磁共振研究方法

专利名称：磁共振研究方法
技术领域：
本发明涉及一种磁共振成象(MRI)方法。
由于磁共振成象的非侵害性，以及不必将被检测患者置于诸如X-线等有潜在危害的辐射环境中，所以，磁共振成象成为对临床医师极具吸引力的诊断技术。
为了获取受试体中不同组织类型的MR影像之间的有效对比度，人们早已知道将能够影响造影剂所施予区域或聚集部位中MR显影核的驰豫时间的MR造影剂(如，顺磁金属类)施用于受试体。对比度增强也可以通过利用“奥佛好塞效应”(Overhauser effect)达到，在所述奥佛好塞效应中，所施用的顺磁类物质(此后称为OMRI造影剂)的电子自旋共振(esr)跃迁与显影核的核自旋系统偶合。奥佛好塞效应(也称为动态核极化)可以显著增加选定核的激发态与基态核自旋态之间的粒子数差异，由此放大MR信号的强度100倍或更大，使得OMRI影像快速产生，并且具有相对低的主磁场。迄今，公开的大多数OMRI造影剂，是在体内用于影响显影核极化的基团(radicals)。
如今有关在施用和进行MR信号测量之前，在体外极化含MR显影核的试剂的技术正在发展。这种技术可能涉及到使用极化试剂，例如常规的OMRI造影剂或超极化的气体，以实现对可施用的MR成像核的体外极化。极化的试剂是指任何适于对MR成像剂进行体外极化的试剂。
体外方法尤其具有优越性，即它可能避免将全部(或基本上全部)极化试剂施用于要研究的试样中，而同时仍然能够实现所希望的极化。因此这种方法更少地受到生理因素的限制，如在体内技术中存在的OMRI造影剂的施用性、生物降解性和毒性的限制。
人们已经发现通过使用极化的MR成像试剂，可以改善体外磁共振成象方法，该MR成像试剂包含有能够在均匀的磁场中发射磁共振信号(例如，MR成像核如13C或15N核)并且能具有长T1弛豫时间，优选还有长T2弛豫时间的核。这种试剂在下文中将被称为“高T1试剂”。通常，高T1试剂的分子包含的MR成像核的量大于在所述分子中的所述原子核的天然丰度(即该试剂富集所述原子核)。
因此，本发明的一个方面是提供一种试样的磁共振研究方法，优选该试样为人体或非人的动物体(例如，哺乳动物、爬行动物或鸟类机体)，所述方法包括(ⅰ)通过将所述高T1试剂的超极化的固体试样溶解在生理上可接受的溶剂中，得到高T1试剂的超极化的溶液；(ⅱ)通过极化试剂进行步骤(ⅰ)中所述高T1试剂的固体试样的超极化，任选地将全部、基本上全部或一部分所述极化剂与所述高T1试剂分离；(ⅲ)将所述超极化的溶液施用于所述试样；(ⅳ)将所述试样暴露在选定频率的辅助辐射中，以激发在所选择的核(例如，高T1试剂的MR成像核)中的核自旋跃迁；(ⅴ)检测来自所述试样的磁共振信号；和(ⅵ)可选择地，根据所述检测信号，产生图像、动态流动数据(dynamicflow data)、扩散数据(diffusion data)、灌注数据(perfusion data)、生理数据(例如、pH、pO2、pCO2、温度或离子浓度)或代谢数据，其中在所述超极化的溶液中的所述高T1试剂的T1值(磁场强度为0.01-5T，温度为20-40℃)至少为5秒。
因此，本发明包括如下的连续步骤由高T1试剂的超极化固体试样产生超极化溶液，其中所述高T1试剂具有弛豫时间T1长的核，施用高T1试剂的超极化溶液(优选在不存在一部分、更优选基本上全部的任何极化试剂不存在)，以及常规地在体内产生MR信号并测量这种信号。通过这种方法得到的MR信号可以方便地通过常规的操作转换为2-、3-或4-维数据，这些数据包括流动数据、扩散数据、生理数据或代谢数据。
“超极化”用来指极化到在室温和1T下所能得到的水平之上，优选是极化到极化程度超过0.1％以上，更优选1％以上，还更优选10％以上。
极化通过下式表示P=|Nα-NβNα+Nβ|]]>在平衡状态下等于1-exp(-γ2nB0/kT)1+exp(-γ2nB0/kT)]]>这里Nα是核自旋态α(例如+1/2)中的自旋数；
Nβ是核自旋态β(例如-1/2)中的自旋数；γ是所讨论的同位素核(例如13C)的磁旋比；h是除以2π后的普朗克常数；B0是磁场强度；k是Boltzmann常数；和T是开氏温度。
因此P的最大值为1(100％极化)，最小值为0(0％极化)。
“生理可接受的溶剂”用来指指人或动物机体能够接受的任何溶剂、溶剂混合物或溶液，例如水、水溶液如盐水、全氟化碳等。
本发明的一个实施方案提供了如上所述的一种方法，其中所述高T1试剂的超极化的固体试样转移至磁场中和在低温时保持了它的极化；用这种方法，试剂可以在远离它的最终应用点处进行超极化，然后再输送到磁场中的低温使用位置，并且在此溶解和施用。
在上述的实施方案中，磁场优选大于10mT，更优选大于0.1T，还更优选大于0.5T，进一步优选大于1T。“低温”我们优选是指低于80K，更优选低于4.2K，最优选低于1K。
本发明的进一步的实施方案提供了一种如上所述的方法，其中当转移至磁场中时由此形成的超极化溶液保持了它的极化。在这种最新的实施方案中，磁场优选大于10mT，更优选大于0.1T，还更优选大于0.5T，进一步地更优选大于1T。
本发明的进一步的实施方案提供了一种如上所述的方法，其中在溶解阶段中存在磁场。在这种最新的实施例中，磁场优选大于10mT，更优选大于0.1T，还更优选大于0.5T，进一步地更优选大于1T。
合适的高T1试剂可以包含的核如质子。然而，也可以使用其它非零核自旋的核(例如19F、3Li、13C、15N、29Si或31P以及1H)，优选1H、13C、15N、19F、29Si和31P核，特别优选的是13C和14N核。在这种情况下，产生图像的MR信号基本都是来自高T1试剂本身。尽管如此，虽然在可施用的介质中极化的高T1试剂的浓度很高，因此可能有大量的磁化转移至质子上，以能够对介质的质子进行1H-MRI。类似地，极化的高T1试剂足够可以对体内质子进行作用，以能够对这些质子进行常规的1H-MRI。
当MR成像核不是质子(例如13C和15N)时，则基本没有来自背景信号的干扰(13C和14N的天然丰度可忽略不计)，因此有利的是图像对比度高。当高T1试剂本身富集超过天然丰度时这种优点尤其明显。因此，本发明的方法具有能够给所产生的图像提供有意义的空间加权的益处。实际上，将极化的高T1试剂施用至试样的选定区域中(例如通过注射)意味着对比效果可以定位在那个区域。准确的作用过程取决于高T1试剂仍然保持在较大地极化的期间内生物分布(biodistribution)的程度。通常，施用试剂的具体的机体空间(即，研究的区域，如血管系统或具体的器官如大脑、肾、心脏或肝)可以通过在这些空间内所得图像的改善的信噪比(尤其是改善了对噪声的对比度)特性限定。
在一个实施方案中，可以产生试样(例如机体)的“固有图像”(即，如在常规MR试验中，在施用高T1试剂之前得到的图像或者使用未进行先前极化的高T1试剂得到的图像)，以提供结构(例如，解剖)信息，依据本发明的方法得到的图像可以叠加于其上。当13C或15N是成像核时，一般得不到固有图像，因为体内13C或15N的丰度低。在这种情况下，可以获取质子MR图像以提供解剖信息，可以将13C或15N图像叠加到该解剖信息上。
当然高T1试剂应当是生理上可接受的或者是能够成为生理上可耐受的、可施用的形式。优选的高T1试剂可溶于水性介质(例如，水)中，并且当最终使用是在体内时应该是无毒的。
方便地是，高T1试剂一旦极化，将保持足够长的时间，以便能够有较宽松的时间长度来进行成像过程。通常，如果高T1试剂的T1值(磁场强度为0.01-5T，温度范围为20-40℃时)至少为5秒，更优选为10秒，特别优选为30秒或更长，更特别优选为70秒或更长，进一步优选的是为100秒或更长(例如在1T和至少1mM的浓度下，在水中，37℃)时，高T1试剂将以其施用形式(例如在注射溶液中)保持足够的极化作用。有利的是，高T1试剂是具有长T2弛豫时间的试剂。
