的。通过使用泵激光维持碱金属极化接近100％，借助于这种自旋交换过程可以使大量的各种惰性气体实现强的非平衡极化(5％-80％)。例如，目前使用的钛蓝宝石激光器理论上可以提供1g/hr(200cc-atm/hr)的强极化129Xe。使用现代二极管阵列激光器甚至可以获得更多的产量。
能够在光泵激系统中用作自旋交换伴偶的碱金属包括任何一种碱金属。适合用于这种超极化技术的碱金属包括，但是不限于，23Na、39K、85Rb、87Rb和133Cs。在一个目前优选的实施例中，所使用的碱金属为同位素85Rb和87Rb。
除了采用光泵激技术以外，还可以使用亚稳定性交换技术使惰性气体超极化。亚稳定性交换技术是对例如3He直接进行光泵激，而无需一种碱金属作为中介物。亚稳定性交换方法一般通过弱的射频放电将基态3He原子(11S0)激发到一个亚稳态(23S1)。然后利用圆偏振光，在3He的情况下波长为1.08μm，光泵激23S1原子。光泵激使之跃迁到23P能态，然后23P原子衰变到亚稳态，产生强极化。23S原子的极化状态通过亚稳态原子与基态原子之间的亚稳定性交换碰撞迅速传递给基态原子。亚稳定性交换光泵激同样可以在自旋交换泵激工作的低强度磁场中工作。可以实现相同的极化效果，但是通常在较低的压力下，例如大约0-10乇。
在超极化之前，并且独立于超极化过程，通过使每种惰性气体中NMR活性同位素的比率增加到超过惰性气体中这种可成象同位素的自然丰度而进一步增强惰性气体磁共振信号。例如，在129Xe的情况下，其自然的同位素丰度为26％，通过增加可以提高大约4倍，即达到100％的129Xe。因此，尽管超极化在信号增强中起到非常大的作用，但是同位素富集对于本发明的最终效率也具有显著的贡献。
按照本发明的方法，超极化惰性气体，例如129Xe可以以气态、液态或固态形式传送。通过先在磁场中将惰性气体凝固在小体积中然后再加热可以很方便地获得高压惰性气体。然后将惰性气体与一种液体组合构成一种混合物。通过用力地摇动以使惰性气体迅速地均布在液体中，或者通过本领域技术人员熟知的其它气/液混合的有效方式制成这种混合物。或者，可以使用本领域技术人员已知的多孔膜或其它装置使溶液中的惰性气体饱和，只要不明显地减少惰性气体的弛豫时间。应当指出，使惰性气体凝固的目的还在于净化惰性气体，例如，去除或分离出在超极化过程中使用的有毒碱金属，并延长在储存和运输过程中惰性气体的超极化状态维持时间。
按照本发明的方法，利用核磁共振光谱法和磁共振成象法探测可以用于分析、表征或成象一个试样或其一部分的参数。用于此目的的试样、超极化惰性气体或包括这种试样和超极化惰性气体的系统的参数包括，但是不限于，化学位移、T1弛豫、T2弛豫和T1p弛豫。在一个优选实施例中，对多个参数进行探测。此外，在本发明的方法中可以采用多种方法采集和处理核磁共振数据。这类方法包括，但是不限于，一维和多维光谱法，富利叶成象法、平面成象法、回波-平面成象法(EPI)、投影重构成象法、自旋-扭曲富利叶成象法、稳态梯度恢复采集(GRASS)成象法，也称为快速低角度拍摄(FLASH)成象法，和混合成象法。为了成象，优选的方法包括FLASH或GRASS成象法和EPI方法，因为它们能够通过快速数据采集成象，从而保持惰性气体的极化。
本发明的方法可以用于无数的各种应用中，这些应用包括，但是不限于，组织灌注定量；空气空间的较长滞留时间成象；新型质子造影剂；新型病理生理学探测剂；NMR在肠胃临床用药方面的新应用；新型无毒MRI血管造影剂；和通过将极化状态传递到分子中的质子或其它核子而进行的蛋白质结构阐明。此外，溶解在生理相容载体中的惰性气体可以用于研究肺部空隙解剖、组织灌注和MRI血管造影。并且，在本申请所公开的方法范围内，本发明还具有以下优点。一般来说，超极化惰性气体NMR可以作为使用放射性同位素如127Xe和133Xe的成象技术的一种替代技术。超极化惰性气体MRI的优点是病人吸收的辐射剂量为零，而且，具有更佳的空间分辨率。此外，惰性气体NMR对于脑研究是有用的。特别是，超极化惰性气体的磁共振成象能够更好地探测中枢神经系统灌注，因此，可以用作诊断中风的一种工具和作为功能成象的流动特效工具。本领域技术人员很容易理解本发明的方法还可以用于各种其它目的。
本领域技术人员很容易理解惰性气体最好保存在基本密封的一个系统中以防止泄漏到大气中。一般来说，密封容器可以包括通向和导离试样的惰性气体源，如气罐或压缩气体罐、以及回收装置。此外，可以将惰性气体在超极化状态下保存较长时间。能够低温存储超极化惰性气体的存储系统最好能够维持在使惰性气体处于凝固状态的温度。例如，在≥500高斯的磁场中和4.2K(液氦温度)至77K(液氮温度)范围内可以使129Xe保持在凝固状态，在4.2K温度下T1大约为1百万秒(10天)，在77K温度下T1大约为1万秒。其中所需的磁场可以利用永磁体、较大的电磁铁或超导磁体产生。本领域技术人员很容易理解，已经通过与一种碱金属自旋交换而超极化的惰性气体可以在除去用于自旋交换超极化方法中的碱金属之前或之后存储起来。在铷或其它碱金属对系统工作特性产生干扰的各种情况下，在将惰性气体导入试样之前应当利用本领域技术人员已知和使用的技术将碱金属除去。
下面通过具体实例更加详细地描述本发明。以下实例只是为了进行示例性说明，而不是以任何形式对本发明进行限定。
实例材料和方法下面的材料和方法用于下述的实例中。
图1表示用于氙混合和传输的溶解步骤中的混合器的设计结构。该混合器具有一个小的侧臂，可以利用一个旋塞阀将其与主空间隔开。混合器中充有正常丰度或同位素富集的氙(80％129Xe,EG&G Mound,Miamisburg,Ohio,U.S.A)。在将氙导入混合器之前进行激光器极化。简而言之，在一个30cc的圆柱形玻璃泵激腔(直径约为30毫米)中对大约5×10-4摩尔的80％同位素富集129Xe进行光泵激。在光泵激之前，用SURFASIL_(Pierce Chemical Co.,Florence,Massachusetts,U.S.A.)清洁和涂覆泵激腔；然后将泵激腔抽真空到10-6乇，并且在干氮环境中加入一滴熔融的铷。利用一台1.3瓦特的连续波钛蓝宝石激光器(794.7nm)进行光泵激20-30分钟，实例材料和方法下面的材料和方法通用于下述的实例中。