某些13C核的长T1弛豫时间是特别有利的，因此在本方法中优选使用含13C核的某些高T1试剂。在1T下在大约10MHz的拉莫尔(Larmor)频率中碳原子的γ系数大约为氢原子的γ系数的1/4。因此有利的是在患者体内的rf-吸收和反射小于在水(质子)成像中。当对应的频率高于几兆赫兹(MHz)时，信噪比与MRI磁场强度无关。优选的是极化的高T1试剂具有有效的13C核极化，对应于在温度为300K、磁场为0.1T或更大，更优选25T或更大，尤其优选100T或更大，特别优选5000T或更大(例如为50kT))的热平衡中得到的那种。
当给定分子的电子云与在周围组织中的原子相互作用时，产生MR信号的原子的屏蔽被改变，引起MR频率的移动(“化学位移效应”)。当该分子代谢时，化学位移将会改变，并且通过应用对化学位移敏感的脉冲可以分别显示在不同化学环境中的高T1试剂。当在不同环境中的高T1分子间的频率差为10赫兹或更高时，优选20赫兹或更高，最优选150赫兹或更高(在1T时对应于3.5ppm或更高)时，这两部分可以分别激发并在两幅图像中显现。然后可以应用标准的化学位移选择性的激励脉冲。当频率分隔很小时，通过应用频率选择性的rf-脉冲不能将这两部分分离。然后可以利用在激励脉冲之后和在检测MR信号之前的时间延迟过程中产生的相位差来分离这两部分。可以应用相位敏感的成像脉冲序列方法(Dixon，Radiology，1984，153189-194和Sepponen，Mag Res.Imaging，3，163-167，1985)来产生图像，显示不同的化学环境或不同的代谢物。在这些情况下，可为高T1试剂的一个特征的长弛豫时间T2将使得有可能使用较长的回波时间(TE)，并且仍然能够得到较高的信噪比。因此用于本发明的高T1试剂的一个重要优点是它们具有依赖于在它们的所处位置的机体的局部成分的化学位移。根据高T1试剂是位于血管系统的内部或外部，优选的高T1试剂在1T下具有的化学位移为大于2ppm，优选大于10ppm。更优选的高T1试剂将具有大于2ppm，优选大于10ppm的化学位移，每2pH单位或每开氏温度或根据代谢。含极化的13C核(或15N核)的高T1试剂根据生理变化(例如，pH、pO2、pCO2、氧化还原电势、温度或例如Na+、K+、Ca2+的离子浓度)或代谢活性而具有更大的位移变化，因此可以用来监测这些参数。
固体高T1试剂(例如，13C或15N富集的固体)可具有很长的弛豫时间T1，因此特别优选用在本方法中。在本体相(bulk phase)中弛豫时间T1可达几小时，虽然通过降低粒度和/或加入顺磁杂质，例如氧分子，可能降低弛豫时间T1。固体的长弛豫时间有利于使使用程序方便、时间宽裕，并且尤其有利于在制备成药物制剂和施用之前，使极化的固体高T1试剂可被储存或运输。在一个实施方案中，极化的高T1试剂可在低温下、在施用前储存，使用常规技术如红外或微波辐射或通过简单地加入热无菌可施用介质如盐水而将高T1试剂加热到生理温度。
对于体内使用，将极化的固体高T1试剂溶解在可施用的介质(例如水或盐水)中，施用给对象并进行常规的MR成像。因此优选固体高T1试剂快速溶解(例如溶于水)，以有助于配制可施用的介质。优选高T1试剂应溶解在生理上可接受的载体(例如水或林格氏溶液)中达到至少1mM的浓度，速率为1mM/3T1或更大，特别优选为1mM/2T1或更高，尤其优选为1mM/T1或更高。当固体高T1试剂冻结时，可以对可施用的介质进行加热，优选达到在混合后介质的温度接近37℃的程度。
极化的高T1试剂可以液体形式施用(可单独施用或者和其它的组分如附加的组分一起)。与气体介质相比在液体介质中极化的保留时间要长得多。因此一般说来当T1和T2对于液体较短时，对于液体因扩散造成的T2*效应小105倍。因此对于气体高T1试剂，一般所用的成像序列应是FLASH或GRASS，而与其形成对比，对于液体必须可使用更有效的成像序列。例如，一般液体扩散更慢，这就使得可能应用如回波平面成像(EPI)的序列。在当前的采集次数下整个技术将会更快，并比常规的技术(体素大小约为1-5mm)产生更好的分辨率(体素尺寸小于1mm)。在包括低场(例如0.01-0.5T)机中的所有磁场都中都将得到很好的图像。
如果不在低温和如上所述的应用的场中存储(和/或运输)超极化的试剂，由于本发明的方法需在高T1试剂的超极化溶液仍保持明显极化的时间内实施，则希望极化试剂的施用快速生效，然后使随后进行的MR测量时间短。优选施用极化的高T1试剂的途径是胃肠外施用，例如通过集合药团注射(bolus injection)、静脉内注射、动脉内注射、经口注射。注射时间应该等于或小于5T1，优选3T1或更小，特别优选T1或更小，尤其优选0.1T1或更小。可以通过喷雾如气溶胶喷雾而对肺部进行成像。
高T1试剂应优选富集有具有长弛豫时间T1的核(例如，15N和/或13C核)。优选的是13C富集的高T1试剂，在一个特殊位置(或多于一个的特殊位置)具有的13C的量超过天然丰度，即大于约1％。优选这种单碳位置将具有5％或更多的13C，特别优选10％或更多，尤其优选25％或更多，更为特别可取的是50％或更多，甚至特别优选超过99％(例如99.9％)。优选在化合物的所有碳原子中13C核大于2％。高T1试剂优选是在一个或更多的羰基或季碳位置上富集有13C，条件是在羰基或在某些季碳中的13C核的T1弛豫时间通常超过2秒，优选超过5秒，特别优选超过30秒。优选的是13C富集化合物应该是重氢标记的，特别是邻近13C核。
本发明的进一方面是提供包括极化的13C、15N、19F、29Si、31P或1H富集化合物的超极化溶液以及一种或多种生理上可接收的载液或赋形剂的组合物。
本发明的进一方面是提供一种对比介质，其包括极化的高T1试剂的超极化溶液以及一种或多种生理上可接收的载液或赋形剂，上述高T1试剂富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H核，它们在溶液中在0.005-10T、优选0.01-10T的磁场强度下具有的T1弛豫时间为2秒或更多，优选10秒或更多，更优选30秒或更多，特别优选60秒或更多。
优选的13C富集化合物是其中13C周围为一个或多个非MR活性核如O、S、C或双键的那些化合物。具体地说，优选的13C富集试剂为13CO32-和H13CO3-(钠盐用于注射，钙或钾盐用于极化)。
下列类型的化合物也是优选的化合物(*指示13C富集位置)。
(1)包括1-4个羧基的羧基化合物 (其中R表示任何直链或支链烃部分，优选高取代的碳原子，特别季碳和酯、其异构体，特别是立体异构体和旋转异构体；(2)取代的单和双芳基化合物 (其中每个基团R或R′独立的是氢原子、碘原子、19F原子或亲水部分M，其为任何非电离化的基团，通常用于在三碘代苯基(triiodophenyl)X射线造影剂的场中增加水溶性，该造影剂包括例如直链或支链C1-10烷基，优选C1-5基团，任选的是一个或多个CH2或CH部分由氧或氮原子代替，并且任选地用一个或多个选自下列的基团取代氧、羟基、胺基、羧基衍生物，和氧取代的硫和磷原子。
基团M的具体实例包括多羟基烷基、羟基烷氧基烷基和羟基多烷氧基烷基，并且这些基团通过酰胺键如羟基烷基氨基羰基、N-烷基-羟基烷基氨基羰基和双-羟基烷基氨基羰基。在这些M基团，优选的是含有1、2、3、4、5或6，特别是1、2或3个羟基的那些，例如，-CONH-CH2CH2OH-CONH-CH2CHOHCH2OH-CONH-CH(CH2OH)2-CON(CH2CH2OH)2以及其它基团，如-CONH2-CONHCH3-OCOCH3-N(COCH3)H-N(COCH3)C1-3烷基-N(COCH3)-单、双或三-羟基C1-4烷基-N(COCH2OH)-单、双或三-羟基C1-4烷基-N(COCH2OH)2-CON(CH2CHOHCH2OH)(CH2CH2OH)-CONH-C(CH2OH)3和-CONH-CH(CH2OH)(CHOHCH2OH)。
通常，M基团优选每个包括一个多羟基C1-4烷基，如由1、2、3或4个羟基取代的C1-4烷基(例如，羟甲基、2-羟乙基、2，3-二羟基-丙基、1，3-二羟基丙-2-基、2，3，4-三羟丁基和1，2，4-三羟丁-2-基)，任选地通过CO、SO或SO2基与苯基相连(例如，COCH2OH或SO2CH2OH)。
优选的化合物是下述化合物，其中在C6R5或每个C6R5部分中的两个或三个非相邻R基团是碘和在C6R5或在每个C6R5部分中至少一个，优选两个或三个R基团是M或M1部分；每个M独立地是非离子亲水部分；每个M1独立地表示一由至少一个羟基取代的C1-4烷基，并且任选地通过羰基、砜或亚砜基团连接到苯环，至少一个R基，优选至少两个R基，特别优选的是在C6R5或在每个C6R5部分中至少一个R基是M1部分。特别优选的是公开在WO-A-96/09282中的化合物。
(3)糖类 (4)酮类 (其中R和R′如上所定义)(5)尿素类 (6)酰胺类 (7)氨基酸类 以及在羰基位置中标记的蛋白质和肽，尤其是那些在本领域中公知的对靶向肿瘤细胞很有效的物质。在蛋白质中，清蛋白是优选的。也可使用聚合物，尤其是那些具有较低的毒性的聚合物(例如聚赖氨酸)，以及那些具有许多羧基的聚合物(例如多谷氨酸)。下述氨基酸是特别优选的 (8)碳酸酯类 (9)核苷酸类 (10)示踪物 以及(11)如下化合物 (其中R表示适用于X射线造影剂中的任何常规的侧链，A表示I、D、OR、RC=O或19F)
在上述任一定义中，除非特别说明，R、R′、R″和R表示任何适合的取代基，优选通过非磁性核连接的取代基。
特别优选的是这些化合物的任一种的部分或所有的重氢化或19F的类似物。
某些上述13C富集的化合物本身是新的，这构成了本发明的另一方面。水溶性的化合物尤其可取。
一般地，富集13C的氨基酸和任何公知的来自X射线造影剂和MRI造影剂(没有金属反离子的螯合剂，例如常规的没有钆(Gd)的钆螯合剂)领域的造影剂特别优选用作高T1试剂。在正常的代谢循环如柠檬酸循环中的中间产物例如富马酸和丙酮酸优选用于代谢活性的成像。
用于本发明中的富集13C的化合物的T1值记录于文献中，或者可以通过常规方法确定。实例包括(a)非水溶性的(即可溶于有机溶剂) (b)水溶性的 可以通过任何公知的方法进行超极化，通过实例下文将描述三种方法。可以想象到，在依据本发明的方法中，所实现的极化程度应足够使高T1试剂的超极化溶液达到可有效诊断的在试样中的对比增强，极化后施用给试样的形式可以为任何形式。一般希望得到的极化水平为进行MRI的场的至少2倍或2倍以上，优选10倍或更大，特别优选100倍或更大，尤其优选1000倍或更大，例如50000倍。
在本发明方法的第一实施方案中，通过OMRI造影剂实施MR成像核的超极化。在该实施方案中，本方法的步骤(ⅰ)包括(a)在均匀磁场(主磁场B0)中使OMRI造影剂和高T1试剂相接触；(b)将所述OMRI造影剂暴露在具有所选择的频率的第一辐射中以激发在所述OMRI造影剂中的电子自旋跃迁；和(c)将所述的高T1试剂溶解在生理上可接受的溶剂中。
可取的是OMRI造影剂和具有长的弛豫时间T1试剂都作为在极化过程中的组成物。
通过三种可能的机理可实现动态核极化(1)Overhauser效应，(2)固态效应(solid effect)和(3)热混合效应(参见A.Abragam和M.Goldman，Nuclear Magneticorder and disorder，Oxford University Press，1982)。Overhauser效应是一种弛豫驱动过程，当电子-核的相互作用在反相电子拉莫尔频率或更短的时标上为时间函数(由于热运动或弛豫效应)时发生这种弛豫驱动过程。电子-核的横向弛豫导致与晶格交换能量，产生增强的核极化。整个增强取决于分级的和偶极的电子-核相互作用的相对强度以及微波能量。对于静态系统，热混合和固态效应都有效。在固态效应中，在与电子的和核的拉莫尔频率的差或总和相对应的频率上对电子自旋系统进行辐射。核的塞曼(Zeeman)储集层吸收或发射能量差，并改变其自旋温度，由此增强核极化。效率取决于被禁止的跃迁的跃迁的可能性，由于核状态的混合通过非长期的电子-核偶极相互作用允许被禁止的跃迁进行跃迁。当电子-电子偶极储集层与核塞曼储集层的热接触时出现了热混合。当特征的电子共振线宽具有核拉莫尔频率数量级时，这种情况产生。在具有等于核塞曼能量的不同能量的自旋之间的电子-电子横向弛豫被吸收或通过电子偶极储集层发射，改变其自旋温度，增强了核极化。对于热混合不管是被禁止还是允许的跃迁都包括。
在第一实施方案中，当极化试剂是OMRI造影剂时，可方便地通过使用用于极化磁场的第一磁体和用于提供进行MR成像的主磁场的第二磁体而实施该方法。对于这两种目的，可以使用相同的磁体。附

图1所示为适合于实施本发明的第一实施方案的流程示意图。任选带有过滤器的独立式的极化磁体(1)包围电子顺磁共振(EPR)共振器(2)，该共振器(2)提供核极化。包括泵的容器(3)输送对比组合物，该对比组合物通过输送线(5)输送到对象(4)。对象位于常规的MR扫描器(6)内。
在上述装置中，介电共振器可以用在动态核极化过程中。一般来说，动态核极化要求具有相当强的高频率磁场的空间和附加电场，该附加的电场尽可能地小。介电共振器可以用来提供优选的场结构，在该优选的场结构中磁力线类似于在一束谷物中的稻草，而同时具有类似于捆绑着该束的细线的圆形电场。应用一个或几个具有高介电常数和低损耗的材料形成的环或管可形成这种类型的场结构。本领域的普通技术人员都会认识到这种管具有不同的电磁谐振模式。一种主要的模式具有所需的电场的特性，该电场在管壁内部围绕管的轴线，并且在轴线处和在与它垂直的任何地方都为零。另一方面磁场集聚在管的轴线周围，主要朝向为沿管轴的方向。要极化的组合物通常放置在共振器的里面，谐振器本身放在金属箱的里面，该金属箱通常具有谐振器大小的数量级的间隙(clearance)，用耦合线圈将组合物激发到所需的共振。金属箱确保电磁能量不通过辐射泄露。附图2所示为在金属箱(3)中的介电共振器(1)(具有旋转对称轴(2))。
介电共振器的一种可替换方案为共振腔(resonant cavty)，对于本领域的普通技术人员来说已经知道几种共振腔。一种简单且有效的共振腔是一种金属箱，比如圆柱形金属箱。适合的模式是一种为人们所知的TM1，1，0模式，其在腔的轴线上产生垂直的磁场。在相同的频率下在相同的腔中能够激励两种这种模式，产生相互垂直的磁场。通过设置它们使其具有90°的相位差能够产生旋转的磁场，这种旋转的场对于在试样中实施具有最小的耗散的动态极化十分有效。对于本领域的普通技术人员来说不同形状的腔体(例如矩形腔)具有类似的场分布是熟悉的。
在动态核极化步骤中也可以将组合物分散到许多隅室中。因此，可以将组合物分到例如通过平行隔离板、盘或管(典型地是开口管)分隔的平行通道中。可以通过应用电绝缘隔板将组合物分到较小的空间中来降低由磁场在组合物中引起的电损耗(涡流)，优选是绝缘隔板垂直于该磁场。如果组合物是在由如上所述的介电共振器所包围的圆柱形容器中，绝缘隔板可以是径向经过容器轴线到其管壁的平板。一种更简单且更实用的结构可以用于极化在容器中的组合物，该容器中包含有许多由绝缘材料比如石英、玻璃或塑料制成的薄壁管。这种结构具有能够降低在组合物中的电损耗的优点，在应用相同的电磁能量的情况下，这种结构能够极化更大体积的组合物。管的壁，内部和外部或这两者都可以类似地作为衬底，在该衬底上结合该OMRI造影剂以使施加到该容器的一端的压力能够使来自该容器的被极化的、基本为OMRI造影剂成为自由的、液体高T1的试剂，例如应用输送管线引导到正在进行MR检查的对象(患者)身上。
可以看到在本发明方法的第一个实施方案中，可以应用能够极化高T1试剂到这种程度的任何公知的OMRI造影剂，即能够在施用高T1试剂的试样中达到在诊断上有效的对比增强。其中OMRI造影剂是一种顺磁自由基，可在极化之前很短的时间内通过常规的物理或化学基生产步骤在原位由稳定的基团前体常规地制备该自由基，或者可替换地通过应用离子辐射制备。当该基因具有较短的半衰期这尤其重要。在这些情况下，这种基团通常为不可重复使用的，并且通常在一旦本发明方法的分离步骤已经完成后就将它抛弃。