图1表示用于氙混合和传输的溶解步骤中的混合器的设计结构。该混合器具有一个小的侧臂，可以利用一个旋塞阀将其与主空间隔开。混合器中充有正常丰度或同位素富集的氙(80％129Xe,EG&G Mound,Miamisburg,Ohio,U.S.A)。在将氙导入混合器之前进行激光器极化。简而言之，在一个30cc的圆柱形玻璃泵激腔(直径约为30毫米)中对大约5×10-4摩尔的80％同位素富集129Xe进行光泵激。在光泵激之前，用SURFASIL_(Pierce Chemical Co.,Florence,Massachusetts,U.S.A.)清洁和涂覆泵激腔；然后将泵激腔抽真空到10-6乇，并且在干氮环境中加入一滴熔融的铷。利用一台13瓦特的连续波钛蓝宝石激光器(794.7nm)进行光泵激20-30分钟，并利用控制温度的氮气流使泵激腔的温度保持在60-80℃。一般来说，这种装置产生氙极化量在5-10％的范围内。
在激光器极化之后，在由一个小的永磁体产生的大约50mT的磁场中在液氮温度下将极化的129Xe凝固在侧臂中。在凝固步骤中使用磁场是为了防止氙极化的衰变。使氙升华，然后导入溶液中。混合器的小体积能够使氙气压力达到几个大气压，有助于增加溶液中氙的浓度。在溶解过程中，用力地摇动容器以帮助氙气的溶解。利用一个注射器通过一个高压橡胶隔膜将所得的氙溶液抽出。在对试管中试样进行溶液NMR研究的那些实例中，立即将氙注入包含待研究试样的一个NMR试管中。发现在注入过程中极化的衰减是不明显的。
实施例1这个实例介绍含有溶解在含水盐水中的超极化129Xe的试样中129Xe的NMR。在H2O盐水和D2O/盐水中测量氙的T1。
在一个敞口的NMR试管中将盐水和超极化129Xe混合。所用盐水中NaCl的重量浓度为0.9％。如在上面的材料和方法一节中所述，将129Xe溶解在盐水中。氙在盐水中的溶解率较低，其Ostwald系数仅为0.0926(在1个大气压下溶解在1升液体中的氙的标准温度和压力体积；1atm=101.3kPa)。在H2O/盐水中，氙的T1非常长(在9.4K温度下为66秒)。图2显示了在D2O盐水中129Xe溶液的129Xe的NMR光谱。在含D2O的盐水中，氙的T1约为1000秒。因此，在H2O盐水中氙较短的T1是由于超极化氙电子与质子核自旋之间的双极耦合造成的。
实施例1用实验说明溶解在含水溶液中的超极化氙的129Xe光谱的获得和特征谱线。
实施例2这个实施例用实验证明使用氙的NMR研究氙在人体血液试样中细胞内代谢区与细胞外代谢区之间的分配。利用超极化氙和未极化氙测量人体血液中的氙NMR。
2.1材料和方法将从志愿者身上抽取的新鲜血液沉积几个小时，再滗析掉一部分血浆，从而制备出人体血液试样。去除的部分大约占血液试样总体积的30％。在去除一部分血浆之后，将氙饱和的盐水(1毫升)注入红血细胞(RBC)试样(1毫升)中，并测量129Xe的NMR。NMR光谱是在一台Bruker AM-400光谱仪上测得的。
2.2结果用一份RBC试样测得非极化氙的NMR光谱(图3A)。需要对大量的信号进行平均处理以获得具有可接受的信噪比的光谱。光谱采集时间超过1.5小时，经过了520次扫描。明显形成对比的是，如果使用经过激光极化的129Xe，则经过一次扫描即可获得具有优异的信噪比的光谱(图3B)。通过使用激光极化的129Xe所获得的信号增强大约是使用非极化的129Xe获得的信号幅值的3个数量级。
在RBC试样中的激光极化和非极化129Xe的NMR光谱都显示出两个峰值216ppm和192ppm。216ppm峰是由扩散到RBC中的129Xe形成的。192ppm峰是由保留在细胞外和盐水/血浆混合物中的129Xe产生的。RBC中和盐水/血浆中氙的化学位移之间的明显差别主要是由于氙与血红蛋白结合产生的。
因此，通过使用激光极化氙能够迅速地判别129Xe在细胞内和细胞外的数目。此外，在对包含激光极化129Xe的试样测得的光谱信噪比的显著提高使得能够对氙从盐水/血浆混合物中转移到RBC中进行实时的动态观测。
实施例3实施例3解释使用NMR光谱法观测激光极化的129Xe在含有红血细胞和血浆的试样中细胞内与细胞外之间混合的动态过程。
3.1材料和方法如实施例1和实施例2中所述，分别制备一份激光极化氙的盐水试样和一份RBC试样。在将氙/盐水混合物注入血液之后，使用小倾角的短射频脉冲获得作为时间的函数的129XeNMR光谱。NMR光谱是在一台BrukerAM-400光谱仪上测得的。
3.2结果这个实验的结果表示在图4中。在图4中，主图表示RBC中和盐水/血浆中氙信号的时间相关特性，已经利用总信号对其进行了归一化处理。RBC信号的起始上升和盐水/血浆信号的下降指示出在混合过程中氙从盐水/血浆混合物向RBC的转移。在第一秒时间内，RBC信号的上升和盐水/血浆信号的减小描述了在混合过程中氙从盐水/血浆进入RBC的动态过程。在混合过程中RBC和盐水/血浆信号的时间相关特性可以用一个指数形式的函数描述f(t)=A+B(exp(-t/T))(2)其中A和B为常数，这个函数的时间常数(T)经过测算约为200毫秒。
信号增加(大约1秒)可能是由于经过强烈的混合摇动之后富集氙的血液从样品管壁进入探测线圈产生的。氙从水转移到红血细胞中是显然的。这个过程的时标为170±30毫秒。当将1cc的盐水与1cc的红血细胞混合时，两个峰积分的平衡分布约为50％。显然，两个峰以相同的速率常数衰减(大约5秒)。而利用常规的NMR测得的血液中氙的自旋-晶格弛豫时间对于两个峰得到不同的衰减速率。这或许是由于在常规实验中采集数据所需的12个小时或更长时间里红血细胞的沉积产生的假象。在将红血球从血浆中分离出来之后，在两个代谢区之间的氙交换效率是非常低的，并观测到两种不同的弛豫时间。当将红细胞与血浆混合时，交换速度之快足以获得两个峰的相同的T1。我们已经测得的交换速率值与这个模型是一致的。因为实验是在敞口的采样管中进行的，所以对于信号衰减的其它影响可能来自氙转移到空气中。当将溶液通过血管注入组织中时这种机制不起作用。