在固体试剂中，优选通过对在低温和高场中电子自旋进行辐射来进行动态核极化。固体高T1试剂的动态核极化的具体实例有(1)在具有自由基4-氨基TEMPO的甘油/水为60∶40的冻结水溶液中的15N-Ala标记的T4-溶酶体和13C-甘氨酸作为电子极化源(D.A.Hall，D.Maus，G.Gerfen和R.G.Griffin，Science，1997)，在5T和40K下分别实现大约50和100的增强。
(2)在具有TEMPO的甘油/水为60∶40的冻结的水溶液中的羧基-13C标记的甘氨酸作为自由基。在5T和14K下实现增强185(G.J.Gerfen，L.R.Becerra，D.A.Hall，R.G.Griffin，R.J.Temkin，D.J.Singel，J.Chem.Phys.102(24)，9494-9497(1995))；(3)在2.5T下滴加有铬的复合物的1，2-乙二醇中的质子和氚核的动态极化。所得到的极化程度为80％(W.De Boer和T.O Niinikoski，Nucl.Instrum.Meth.114，495(1974))。
当然优选的是，所选择的OMRI造影剂具有长的半衰期(优选至少一个小时)、长的弛豫时间(T1e和T2e)、高弛豫性(relaxivity)和数目较少的电子自旋共振(ESR)跃迁线。因此，在WO-A-88/10419、WO-A-90/00904、WO-A-91/12024、WO-A-93/02711或WO-A-96/39367中所述的顺磁的氧基的、硫基的或碳基的有机自由基或磁性颗粒都适合用于OMRI造影剂。
然而，用于本方法的第一实施方案中的OMRI造影剂并不限于顺磁有机自由基。具有顺磁性、超顺磁性、铁磁性或铁氧体磁性的磁特性的颗粒也都可以用作OMRI造影剂，如具有相关的自由电子的其它颗粒。超顺磁性的毫微磁粉(例如，铁或铁氧毫微磁粉)尤其有用。磁粉相对于有机自由基具有较高的稳定性和较强的电子/核自旋耦合(即，高弛豫性)的优点，这就使Overhauser增强系数更大。
对于施用的目的，高T1试剂应优选在全部、或基本上全部的OMRI造影剂的存在下施用。优选至少除去80％的OMRI造影剂，尤其优选除去90％或更多，特别优选除去95％或更多，最优选除去99％或更多。一般地，希望在施用之前尽可能地除去OMRI造影剂，以提高生理耐受性并增加T1。因此优选用于本发明方法的第一实施方案中的OMRI造影剂是按照下述方法可以方便和快速地从极化的高T1MR成像剂中分离出的那些。然而，当造影剂无毒性时，可省略分离步骤。已进行过极化的含OMRI造影剂和高T1试剂的固体(例如冷冻)组合物可快速溶解在盐水(例如热盐水)中，然后迅速注射该混合物。
在本发明方法第一实施方案的分离步骤中，希望尽可能快速地从组合物中除去基本全部的OMRI造影剂(或至少使其降低到生理上可耐受的水平)。在本领域中有许多公知的物理和化学分离或萃取技术，并且这些技术都可以用来快速且有效地分离OMRI造影剂和高T1试剂。显然更优选的分离技术是能够快速地实施的技术，尤其优选的是那些能够在小于1秒的时间内分离的技术。从这方面讲，磁粉(例如超顺磁粉)可有利的用作OMRI造影剂，因为这样将有可能利用磁粉固有的磁性能而提供已知的技术快速分离。类似地，当OMRI造影剂或磁粉束缚在固体珠(solid bead)上时，则它们可以方便地从液体中分离(即，通过适当地施加磁场使固体珠为磁性的。)为了易于分离OMRI造影剂和高T1试剂，特别优选的是这两种的组合物为不均匀的体系，例如两相液体、悬浮在液体中的固体或者在液体内部的较高表面积的固体衬底，例如分布在液相高T1试剂中的珠纤维或片形式的固体。在所有情况下，高T1试剂和OMRI造影剂之间的扩散距离必须足够小以达到有效的Overhauser增强。某些OMRI造影剂本质上即为一种颗粒，例如上述的顺磁粉和超顺磁试剂。其它的那些可以通过常规的方法固定在、吸收入或耦合到固态衬底或载体上(例如有机聚合物或无机基体如沸石或硅材料)。通常，OMRI造影剂和固体衬底或载体间的强共价连接将限制试剂在达到所需的Overhauser效应方面的有效性，从而优选这种在OMRI造影剂和固体载体和衬底之间的连接如果存在时应很弱，使得OMRI造影剂仍能够自由旋转。在极化前，OMRI造影剂可以结合到水不溶性的衬底/载体上，或者OMRI造影剂可以在极化后连接/结合到衬底/载体上。然后可在施用前，将OMRI造影剂和高T1试剂例如通过过滤分离。OMRI造影剂也可以结合到水不溶性大分子上，并且OMRI造影剂-大分子可在施用前与高T1试剂分离。
当OMRI造影剂和高T1试剂的混合物是不均匀体系时，也可能利用各相的不同的物理性能通过常规的技术将它们分离。例如，当一相是水相而另一相是非水相(固体或液体)时，则有可能简单地将一相从另一相中倾到出来。或者，当OMRI造影剂是固体或悬浮在液体高T1试剂中的一种固体衬底(例如珠)时，则可以通过常规的方法，例如过滤、重量分析法、层析法或离心法，将固体从液体中分离出来。可以看出，OMRI造影剂可包括亲脂的部分，因此能够通过或穿过固定亲脂介质将其与高T1试剂分离，或者将OMRI造影剂通过化学方法结合到亲脂的固体珠上而分离。在极化过程中，高T1试剂也可以为固态(例如冻结态)，并且与固态OMRI造影剂紧密接触。在极化之后，可以将它溶解在热水或盐水或将其熔化，并且当后者(OMRI造影剂)有毒、不能施用时，将其除去或与OMRI分离。
一种分离技术利用了阳离子交换聚合物和阳离子的OMRI造影剂，例如带侧羧酸酯基的三芳基甲基基团。或者，将酸化该溶液使其pH值大约为4，从而使OMRI造影剂沉淀出来。然后在中和后例如通过过滤进行分离。一种可供选择的技术涉及加入使离子OMRI试剂沉淀的离子，然后可过滤沉淀。
某些OMRI造影剂如三芳基甲基具有对蛋白质的亲和力。因此在极化后，可以将包含具有蛋白质亲和力的OMRI造影剂的组合物通过或经过蛋白质，其中蛋白质的形式为针对该试剂暴露出较大的表面积，例如颗粒或表面结合形式。以这种方式，OMRI造影剂和蛋白质的结合使得可以从组合物中除去。
或者，当亲水性的高T1试剂是固态(例如冻结态)时，它可以与疏水OMRI造影剂接触，所述造影剂溶解在熔点高于高T1试剂的有机流体中。混合物是冻结的，然后进行极化。极化后，加热混合物，然后除去固体OMRI造影剂及其溶剂。高T1溶剂仍将以冻结态长时间地保持超极化，从而可以在溶解在水或盐水中用于注射之前运输很长的距离。
在本发明方法的第二实施方案中，通过可超极化的气体对核进行超极化。在本第二实施方案中，本发明方法的步骤(ⅰ)包括(a)在引入高T1试剂之前、之中或之后，对可超极化的气体进行超极化，由此使所述高T1试剂的核极化；(b)将所述高T1试剂溶解在生理上可接受的溶剂中。
可超极化的气体是指具有非零自旋的角动量的一种气体，该气体能够经过电子跃迁到激发的电子态，此后衰变到基态。取决于光抽运的跃迁和光的螺旋性，可以实现正自旋和负自旋超极化(高达100％)。适用于本发明方法的第二实施方案中的气体的实例包括惰性气体He(例如3He或4He)和Xe(例如129Xe)，优选He，特别优选3He。也可以应用碱金属蒸气，例如Na、K、Rb、Cs蒸气。也可以应用气体的混合物，或者也可以应用液态或固态的可超极化的气体。术语“可超极化的气体”也包括具有非零核自旋的任何气体，其可以通过光抽运极化，并且优选是129Xe或3He。
可以理解在本发明的第二实施方案中，超极化的气体可以直接或间接地将极化转移到高T1试剂的核自旋系统。当高T1时间是用水蒸气间接极化时，有利的是它可以是水溶性的。
对于本发明第二实施方案的极化目的，一般地高T1试剂为气态、液态或固态形式。
在气态下极化高T1试剂时，可以方便地(为从超极化的气体中分离和施用的目的)将其快速地转换为液态或固态。这具有附加的有利增加T1的优点。因此，消除施加于气体混合物上的增加的压力和温度将会导致快进冷却和凝固。而进一步的冷却可能通过使高T1试剂与冷的表面相接触得到。