图4中的插图表示光谱中两个峰的氙信号积分的时间相关特性。从衰减开始2秒之后，发现两个部分的T1大约为5.0秒。在将氙/盐水溶液注入并混合之后，在第一秒时间内氙信号总强度的起始上升主要是由于含有氙的血液/血浆/盐水混合物从采样管壁沉降到探测线圈区域造成的。因为在NMR测量开始时，试样不可能充分混合和达到均衡，所以在上述实例中获得的数据主要反映了氙在RBC与盐水/血浆之间的混合过程。
这个实例说明了使用本发明的技术研究惰性气体在组织的细胞内和细胞外代谢区之间交换的动态过程的可行性。
实施例4实施例4描述了使用NMR光谱法测定氙在RBC与盐水/血浆之间的固有交换率。
4.1材料和方法如实施例1和实施例2中所述，分别制备一份激光极化氙的盐水试样和一份RBC试样。在将氙/盐水混合物注入血液之后，使用小倾角的短射频脉冲获得作为时间的函数的129XeNMR光谱。NMR光谱是利用一台CMX无限光谱仪(Chemamagnetics-Otsuka Electronics,Fort Collins,CO,U.S.A.)在4.3特斯拉的磁场中测得的。
4.2结果通过有选择地使氙盐水/血浆NMR谱线倒相并观测两个信号的恢复测量出在RBC/盐水/血浆试样的细胞外和细胞内代谢区之间的氙交换速率。有选择的倒相(selective inversion)是利用以盐水/血浆信号频率为中心的一个宽度为1毫秒的幅度调制高斯脉冲实现的。这个脉冲还使RBC和盐水/血浆峰值的绝对信号强度减小大约50％。在倒相脉冲之后施加一个1毫秒宽度的场梯度脉冲以使横向磁化分量相移。在倒相脉冲之后，采用小倾角(20°)以固定时间间隔获取氙的光谱。在将氙/盐水溶液加入RBC试样之后，在施加倒相脉冲之前延迟3秒钟，以确保氙/RBC系统充分混合和均衡。实验的结果以曲线形式显示在图5A和图5B中。
图5A表示在施加倒相脉冲之前13毫秒的初始平衡光谱，和在选择倒相脉冲之后测量的三组光谱。其中通过盐水/血浆信号幅度的增大和RBC信号幅度相应减小表示氙从RBC至盐水/血浆的交换。信号SRBC和Sp1可以由下式表示SRBC=(SRBC0+Sp10)τRBCτRBC+τD1+S0exp(-tτ),------(3)]]>Sp1=(SRBC0+Sp10)τp1τRBC+τp1-S0exp(-tτ),------(4)]]>S0=SRBC0τp1τRBC+τp1-Sp10τRBCτRBC+τp1,-----(5)]]>其中τRBC和τp1为氙在RBC和盐水/血浆中的滞留时间常数，1/τ=1/τRBC+1/τp1。S0RBC和S0p1分别为刚刚施加倒相脉冲之后RBC和血浆/盐水部分的初始强度。因为τ＜＜T1，使得S0RBC+S0p1在交换过程中为常数，所以自旋晶格弛豫效应忽略不计。
图5B表示了两个信号差值ΔS=S0RBC-S0p1的时间相关性。通过指数拟合，可以确定τ=12.0±1毫秒。其中考虑了由于有限倾角造成的信号减弱。根据平衡状态下信号比值给出的对于τp1/τRBC的约束，得到τRBC=20.4±2毫秒，τp1=29.1±2毫秒。氙扩散的时标(τRBC=20.4毫秒)对应于氙在11微米的距离范围内扩散的时间(假设扩散常数为10-5平方厘米/秒)。这个距离略大于RBC的特征尺度。发现氙的τRBC大于水分子的时间常数，经测量，水分子的时间常数在室温下为12±2毫秒，参见Herbst,M.D.，等人，Am.J.Physiol.,256:C1097-C1104(1989)。
上述实例用试验证明了使用NMR光谱法可以获得关于激光极化氙与其环境(例如红细胞和血浆混合物)之间的相互作用的动态过程的数据。
实施例5这个实例说明氙传输媒介物的制备和NMR特性，所说媒介物由氙和类脂泡(lipid vesicle)的含水悬浮液的混合物构成。提供一种有效的方法将光极化的氙传输到血管系统以便能够在氙极化衰变之前观测到129Xe的NMR信号。具体地说，就是将超极化气体预先溶解在溶液中，氙在其中具有较长的自旋晶格弛豫时间，然后，将氙/溶液混合物加入血液中。
5.1材料和方法按照与制备超极化氙盐水溶液相同的方法制备超极化氙的INTRALIPID_溶液，但是混合器中充载的是INTRALIPD_，而不是盐水。INTRALIPID_溶液由直径约为0.1微米的类脂泡的含水悬浮液构成，这种溶液很适合用于体内，以及在临床上作为营养补充液。市场上销售的20％的INTRALIPID_溶液(Pharmacia,Uppsala,Sweden)已被美国食品和药物管理委员会批准用于人体。重要的是，氙在INTRALIPID_中的溶解度是在盐水中的大约4倍。在INTRALIPID_中加入经激光极化的129Xe，然后将一等分试样(1毫升)的这种溶液加入到人体血液(1毫升)中。在一台Bruker AM-400光谱仪上测得光谱。利用回波平面成象法在一台Quest4300(Nalorac Cryogenics,Martinez,CA,U.S.A)光谱仪上获得128×64的图象。
5.2结果测得在INTRALIPID_溶液中氙的T1为40±3秒。图6A表示随intralipid溶液一起传递到血液中的激光极化氙的光谱。该光谱的主要特征是位于194ppm的一个峰值，该峰值对应于在纯intralipid溶液中的氙。在216ppm处仅仅观察到一个小信号；该信号对应于RBC中的氙(即细胞内)。对应于在INTRALIPID_溶液中的氙的峰值与由细胞内氙形成的峰值之间的比值大约为6∶1。这个结果与氙对于类脂物具有较高亲和力，因而向RBC中传递的效率较低的事实是一致的。经测量，194ppm处信号的衰减时间T1为16秒，大于在盐水/水/血液混合物中氙的相应衰减时间大约3倍。在该样品中129Xe信号非常之强，使得能够对混合物中的氙分布直接成象。所得图象显示在图6A(插图)中。
血液中的氙可以用于研究肺部空间解剖、组织灌注和NMR血管造影(angiography)。总之，超极化氙NMR可以替代使用放射性同位素氙，如127Xe和133Xe，的成象技术。超极化氙MRI的优点在于病人吸收的离子辐射剂量为零，并且具有好得多的空间分辨率。氙NMR技术还可用于脑研究。特别是，超极化氙磁共振成象能够更好地检测中枢神经系统灌注，因此可作为中风诊断的工具，和作为功能成象的流动的特殊工具。
这个实例用试验证明超极化氙的类脂物溶液的制备和特性。还证明了激光极化氙的类脂物溶液可以用于通过血液传递极化氙的原理。在传递媒介物中含有类脂物既阻滞了氙透过RBC膜，又防止了氙极化迅速衰变。
使用各种不同的溶液将超极化氙导入血液和组织中对于129Xe光谱成象、化学位移成象或体内组织的局部NMR光谱测量是非常有前途的。129Xe的NMR参数，如弛豫时间，对于检测健康组织或恶性肿瘤的检测是有用的。此外，氙易于溶解在脂肪中，超极化氙MRI可以作为常规的脂肪组织质子MRI的一种替代方法。
实施例6实施例6表明全氟化碳作为激光极化氙的传递媒介物的使用。
全氟化碳化合物一般在化学上是不活泼的和无毒的。有趣的是，全氟化碳乳剂能够吸收和输送氧和二氧化碳。选择一种代表性的全氟化碳乳剂，FLUOSOL_(Green Cross,Osaka,Japan)，作为氙的期望原型传递媒介物。FLUOSOL_是一种乳剂，其中包含20％的全氟化碳，被美国食品和药物管理委员会批准作为血液替代品注入人体血管内。
按照与制备超极化氙盐水溶液相同的方法制备超极化氙的FLUOSOL_溶液，但是混合器中充载的是FLUOSOL_，而不是盐水。在FLUOSOL_中加入经激光极化的129Xe，然后将一等分试样(1毫升)的这种溶液加入到人体血液(1毫升)中。在一台Bruker AM-400光谱仪上测得光谱。
图6B表示在FLUOSOL_/氙溶液与血液混合之后获得的129Xe的NMR光谱。在216ppm处的峰值对应于在RBC中的氙，而中心在110ppm附近的宽峰(图6B插图)源自FLUOSOL_溶液中的氙。在纯FLUOSOL_中的氙具有110ppm的化学位移，谱峰展宽，与在氙/血液/FLUOSOL_溶液的光谱中所观测到的一样。宽峰和窄峰的积分强度的比率大约等于3。测得窄峰的T1为13±1秒。这个T1值与所测得的INTRALIPID_中的氙的T1值一样，大于所测得的在RBC/血浆试样中氙的T1值。关于FLUOSOL_的结果表明氙在RBC内部与环境之间存在交换，所说环境的特征在于其中氙的弛豫时间长于细胞内氙的弛豫时间。估计可能是由于具有较长弛豫时间的氙驻留在FLUOSOL_中。这些结果表明对于转移到组织中的氙可以进行有选择的MRI/NMR。
还获得了溶解在新鲜人体血液中的129Xe的两维MR图象(图7)。该图象是在将血液与含有饱和超极化129Xe的盐水溶液混合之后立即获取的。
上述实例说明全氟化碳乳剂可以用作超极化惰性气体的传递媒介物。还证明了如果将129Xe作为盐水溶液导入血液中，因而其T1短于在全氟化碳传递媒介物中所测得的弛豫时间，从而获得溶解在血液中的129Xe的MR图象的可能性。
实施例77.1材料和方法按照如上所述制备129Xe的盐水溶液一样的方法制备超极化129Xe的部分氘化苯(25％C6D5H,75％C6D6)溶液，不同之处在于混合器中充载的是苯溶液，而不是盐水。一般来说，在一次实验中在一个大气压下使用4×10-4摩尔的富集129Xe(80％,EG&G Mound)。129Xe的NMR是使用一种自制探测剂和3°的倾角以及51兆赫兹频率在一台Quest4300光谱仪(NaloracCryogenics,Martinez,California,U.S.A)上进行的。1H的NMR是使用一种自制探测剂和3°的倾角以及185兆赫兹频率进行的。
使用快速低角度拍摄(FLASH)成象方法在Quest4300光谱仪上对于64次信号采集的每一次使用3°的倾角获得129Xe的时间分辨两维MR图象。频率编码梯度为3.5G/mm。相位编码梯度脉冲，其为500微秒长，的步距为0.063G/mm。试样管的直径为7毫米，溶液在管中占据15毫米长度的区域。图象为64×128象素图象。
从沿试样管轴(z)的MRI投影获得部分氘化苯的未摇动试样的时间分辨分布(以秒为单位)。获取这些图象的成象磁场梯度为2.6G/mm。
在将超极化129Xe导入含有普通苯的试样管中之后2分钟和6分钟，获取SPINOE-增强的1H信号的两维MR图象。这些图象是采用回波平面成象法在24毫秒内获取的。频率编码梯度为3.15G/mm；相位编码梯度脉冲为0.14G/mm和50微秒长。图象尺寸为128×32象素，在数据处理时用零将图象填充为256×256。
在Navon,G.，等人所写论文(Science,271:1848-1851(1996))中详细讨论了该实例中所使用的方法和所得结果，该论文以引用方式结合在本申请中。
7.2结果在以下实施例中，介绍了为探测超极化氙与溶液中质子之间SPINOE效应而设计的一些基本实验。当将超极化129Xe溶解在液体中时，观测到质子自旋与其热平衡的时间相关性偏差。磁化的变化是核Overhauser效应(NOE)的不可预料的体现，是溶液质子自旋与129Xe之间正交弛豫(cross-relaxation)的结果。SPINOE效应已经用于监测当溶液自旋与迁移的氙原子相遇时的时间相关磁共振成象和高分辨率NMR光谱。