在优选的实施方案中，在升高的压力和/或低的温度下超极化的流体例如129Xe穿过一柱固态的富集13C和/或富集19F的高T1试剂，直到几乎达到固态的稳态极化。一般地，可以应用任何上述的富集13C的试剂。
在另一优选的实施方案中，超极化的气体在固态高T1试剂的固态/冻结的表面上冻结/结晶，该固态高T1试剂已经制备有尽可能大的表面。在加入热的可施用介质(例如盐水)之前运输该混合物，并在注射之前使其达到生理温度。
可以高度自旋极化状态大量生产129Xe气体。由于氙的有限的溶解性和惰性本质，注意到极化将被转移到其它核。
也可以通过辐射极化试剂进行生产，例如以电子自旋共振跃迁模拟辐射(例如，微波辐射)。这构成了本发明的又一方面。本发明的这一方面是提供一种试样的磁共振研究方法，试样优选人体或非人动物体，所述方法包括ⅰ)通过对极化的试剂进行辐射由此产生动态核极化来生产固态的超极化的129Xe。
在上述方法中，所述极化试剂优选是一种包含不成对电子的物质，例如硝基氧化物、三苯甲游基、Cr(V)或上述的OMRI试剂。
人们已经对应用超极化的气体(如3He和129Xe)作为吸入的造影剂对肺部进行成像的新技术产生了极大的兴趣。然而，生产这些超极化形式的气体是费力且费时。目前，人们最感兴趣的3He可以一小时生产几升的速度进行生产。然而，如果能够在液态或固态中进行超极化，则可以实现高得多的生产速度。仅应用“强力(brute force)”，即温度为毫K，磁场大于10T，的方法将是一种十分昂贵的方法，然而，“双强力”，即在相对适中的温度(几K)下，在自由基(金属离子、三苯甲游基、硝基氧化物等)的存在下对冻结的Xe进行辐射的方法将是一种更实用的方法。将被加入的基团可以是纯品的形式或者为与基体结合的形式。在进行辐射之后，加热试样将释放出超极化的气体，并对新的Xe进行冷凝和辐射。在这种情况下由于超极化是对固态的Xe进行的，所以产生大量气体的可能性将会相当大。
固态的129Xe的主要弛豫机理是与快速弛豫的131Xe(天然氙中的主要成分)进行自旋交换。129Xe和131Xe的磁旋比相差4倍。通常固体的共振线宽的数量级在几千赫兹。当拉莫尔频率之差与线宽的数量级相同时，核的极化将会快速地达到平衡。假设我们有一种低温(比氙的冰点更低，大约150K，取决于压力)、细分地(大约微米颗粒大小)在固态中具有长T1的13C标记的物质试样，并使超极化的氙在粉末上形成霜冻。如果这种操作在合适的磁场强度中进行，则129Xe和13C就会重叠，Xe-C自旋回转(flip-flop)将会很有效，使在氙和碳之间的极化平衡。然后可以将氙抽吸掉，重复这一过程直到实现合适的极化水平。适合的磁场强度取决于确切的线形，但是假设线宽的数量级在5-10千赫兹，对于固体来说这非常普通，最佳的磁场大约为10mT，一般地磁场在NMR磁体或较小的玩具似的磁体的外部。这个的基础在于这种线的中心频率是从属性的，而线宽基本独立于该磁场。
附图3显示了这样一种体系在各种磁场强度下的特性。要考虑的一个重要因素是在试样中的所有的核都必须考虑。本方法作用于由129Xe向13C的转移，并且有可能是转移到29Si，但并不希望应用共振频率比129Xe更接近131Xe的15N。将会存在来自四极核如23Na、79Br、81Br、127I和许多过渡金属的干扰，所有这些都具有类似于碳的共振频率。
为产生超极化的气体，首先对气体进行放电或应用其它方式的激发(例如适当的射频)，使气体产生亚稳态的、未成对电子自旋状态，然后在适当的频率下进行光(例如激光)抽运以产生电子超极化。对于本领域的普通技术人员来说实现这种电子超极化的方法是已知的，或者参见在US-A-5545396中描述的方法。
用于本发明方法的第二实施方案中的优选的可超极化的气体是那些能够与极化的高T1试剂中方便地且快速地分离的气体。尤其有用的是惰性气体，条件是它们具有很低的沸点和惰性。优选，所选择的气体将具有较长的超极化半衰期(优选至少1000秒，尤其优选至少4000秒，特别优选8000秒或更长)。
如果需要的话，可以以超极化态存储超极化的气体较长时间。这是通过将该气体保持在很低的温度(优选冻结态)来实现的。
为使可超极化的气体和高T1试剂容易分离，有利的是这两种物质的组合物是一种非均相系统，例如，在环境温度下高T1试剂为固态。在所有的情况下，高T1试剂和气体、液体或固体之间的扩散距离必须足够小，以达到有效的极化。
在本发明方法的第二实施方案的分离步骤中，比希望从组合物中尽可能快地基本除去全部的超极化气体(或者至少将其降低到生理上可接受的水平)。根据需要，可以重复使用该气体，这可以降低惰性气体的成本。可以应用在本领域中公知的许多物理和化学分离或萃取技术，以快速且有效地将超极化的气体和高T1试剂分离。显然更优选的分离技术是那些能够快速地实施的技术，尤其是那些在高T1试剂的一部分弛豫时间T1中就能够分离的技术。
在本发明方法的第三实施方案中，通过应用如在US-A-5479925(GEC)和US-A-5617859(GEC)中所描述的高场来实施MR成像核的超极化。US-A-5479925公开了一种产生MR血管造影图的方法，在该方法中造影剂穿过体外的小的但磁场较强的极化磁体，以在施用于对象前在试剂中产生高纵向磁化强度。然而，在该文献中没有提到或建议利用高T1试剂来获得一种改善的效果。
一般地说，可以在低温和高场下通过热动态平衡来实现MR成像核的极化。当要施用的对比介质是一种固体材料(例如晶体)，则可以在非常低的温度下将其引入磁场中。在这些情况下，T1非常长(典型地可达很多小时或几个月)，因此介质需要花费一个不可接受的长的时间来达到热动态平衡。因此，如果在梯度场中对比介质有较小的移动，例如通过暴露在磁场梯度和超声波中或通过在梯度场中相对移动，T1就会下降。当达到热动态平衡时，相对于应用在MRI中的普通磁场和室温下，对比介质中的所有核都将会被高极化。这种过程具有的优点是允许对比介质从磁体中去除，并以“准备使用”的形式运输到要使用的地方。优选但不是必须的，在相对较低的温度中进行运输(例如在液氮温度)。高T1试剂的T1会很长，足够在使用之前在室温下进行运输。
在应用所谓“强力”极化作为对试样进行超极化的方法的一个主要障碍是在低温和高场下的长的T1值，通常在温度低于1K下T1值为几个星期。然而，已经发现有可能使用T1的非线性场依赖性，来缩短通过外磁场的逐渐增加进行弛豫所需要的时间。
如上所述，获得超极化的可注射造影剂很有意义。从理论上讲，得到高自旋-极化的物质的最简单的方法是在强磁场中将其冷却到非常低的温度，并且让试样达到热平衡。该技术的使用中的主要实际问题是达到热平衡所需的时间。在温度低于1K下，该过程的时间常数T1的数量级为星期级。
在固体材料中核纵向弛豫的时间常数T1与磁场强度为二次函数关系T1=T1.0+cB2这里T1.0是在没有外部磁场的情况下的弛豫的时间常数，c是常数，B是外部磁场强度。
在给定的磁场强度下试样的磁化速率由下式给出dM/dt=(Mmax-M)/T1这里Mmax是试样在最终磁场中完全弛豫后的磁化强度。由于时间常数的磁场函数是非线性的，通过恒定地调谐外部磁场而在给定的时间达到更大的磁化，以使在所有的时间内磁化速率尽可能地大。选择在附图4和5中所示的实施例来模拟在固体醋酸钠中的羰基碳的特性。在7T时T1的值为1700秒，而T1.0大约为5秒。在7T的恒定磁场中达到与在1700秒后的相同的磁化程度所需的时间降低为1390秒，降低了几乎20％，这可以在温度为毫K的情况下容易地降低了一个星期的平衡时间。最佳的场-倾斜(ramp)如附图4所示，附图5所示为从上面所给定的dM/dt等式中的数值积分得到的预期值。这个过程对于所有的自旋核都可应用，但是对于具有较长T1值的化合物最适合。