图8表示当超极化129Xe溶解在液体苯中时所观测到的129Xe的NMR信号强度的时间相关特性。所测得的溶液中129Xe的自旋晶格弛豫时间，气体与溶液弛豫时间的组合，在普通苯中大约为200秒，在部分氘化试样中大约为1000秒(Moschos,A，等人，J.Magn.Reson.95:603(1991)；和Diehl,P.，等人，J.Magn.Reson.88:660(1990))。这两个值之间的差表明1H与29Xe的自旋之间磁双极偶合对于129Xe磁化的驰豫影响；相同的偶合优先于氙与质子自旋系统之间的正交弛豫。在初始的NOE实验中，使用部分氘化的液体增强正交弛豫对于可能有限的质子自旋自动弛豫的作用。
图9表示了溶解的超极化129Xe对于液体苯中1H磁化的影响。根据129Xe磁化极性的不同，质子NMR信号呈现正的或负的时间相关NOE效应，这是由激光的螺旋性或在光泵激步骤中磁场的取向决定的。质子磁化对于其热平衡值的相对增强(fractional enhancement)一般来说，对于苯大约为0.1，对于部分氘化试样在0.5至2之间。
基于核Overhauser效应理论，可以推导出溶剂核子(I)由于与溶解的气体(S)之间的正交弛豫而产生的极化的最大变化的下列表示式Iz(t0)-I0I0=-σISρIγSS(S+1)γII(I+1)[Sz(t0)-S0]S0------(6)]]>其中γS和γI为核自旋的磁旋比(magnetogyric ratio),σIS为正交弛豫率，ρ1为I自旋的自动弛豫率。正交弛豫率σIS对于苯和部分氘化的苯溶液具有相同的值，σIS=1.9×10-6秒-1，因此在这两种溶液中质子极化的最大增强的差别源于不同的质子弛豫率，在苯中ρ1=(20s)-1，在部分氘化溶液中ρ1=(160s)-1。给定两种核子的自旋量子数和磁旋比，I=S=1/2,γI=2.67×108radT-1s-1,γS=-7.44×107radT-1s-1，和当质子磁化达到其最大值(最小值)时129Xe在时间t0极化的增强，Sz(t0)/S0≈6000，经过计算在C6H6中最大质子极化增强为0.06，在部分氘化溶液中为0.5，与测量值基本一致。
溶剂中129Xe的高自旋极化和慢弛豫使得能够借助于MRI仔细观察氙的溶解过程和在溶剂中的流动。图10表示沿试样管垂直轴所取的两维MRI投影。发现氙先是蓄积在试管的底部，形成氙浓度梯度，随着溶液逐渐饱和而不断地溶解在苯中。图11详细地表示了这个过程，其中沿试管轴向的一系列一维图象强度反映出氙的时间相关空间分布。出现试样管中氙的下降是由于溶液和纯苯之间的密度差造成的。溶液中较重的氙富集区域，其通过氙扩散到溶剂中形成在溶液上部，由于自然对流作用受重力作用下降到试管底部，最终使试管中溶液成为饱和氙的溶液。
因为质子自旋的SPINOE增强接近溶解的超极化氙，所以可以预料到氙浓度梯度会导致质子磁化梯度的形成。的确如此，如图12所示，苯的质子磁化图象显示出与图10和图11所示的氙的空间分布一致的时间相关梯度。事实上，在包含多于一种成分的溶液中或在含有具有不同化学位移的核子的多种分子中可以观察到质子NMR的不同的SPINOE增强，从而有可能探测出超极化气体的分配和选择性缔合。
上述的结果表明不仅能够对超极化氙成象，而且能够对其存在的环境成象，这种发现意味着氙以及氦可以应用于材料和医疗用途中。因为溶液自旋的平衡极化，S0正比于磁场强度Bc，相关的SPINOE反比于B0，因此可以预料其在通常用于医疗成象的较低强度磁场中作用更为显著。此外，由于核Overhauser效应取决于氙核子与相邻自旋的接近程度，以及它们之间的相对平移，可以预见在惰性气体原子部分结合在材料中(Miller,J.B.，等人，Macromolecules26:5602(1993))，或暂时结合在诸如蛋白质一类分子上(Tilton,R.F.等人，Biochemistry21,6850(1982))，甚至在存在相对较快的质子弛豫的系统中存在较强的SPINOE效应。因此，在可以将氙吸收在材料中、表面上、或在生物分子和生物体中的情形，都有可能获得应用。
实旋例8
这个实施例说明用于研究溶液中分子的动态和结构特征的129Xe-1HSPINOE光谱法的效用。实验证明了在经过激光极化的129Xe与p-硝基甲苯溶液中的质子之间的偶合作用是由于扩散运动调制的核自旋双极偶合产生的。
8.1材料和方法一般按照上述实例中所述的方法制备试样。用于获得SPINOE数据的脉冲序列是不同的NOE脉冲序列的异核型脉冲，这最早是由Stonehound,J.等人为进行同核NOE研究而提出的(J.Am.Chem.Soc.116:6037(1994))。观测SPINOE效应的一种方法就是在将经过激光极化的129Xe引入溶液中之后简单地获取作为时间函数的质子信号。质子信号与其热平衡值的偏差决定了由于激光极化的129Xe的SPINOE效应产生的信号。但是，这种方法需要将两个较大信号(有SPINOE时的信号和没有SPINOE时的信号)相减，这种相减将实验的灵敏度限制在只有这些SIPNOE信号大于热平衡信号的1％的情形。这个新序列与常规的SPINOE方法相比是可取的，因为可以将平衡信号抑制两个或更多的数量级。这种类型的序列能够测量小于平衡信号的10-4的NOE。
图13中表示了不同的SPINOE序列。首先通过施加一个质子π/2脉冲串达到质子共振饱和，并且在混合过程中当出现SPINOE时用质子π脉冲维持这种饱和。调制π脉冲的时序以给出最佳饱和度。在施加质子π脉冲的同时还为129Xe的共振施加一个π脉冲，从而将由于SPINOE产生的质子信号在整个混合时间内累计。使用奇数个这种π脉冲对从而每次获取信号都使129Xe磁化反向；因此两个连续信号之间的相减有效地去除了并非来源于SPINOE的信号的影响。
8.2结果观测了极化从经过激光极化的氙向预先氘化的苯溶液中的p-硝基甲苯的转移。p-硝基甲苯是一种简单分子，它不与溶液中的氙结合；因此，我们预见其质子与氙的偶合与苯的质子相似。图14A和图14B表示了与经过激光极化的129Xe的不同的SPINOE质子光谱。129Xe的极化在图14A中是负的，而在图14B中是正的，并且发现转移到质子上的磁化分别是负的和正的。这个观察结果与大大小于1H和129Xe的拉莫尔频率的倒数的相关时间是一致的，在这种情况下正交弛豫常数σIS为正值。从质子SPINOE信号强度的起始上升，我们获得芳香基和甲基质子的σIS值，它们与苯质子的值和对于由分子扩散调制的双极偶合产生的正交弛豫率的理论计算值相似。
上述实例用实验证明了用于研究溶液中分子的动态和结构特征的129Xe-1H SPINOE光谱法的效用。用实验证明了在经过激光极化的129Xe与p-硝基甲苯溶液中的质子之间的偶合作用是由于扩散运动调制的核自旋双极偶合产生的。此外，还表明SPINOE信号的极性受到129Xe极化极性的影响。
实施例9这个实施例用实验证明与溶液中分子结合的129Xe对于所观测的由该分子产生的SPINOE信号的影响。选择环多糖和环糊精作为模型化合物。
9.1材料和方法基本按照上述的方法制备超极化氙和超极化氙与环糊精的混合物。按照实例8中所述方法测量氘化DMSO中的0.05M环糊精溶液的SPINOE信号。
9.2结果α-环糊精是一种天然存在的高分子，它由六个D-葡萄糖单元按照一个1α,4-合围形式头尾相连构成，以形成一个被称为六直链淀粉的环状结构。它具有相对不可弯曲的圆环形结构，在该分子的上部在葡萄糖单位的位置2和3具有12个羟基团，该分子的底部在位置6具有6个伯羟基团。图15表示在氘化DMSO中α-环糊精的平衡质子光谱。环糊精为环形吡喃型葡萄糖低聚物，其具有疏水结合性质，参见Saenger,W.,Angew.Chem.Int.Ed.19:344(1980)。环糊精的这种疏水结合性质使得它们可以络合许多不同的客体核素，从各种药物到各种惰性气体，参见Szejtli,J.,CYCLODEXTRINTECHNOLOGY,Kluwer-Academic,Dordrecht,1988。特别是，在NMR研究中已经发现α-环糊精可以络合氙，参见bartik,K.，等人，J.Magn.Res.B,109:164(1995)。
氙与α-环糊精之间强偶合的第一个证据是在α-环糊精溶液中129Xe的T1减小。例如，在氚化的DMSO中的0.1M的α-环糊精溶液中测得129Xe的T1为20秒，相比之下，在氘化苯中的0.1M的p-硝基甲苯中测得的T1＞500秒。氙表现弛豫率的这种增大是由于氙与α-环糊精的质子之间的双极偶合；这种偶合作用不仅决定了两种自旋的正交弛豫，而且对于氙的自动弛豫也有影响。
为了研究氙结合对于129Xe-1H SPINOE的作用，观测激光极化的氙与溶解在预先氘化的二甲基亚砜(DMSO)溶液中的α-环糊精的SPINOE效应。图16和图17分别表示在存在正极化和负极化129Xe的情况下α-环糊精的质子SPINOE光谱。在其它著作中已经报告了质子共振的分配，参见Djedaini,F.，等人，J.Mol.Struct.,239:161(1990)。与p-硝基甲苯的SPINOE光谱相比，各种α-环糊精的质子的SPINOE信号强度基本是不同的。观测到的最强的SPINOE信号源自H3和H5，位于环糊精空穴的内侧的质子。然而，源自外侧的质子H2、H4和H1的SPINOE信号则大约只有六分之一或更小。氙与各种质子偶合的差别是可以预料的，因为这种双极偶合对于自旋之间的相对距离是非常敏感的。可以推算出氙-H3,H5和氙-H1,H2,H4之间的距离比为1/
=1/1.35。
百分比SPINOE信号明显大于来自p-硝基甲苯溶液的信号。考虑到试样管中氙的压力和在对于p-硝基甲苯和α-环糊精的不同实验中施加的磁场，我们计算出α-环糊精与p-硝基甲苯的正交弛豫率的比值大约为100。整体偶合常数的这种较大增加可以归因于氙与α-环糊精分子的强烈结合。虽然较小，但是仍然可以观测到源自三个羟基质子的SPINOE信号。
此外，还比较了α-环糊精和β-环糊精的氙偶合常数，其中β-环糊精是一种七个单元的环糊精环。尽管β-环糊精只比α-环糊精大l5％，其与氙的结合急剧减弱，其偶合常数要小两个数量级，基本等于p-硝基甲苯的偶合常数。
在上述实例中，用实验证明了氙的非平衡极化可以转移到其它核素，如质子上。因此，超极化氙可以用作质子的造影剂。此外，还可以通过使极化有选择地转移到氙结合的特定位置的质子上来解释与生物有关分子如蛋白质的结构。
实施例10这个实施例介绍溶解在一种类脂媒介物中的超极化氙在活体内的使用。如实施例5所述将光泵激的氙溶解在一种类脂物乳剂中，并通过血管注射到一个老鼠体内。记录心脏和肝部的作为时间的函数的129Xe的NMR光谱。
10.1材料和方法基本按照上述实例所述的方法制备激光极化氙和激光极化氙的INTRALIPID_溶液。
通过肌肉注射氯胺酮/甲苯噻嗪/乙酰丙嗪(30/3/0.6毫克/千克)将重量为200-250克的雄性鼠麻醉。为了维持麻醉根据需要补充肌肉注射剂量。在尾部静脉中植入一个静脉导管，并在心脏和肝部之上放置接收器/发射器表面线圈(图18)。数据采集从开始注射时开始。在每次实验之前，将老鼠横躺着放置在磁体中。在每次实验结束时，将导管取出，并将老鼠放回鼠笼中以使之从麻醉中苏醒。
利用与一个Bruker2.35T磁体结合的一台自制的NMR光谱仪获取129Xe的NMR光谱(氙的频率27.68兆赫兹，芯孔直径25厘米)。接收器-发射器的表面线圈直径为3.5厘米。在光谱实验中，每隔一秒获取一次光谱(脉冲角度≈20°。
10.2结果从开始静脉注射氙/INTRALIPID_溶液开始时起，获取一系列氙的NMR光谱。图19中表示了12次扫描中6次的平均；插图中表示了积分信号的时间相关特性。预见到INTRALIPID最初会积蓄在肝部；信号幅值最初的上升可能反映了这种积蓄，而其后的衰减则是由于冲淡、氙弛豫、和施加射频脉冲的结果。
这个实例证明了使用超极化氙的类脂物溶液通过静脉导入方式传送氙的可行性。还表明能够比较容易地获得活体内的超极化氙光谱。