如上所述，在应用所谓“强力”极化作为对试样进行极化的方法的一个主要障碍是在低温和高场下T1长，通常在低于1K的温度下T1值为几个星期。可以应用低磁场匹配技术以增强弛豫率和在低温下在固体中的核自旋的极化程度。这就带来附加的优点，强力极化器并不需要任何射频电子。
大家都知道在相同分子中的不同核具有不同的时间常数。加速所研究的13C核的极化并同时得到更好的极化作用的方法是应用从快速弛豫质子到慢速弛豫质子的交叉极化，这是一种在固态NMR光谱学中常用的方法。由于在质子和13C之间的磁旋比的差别大，所以能量差别较大，因此极化转移较慢。质子的磁旋比大约为碳的磁旋比的4倍。这种情况可以利用在Hartman-Hahn条件下的自旋锁定过程改善。在具有长脉冲的幅值(B1)的两种核中自旋锁(90x-长脉冲y)满足Hartman-Hahn条件γHB1H=yCB1C
这里γH是氢的磁旋比，γC是碳的磁旋比，B1H是质子激发场，B1C是碳激发场。
这就允许自旋的相互匹配的回转(flip-flops)。由于这是一种自旋-自旋过程，通常在大约100微秒到几毫秒的时间内发生。
这种存在的一个问题是需要射频电子，并且进一步要求具有足够强的均匀磁场以实现精确的脉冲角度。防止这种问题的方法如下。
表述Hartman-Hahn条件的原始方法为当两个核的共振线重叠时自旋扩散有效。假设衬底为具有半高线宽为5千赫兹的固体材料。该线宽是通过双极耦合产生的，并且与外部磁场无关。Hartman-Hahn条件重新表述如下。当最大的两种共振通过小于其半高线宽的总和来分隔时，发生有效的自旋扩散。满足这种条件下磁场由下式导出共振频率V等于V=γB0/2Ⅱ(1)这里γ是磁旋比，B0是外磁场。所需的分隔V是5千赫兹V=VH-VC=5000s-1(2)结合等式(1)和(2)得到V=B0(γH-γC)/2Ⅱ上式可以写为B0=V2Ⅱ/(γH/γC)=156μT这种磁场是地球磁场的3倍，这意味着如果将试样从极化磁体中取出几秒钟，则在与T2类似的时间阶段极化将在碳和氢之间平衡，因此在T1弛豫变得明显之前有大量的时间将试样再次放回到磁体中，甚至必须记住在低场中固体的T1极大地缩短。然而，它从来都不可能象T2一样地短。
该过程可以在质子被再次极化之后重复进行，连续地形成碳极化，直到这两种核的自旋温度变得相同。在室温下在固体醋酸钠中的质子的T1值为31秒，而在相同试样中的羰基碳中的T1值为1700秒。如果能够完全利用这种差别，则可以缩短极化时间55倍。通常氟弛豫比质子快，因此有可能在造影剂分子中包含氟原子作为内弛豫剂。
对于这种过程也可能使用四极核。在室温下在固体醋酸钠中的钠离子的T1为1.7秒。钠的磁旋比仅比碳的磁旋比稍微高点，这意味着平衡在高得多的磁场中达到，在这种情况中在8.9mT下，磁场大约在高出7T NMR磁体的Dewar之上15cm。这非常有助于在低温下快速极化试样，但是在存储极化试样的过程中也是一个问题。磁性存储场必须足够大以避免不希望的核和任何快速弛豫四极核的共振交叠。已知当对四极131Xe的自旋扩散变得有效时，这种现象能够在低场中引起冻结的129Xe快速弛豫。
而且还存在极化从不成对电子转移到碳上的可能性。由于磁旋比存在极大的差别，这就要求比地磁场低得多的磁场以变得有效。这种较低的磁场要求将试样移动到磁屏蔽区域中。实现该目的的一种方法是具有一个小磁体，其具有沿主线圈的极性轴具有一定距离的相反磁性。经过精心设计能够取消在小磁体中心的磁场。
在本发明的第三实施方案中使用的磁场强度应尽可能地强，优选大于1T，更优选5T或更大，特别优选15T或更大。温度应非常低，例如100K或更低，优选4.2K或更低，更优选1K或更低，还更优选0.1K或更低，特别优选1mK或更低。
因此，本发明的又一方面是提供一种制备极化的高T1试剂的方法，所述方法包括(ⅰ)在低温(例如100K或更低)下，将高T1试剂放在强的磁场(例如1T或更强)中；(ⅱ)使该试剂受到T1缩短效应(T1shortening effect)，以在所述低温下实现热动态平衡。
T1缩短效应可以通过下述方式得到，通过暴露在可变的磁场梯度中，但其也可以通过在该试剂暴露在低温中的过程中向试剂中加入磁性材料(例如顺磁材料、超顺磁材料或铁磁材料)来实现，通过与一场循环的场(field cyclingto a field)允许交叉极化，通过以这样一种速率逐渐增加磁场使得高T1试剂的极化的增加最大化，通过以这样一种速率逐渐地降低温度使得高T1试剂的极化的增加最大化，或者通过在当高T1试剂暴露在所述低温下的过程中加入具有不成对电子的材料。可能的T1缩短试剂包括Gd和NO·，但优选的T1缩短试剂是O2和NO，它们可以在传输和随后的使用之前方便地从高T1试剂中分离。
在本发明的第三实施方案中，高T1试剂和高T1试剂溶解在其中的水性溶剂(例如水)都可以被极化。这可以在低温下在相同的磁场中方便地实施，而且在混合之后应该在施用之前快速加热可施用的组合物。
因此根据本发明的又一方面，本发明提供一种可施用的组合物，其包括极化的高T1试剂和极化的水。
用于本发明方法中的高T1试剂可以方便地与常规的药物或兽药载体或赋形剂一起配制。根据本发明生产或使用的制剂除高T1试剂外制剂助剂，如在人或兽医学中通常用于治疗或诊断的那些。因此制剂例如可以包括稳定剂、抗氧剂、渗透性调整剂、增溶剂、乳化剂、粘度增强剂、缓冲剂等。制剂可以是适合于胃肠外(例如静脉内、动脉内)或肠内(例如口服或直肠)应用，例如直接应用到带有外部排放导管的体腔内(如肺、胃肠道、膀胱和子宫)，或者注射或灌输到心血管系统。然而，通常优选在生理上可耐受的载体中的溶液、悬浮液或分散液。
为用于在体内成像，优选基本上等渗的制剂可方便地以足以在成像区产生1毫摩尔至10mM高T1试剂的浓度给服；然而精确的浓度和剂量当然要取决于一系列如毒性、高T1试剂的器件靶向能力以及服用途径的因素。MR成像剂的最佳浓度为在各种因素之间的平衡。通常，在大多情况下的最佳浓度为0.1mM到10M，优选10mM以上，特别是在100mM以上。特别优选的可以是等渗溶液。在某些情况下，优选大于1M的浓度。对于静脉内或动脉内施用的制剂优选包含高T1试剂，浓度为0.1mM到10M，特别是高于50mM。对于集合药团注射，浓度可方便地为0.1mM到56M，优选高于200mM，更优选高于500mM。在某些情况下，优选的浓度是在1M以上，更优选的是在5M以上。
非经肠道的可施用形式应是无菌的并且没有生理上不可接受的试剂，并且应具有低渗透性以使刺激或其它的对施用不利的影响最小，因此制剂优选是等渗的或微高渗的。合适的载体包括通常在给服非经肠胃溶液常用的载体，如氯化钠溶液、林格氏溶液、葡萄糖溶液、葡萄糖和氯化钠溶液、乳酸化的林格氏溶液和其它溶液，如公开在下述文献中的溶液Remington′sPharmaceutical Sciences，15thed.EastonMack Publishing Co.，1405-1412页和1461-1487页(1975)，以及The National Formulary ⅩⅣ，14thed.WashingtonAmerican Pharmaceutical Association(1975)。组合物可以包含防腐剂、抗菌剂、用于非经肠胃溶液的缓冲剂和抗氧化剂、赋形剂和其它附加剂，它们和高T1试剂相溶，并且不干扰产品的制造、存储或使用。
当高T1试剂要被注射时，它可以方便地在一系列施用点同时注射，从而在极化通过弛豫消失前可以看到大部分的血管树。
依据本发明方法使用的高T1试剂的剂量可以根据所使用的高T1试剂、所研究的组织或器官以及测量装置的确切性质而变化。优选剂量应尽可能低，仍可达到可检测的对比效果。通常，最大剂量取决于毒性的限制。
所有在本文中引用的文献被本文引为参考。
参考下文的非限制性的实施例和附图继续说明本发明，其中附图1所示为适于实施本发明第一实施方案的流程示意图；附图2所示为在金属箱(3)中的介电共振器(1)(其具有旋转对称轴(2))；附图3所示为在各种磁场强度下的系统性能；附图4所示为磁化对时间的图；附图5所示为磁场对时间的图。
实施例1在很低的温度(大约4K)下将高T1试剂放在一室中。加入液氧O2，并使其在高T1试剂的表面结晶。在一分离的室中，对冻结的H2O进行与高T1试剂相同的处理。将这两个室都放在较强的磁场(大约为15T)中，并使温度仍然保持很低。
当达到热动态平衡时，增加温度到大约200K。氧以气体的形式消散。高T1试剂和冻结的H2O混合并一直存储到需要的时候。增加温度，并注射包含极化的高T1试剂和超极化的水的溶液。
实施例2将消过毒的300mg的Na213CO3或NaH13CO3放在10ml塑料注射管中。在注射管中的气体富集有大于20％的氧。在大约4K(0.001-5K)的温度下将注射管放在磁体(1-20T)的里面，直到达到热动态平衡。
取出注射管并送到位于MRI磁体中的对象处。吸出无菌的林格氏溶液(在37℃，pH7.4)10ml，在高T1试剂溶解后立即以10ml/秒的速度注射。应用快速脉冲序列实施13CMRI。在血液中的T1大约为20秒，在MR成象器上跟踪试剂的分布。
实施例3向醋酸钠(1-13C)的试样中加入α，γ-联苯-β-苯基烯丙基苯复合物(5％w/w)。将该混合物一起研磨以得到充分的混合物，将其转移到硼硅酸盐玻璃安瓿中。然后反复地抽出和充入氦。最后，将压力为200毫巴的氦留在玻璃安瓿中，然后对其进行火焰密封。
在温度为4.2K、磁场为2.5T下通过微波(70 Ghz)对试样进行极化至少一个小时。极化过程后就地进行NMR(快速绝热通道)。当达到合适的极化程度时，从极化器中快速地取出安瓿，同时将其放在不小于50mT的磁场中进行处理，敲开，使在里面的物质快速地放出来并溶解在热水(40℃)中。
实验1将这种溶液快速地转移到光谱仪中，记录具有增强强度的13C光谱。
实验2将试样溶液插入到具有13C容量的MRI机器中，因此通过一次注射技术能够得到具有增强的强度和对比度的图像。
实验3将溶液快速地注射到老鼠身体中，在这种情况下也是通过利用一次注射技术得到具有增强的强度和对比度的图像。
实施例4向碳酸氢钠-13C的试样中加入MnCl2(5％W/W)。将该混合物一起研磨以得到充分的混合物，将其转移到硼硅酸盐玻璃安瓿中。然后反复地抽出和充入氦。最后，将压力为200毫巴的氦留在玻璃安瓿中，然后对其进行火焰密封。
在温度为4.2K、磁场为2.5T下通过微波(70 Ghz)对试样进行极化至少一个小时。极化过程后就地进行NMR(快速绝热通道)。当达到合适的极化程度时，从极化器中快速地取出安瓿，同时将其放在不小于50mT的磁场中进行处理，敲开，使在里面的物质快速地放出来并溶解在热水(40℃)中。
实验1将这种溶液快速地转移到光谱仪中，记录具有增强的强度的13C光谱。
实验2将试样溶液插入到具有13C容量的MRI机器中，因此通过一次注射技术得到具有增强的强度和对比度的图像。
实验3将溶液快速地注射到老鼠身体中，在这种情况下也是通过利用一次注射技术得到具有增强的强度和对比度的图像。
实施例5-7低磁场抽吸13C
实施例5在温度为2.5K下，将固态1-13C-2，2，2′，2′，2″，2″-六氘三(羟甲基)硝基甲烷试样放在6.56T的磁场中10分钟。然后将试样从磁体的中心取出并放到漏磁场(7mT)中持续1秒钟，然后又将其返回到磁体中。在经过10分钟后再重复这种过程一次。记录固体试样的13C-NMR光谱，信号被发现与在6.56T和2.5K下的热平衡一致。
在1-13C-2，2，2′，2′，2″-六氚三(羟甲基)硝基甲烷中的13C原子的T1值H2O，空气饱和，37℃，7T95秒H2O，脱气，37℃，7T102秒人血浆，37℃，7T 60秒固体，20℃，7T22分钟固体，-30℃，7T 47分钟固体，2.5K，7T55小时实施例6在温度为2.5K下，将固态的1-13C-1，1-二(羟基二氘甲基)-2，2，3，3-四氘环丙烷试样放在6.56T的磁场中10分钟。然后将试样从磁体的中心取出并放到漏磁场(7mT)中持续1秒钟，然后又将其返回到该磁体中。在过10分钟后重复这种过程一次。记录固体试样的13C-NMR光谱，信号被发现与在6.56T和2.5K下的热平衡一致。
实施例7在温度为2.5K下将固态2-13C-2，2-二(三氘甲基)-1，1，3，3-四氘丙烷-1，3-二醇试样放在6.56T的磁场中10分钟。然后将试样从磁体的中心取出并放到漏磁场(7mT)中持续1秒钟，然后又将其返回到该磁体中。在经过10分钟后再重复这种过程一次。记录固体试样的13C-NMR光谱，信号被发现与在6.56T和2.5K下的热平衡一致。
在2-13C-2，2-二(三氚甲基)-1，1，3，3-四氘环丙烷-1，3-二醇中的13C原子的T1值H2O，空气饱和，37℃，7T133秒H2O，脱气，37℃，7T157秒人血浆，37℃，7T 96秒固体，20℃，7T237秒固体，2.5K，7T45小时实施例8-9溶液实验实施例8对固态的1-13C-2，2，2′，2′，2″，2″-六氘三(羟甲基)硝基甲烷试样(20mg)进行如上述的抽吸过程(参见实施例5-7)，然后在40℃下在小于1秒内将其移到0.4T的保持磁场中，这个保持磁场中还有一种氧化氘试样(3ml)，通过氮起泡进行搅拌。在液体中加入固体，并在不到1秒的时间内得到一澄清的溶液。通过用滴管吸取这种溶液到5mm标准NMR试管中并将其移到NMR-光谱计附近，同时将其保持在10mT的磁场中。将试样插入到该光谱计中并记录13C光谱。将试样移出低温磁体、溶解、试样制备、传输和记录光谱的整个过程耗时35秒钟。在40℃和7T下将13C信号的强度与试样达到热平衡后的强度相比，发现增强了12倍。
实施例9对固态的2-13C-2，2-二(三氘甲基)-1，1，3，3-四氘丙烷-1，3-二醇试样(20mg)进行如上述的抽吸过程(参见实施例5-7)，然后在40℃下在不到1秒钟内将其移到0.4T的保持磁场中，这个保持磁场中还有一种氧化氘试样(3ml)，通过氮起泡进行搅拌。将固体加入到液体中，并在不到1秒的时间内得到一澄清的溶液。通过用滴管吸取这种溶液到5mm标准NMR试管中并将其移到NMR-光谱计附近，同时将其保持在10mT的磁场中。将试样插入到该光谱计中并记录13C光谱。将试样移出低温磁体、溶解、试样制备、传输和记录光谱的整个过程耗时35秒钟。在40℃和7T下将13C信号的强度与试样达到热平衡后的强度相比，发现增强了21倍。
权利要求
1．一种磁共振研究试样的方法，试样优选为人或非人动物体，所述方法包括(ⅰ)通过将高T1试剂的超极化的固体试样溶解在生理上可接受的溶剂中而生产所述高T1试剂的超极化的溶液；(ⅱ)其中，在步骤(ⅰ)中的所述高T1试剂的固体试样的超极化是通过极化试剂实施的，任选地将全部、基本上全部或一部分的所述极化试剂与所述高T1试剂分离；(ⅲ)将所述超极化溶液施用于所述试样；(ⅳ)将所述试样暴露在选定频率的辅助辐射中，以激发在高T1试剂的MR成像核中的核自旋跃迁；(ⅴ)检测来自所述试样的磁共振信号；和(ⅵ)可选择地，根据所述检测信号产生图像、动态流动数据、扩散数据、灌注数据、生理数据或代谢数据，其中在所述超极化溶液中的所述高T1试剂的T1值(在磁场强度范围为0.01-5T，并且温度范围为20-40℃)至少为5秒。
2．如权利要求1所述的方法，其中在传输过程中固体高T1试剂的极化保持在磁场和低温中。
3．如权利要求2所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于10mT。
4．如权利要求2所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于0.1T。
5．如权利要求2所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于0.5T。
6．如权利要求2所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于1T。
7．如权利要求2至6中的任一项所述的方法，其中在所述传输过程中温度低于80K。