实施例11这个实施例介绍使用129XeMR成象法获得超极化氙在老鼠活体内的分布的图象。超极化氙以盐水溶液形式通过静脉注射导入。
11.1材料和方法在前述实例中已经介绍了制备超极化氙和超极化氙的盐水溶液的方法。老鼠、麻醉和装置的情况与上述的实施例10中所述相同。为了进行成象实验，将导液管植入老鼠腿部肌肉中，并用绷带固定。将表面线圈放置在鼠腿注射位置上。在实验结束时，将导液管取出，将老鼠送回鼠笼中使之从麻醉中苏醒。
使用图20所示的FLASH序列获取垂直于线圈的轴向图象。在成象实验中，从开始注射氙/盐水溶液时起以大约7秒的间隔获取10幅两维129Xe的MR图象(在第5幅和第6幅图象之间有18秒的延迟)。
11.2结果图21中表示所得的6幅图象，并表示了在老鼠后腿上部中的光泵激氙的信号强度。较低氙信号强度的中央区域可能对应于老鼠的股骨。从这6幅图象可以看出信号强度上升迅速，并在第二幅图象(b)(在注射开始后7秒)达到最大值，然后在后面的图象中逐渐衰减。强度的起始上升是由于注射造成的氙/盐水溶液的积蓄，而其后的衰减主要是由于应用了射频脉冲(倾角大约为5度的48个脉冲)，尽管氙弛豫和冲淡也毫无疑问地对于衰减有作用。图象图形的变化表明在实验过程中一部分氙/盐水溶液已经渗透和扩散到周围的组织中。
用盐水作为氙溶剂的主要优点是氙的弛豫时间T1较长，这使得在注射过程中极化的损失可以忽略不计。但是，氙在盐水中溶解率较低，其Ostwald系数仅为0.0926(在一个大气压下溶解在1升液体中的氙的STP体积)。使用其它的氙溶剂(例如INTRALIPID_和FLUOSOL_)可以获得更高的氙浓度。此外，这种溶剂中的氙在生物组织中的分配特性使之特别适合于在活体中应用。在上述活体研究中已经确定这种溶剂可以使氙在血液中的有效弛豫时间增加3倍。因此，可以预料通过导入溶解在这两类传递媒介物之一中的极化氙来提高所得MR图象质量和提供更长的时间成象窗口(temperal imagingwindow)。
实施例11证明了在活体中可以获得129Xe的MR图象，并用于研究超极化氙在活体系统的分布。
应当理解上面的介绍和实施例只是说明性的，而非限定性的。对于本领域技术人员来说在阅读了上面的介绍和实施例之后显然可以作出许多实施例。所以，本发明的范围不应由上述内容和实施例确定，而应当由所附权利要求书确定，在权利要求书中包含了等效物的整个范围。本申请中提及的所有文章和参考文献，包括专利申请和公开说明书，都以引用方式结合在本申请中。
权利要求
1．用于分析包含一种NMR活性核子的试样的方法，该方法包括以下步骤(a)使所说试样与一种超极化惰性气体接触；(b)用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置、或用核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描所说试样；以及(c)探测所说的NMR活性核子，其中所说NMR活性核子是除惰性气体以外的一种核子。
2．如权利要求1所述的一种方法，其特征在于所说NMR活性核子选自以下组中1H、13C、15N、19F、29Si、31P及其组合物。
3．用于分析一种试样的一种方法，所说方法包括以下步骤(a)将一种超极化惰性气体与一种液体混合构成一种混合物；(b)使所说试样与所说混合物接触；(c)用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置、或用核磁共振光谱仪和磁共振成象装置两者扫描所说试样、所说惰性气体或所说试样和所说惰性气体两者。
4．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说惰性气体选自以下组中氙、氦、氖、氪、及其混合物。
5．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说惰性气体是氙。
6．如权利要求5所述的一种方法，其特征在于所说氙选自以下组中129Xe和131Xe。
7．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说惰性气体是3He。
8．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于还包括在步骤(a)之前将所说惰性气体超极化的步骤。
9．如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说超极化步骤包括通过与一种碱金属的自旋交换使所说惰性气体超极化的步骤。
10．如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说超极化步骤包括通过亚稳定性交换使所说惰性气体超极化的步骤。
11．如权利要求8所述的一种方法，其特征在于所说超极化步骤包括用圆偏振光辐照所说碱金属的步骤。
12．如权利要求9所述的一种方法，其特征在于所说碱金属选自包含23Na、39K、133Ce、85Rb和87Rb的组中。
13．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于它还包括在步骤(a)之前将所说超极化惰性气体凝固到固态的步骤。
14．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说液体选自以下组中水、生理盐水、碳氟化合物、碳氟化合物乳剂、类脂物、类脂物乳剂和血液替代制品。
15．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说试样包括一个生物体或一个生物体的一部分。
16．如权利要求15所述的一种方法，其特征在于所说生物体部分包括一个器官或组织。
17．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说试样是一种有机或无机单体。
18．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说试样是一种有机或无机聚合物。
19．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于所说试样是一种生物高聚物。
20．如权利要求19所述的一种方法，其特征在于所说生物高聚物选自以下组中低聚肽、多肽、抗体和蛋白质。
21．如权利要求19所述的一种方法，其特征在于所说生物高聚物选自以下组中低聚核苷酸、RNA、mRNA、tRNA、DNA、染色体、基因和质粒。
22．如权利要求19所述的一种方法，其特征在于所说生物高聚物选自以下组中低聚糖、多糖、糖蛋白、和粘蛋白多糖。
23．如权利要求3所述的一种方法，其特征在于扫描所说试样以检测由所说超极化惰性气体引起的NMR活性核子的变化。
24．如权利要求23所述的一种方法，其特征在于所说NMR活性核子选自以下组中1H、13C、15N、19F、29Si、31P及其组合物。
25．一种药物组合物，它包括溶解在一种生理相容的液体载体中的一种超极化惰性气体。
26．如权利要求25所述的一种药物组合物，其特征在于所说液体载体适合于以下一组用药途径，所说途径选自以下组中皮下、吸入、血管、口服、腹膜、肌肉。
27．如权利要求25所述的一种药物组合物，其特征在于所说液体载体选自以下组中水、盐水、血液、血浆、碳氟化合物、碳氟化合物乳剂、类脂物、类脂物乳剂、二甲亚砜和维他命E。
28．如权利要求25所述的一种药物组合物，其特征在于所说液体载体适合用于静脉用药，并且选自类脂物乳剂和碳氟化合物乳剂。
29．用于生产如权利要求25所述药物组合物的一种方法，该方法包括(a)使一种惰性气体超极化；以及(b)使一种生理相容的液体载体与所说超极化的惰性气体接触。
30．如权利要求29所述的一种方法，其特征在于所说步骤(b)包括(a)所说超极化惰性气体凝固以保持超极化状态；以及(b)使所说凝固的超极化惰性气体升华到所说生理相容液体载体中，从而使所说生理相容液体载体与所说超极化惰性气体接触。
31．用于研究一种惰性气体在一种组织中的特性的方法，其特征在于该方法包括(a)使一种惰性气体超极化；(b)将所说超极化惰性气体溶解在一种生理相容的液体载体中以形成一种混合物；(c)使所说组织与所说由步骤(b)得到的混合物接触；和(d)用核磁共振光谱仪、磁共振成象装置或两者扫描所说组织，从而研究所说特性。
32．如权利要求31所述的一种方法，其特征在于所说特性选自以下组中NMR参数、所说超极化惰性气体在所说组织的细胞外代谢区与细胞内代谢区之间的交换率、所说超极化气体在所说细胞内代谢区中的浓度、所说超极化气体在所说细胞外代谢区中的浓度、所说超极化气体在所说细胞内代谢区中的弛豫时间和所说超极化气体在所说细胞外代谢区中的弛豫时间。
33．如权利要求31所述的一种方法，其特征在于所说组织选自以下组中血液、肌肉、末梢神经系统组织和中枢神经系统组织。
34．如权利要求31所述的一种方法，其特征在于所说组织是中枢神经系统组织，该中枢神经系统选自以下组中脑、脊髓、脑脊髓体和血液-大脑屏障。
35．用于增加超极化惰性气体与一种生理液体接触的弛豫时间的一种方法，该方法包括(a)将所说超极化惰性气体溶解在所说超极化惰性气体在其中的弛豫时间长于所说惰性气体在所说生理液体中的弛豫时间的一种液体中制成一种超极化惰性气体中间溶液；和(b)使所说生理液体与所说中间溶液接触。
36．用于测量从一种超极化惰性气体原子转移到一种非惰性气体NMR活性核子的信号的一种方法，该方法包括(a)使一种非惰性气体NMR活性核子与一种超极化惰性气体原子接触；(b)向所说非惰性气体NMR活性核子施加射频能量；和(c)使用核磁共振光谱法、磁共振成象法、或两种方法测量从所说超极化惰性气体原子转移到所说非惰性气体NMR活性核的所说信号。
37．用于一个系统的异核差分自旋极化感生核奥弗豪斯效应(SPINOE)NMR的一种脉冲序列，所说系统包括一种惰性气体原子和一种非惰性气体NMR活性核子，该方法包括(a)一个非惰性气体NMR活性核子π/2脉冲；(b)与施加惰性气体π脉冲同时施加的一个非惰性气体NMR活性核子π脉冲；以及(c)一个非惰性气体NMR活性核子π/2脉冲。
38．用于制备一种超极化惰性气体溶液的一种装置，所说装置包括用于容纳一种液体的一个容器；用于容纳所说超极化惰性气体的一个储气容器，该储气容器通过第一截流阀与所说容纳液体的容器连通，所说储气容器的形状使之能够独立于所说容纳液体的容器进行冷却；通过第二截流阀与所说储气容器连通的一个气体入口；以及用于独立于所说第一截流阀和所说第二截流阀从所说容纳液体的容器中抽取所说液体的一个装置。
39．如权利要求38所述的一种装置，其特征在于它还包括用于使所说超极化气体凝固的一个装置。
40．如权利要求38所述的一种装置，其特征在于它还包括用于向容纳所说超极化惰性气体的所说储气容器施加磁场的一个装置。
全文摘要
本发明一般来说涉及应用于光谱学和成象的核磁共振(NMR)技术。更具体地说,本发明涉及利用超极化惰性气体(例如氙气和氦气)增强和提高核磁共振和磁共振成象质量的方法。此外,本发明的超极化气体溶液用于活体内和活体外以研究一个系统的动态过程或结构。当用于生物系统时,不论在活体内还是在活体外,以超极化气体为目标并将其传送到该系统中的特定区域都属于本发明的范围。
文档编号G01R33/28GK1224502SQ97194991
公开日1999年7月28日 申请日期1997年3月28日 优先权日1997年3月28日
发明者亚历山大·派因斯, 托马斯·巴丁杰, 吉尔·纳冯, 宋一桥, 斯蒂芬·阿佩尔特, 安杰洛·比弗纳, 丽贝卡·泰勒, 博伊德·古德森, 罗伯特·赛多克斯, 图马斯·鲁姆, 坦加·皮特拉斯 申请人:劳伦斯·伯克利国家实验室