8．如权利要求2至6中的任一项所述的方法，其中在所述传输过程中温度低于4.2K。
9．如权利要求2至6中的任一项所述的方法，其中在所述传输过程中温度低于1K。
10．如前述任一项权利要求所述的方法，其中由此形成的超极化溶液在传输过程中在磁场中保持其磁化。
11．如权利要求10所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于10mT。
12．如权利要求10所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于0.1T。
13．如权利要求10所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于0.5T。
14．如权利要求10所述的方法，其中在所述传输过程中磁场大于1T。
15．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂以1mM/3T1的速率溶解在生理上可接受的载体中为至少1mM的浓度。
16．如权利要求15所述的方法，其中所述高T1试剂以1mM/2T1的速率溶解在生理上可接受的载体中为至少1mM的浓度。
17．如权利要求15所述的方法，其中所述高T1试剂以1mM/T1的速率溶解在生理上可接受的载体中为至少1mM的浓度。
18．如前述任一项权利要求所述的方法，其中在溶解阶段存在一磁场。
19．如权利要求18所述的方法，其中所述磁场大于10mT。
20．如权利要求18所述的方法，其中所述磁场大于0.1T。
21．如权利要求18所述的方法，其中所述磁场大于0.5T。
22．如权利要求18所述的方法，其中所述磁场大于1T。
23．如前述任一项权利要求所述的方法，其中步骤(ⅰ)包括通过辐射一种极化试剂来极化固态高T1试剂，由此产生动态核极化。
24．如权利要求1所述的方法，其中步骤(ⅰ)包括在向其中引入高T1试剂之前、之中或之后极化可极化的气体，由此产生所述高T1试剂的核极化。
25．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂具有的T1值至少为10秒(磁场强度为0.01-5T，温度范围为20-40℃)。
26．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂具有的T1值至少为30秒(磁场强度为0.01-5T，温度范围为20-40℃)。
27．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂具有的T1值至少为70秒(磁场强度为0.01-5T，温度范围为20-40℃)。
28．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂具有的T1值至少为100秒(磁场强度为0.01-5T，温度范围为20-40℃)。
29．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂包含13C核。
30．如权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述高T1试剂包含15N核。
31．如权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述高T1试剂包含29Si核。
32．如权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述高T1试剂包含31P核。
33．如权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述高T1试剂包含1H核。
34．如权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述高T1试剂包含19F核。
35．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂的化学位移超过2ppm每2pH单位或每开尔文K或取决于代谢。
36．如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述高T1试剂的化学位移超过10ppm每2pH单位或每开尔文K或取决于代谢。
37．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过5％量的13C。
38．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过10％量的13C。
39．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过25％量的13C。
40．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过50％量的13C。
41．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过99％量的13C。
42．如权利要求29所述的方法，其中所述高T1试剂在一个或多个羰基或季碳位置上富集13C。
43．如权利要求42所述的方法，其中高T1试剂是重氢标记的。
44．如权利要求43所述的方法，其中所述重氢标记与13C核相邻。
45．如权利要求30所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过5％量的15N。
46．如权利要求30所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过10％量的15N。
47．如权利要求30所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过25％量的15N。
48．如权利要求30所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过50％量的15N。
49．如权利要求30所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过99％量的15N。
50．如权利要求31所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过5％量的29Si。
51．如权利要求31所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过10％量的29Si。
52．如权利要求31所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过25％量的29Si。
53．如权利要求31所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过50％量的29Si。
54．如权利要求31所述的方法，其中所述高T1试剂在其分子结构中的一个特定位置上具有超过99％量的29Si。
55．如权利要求24所述的方法，其中所述可超极化的气体是一种惰性气体。
56．如权利要求55所述的方法，其中所述惰性气体选自He和Xe。
57．如权利要求55所述的方法，其中所述惰性气体是3He。
58．如权利要求24所述的方法，其中所述可超极化的气体以液态或固态的形式使用。
59．如权利要求24所述的方法，其中所述可超极化的气体是两种或多种气体的混合物。
60．用于前述任一项权利要求的方法中的包括极化的富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H的化合物以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂的组合物。
60．一种对比介质，包括极化的高T1的试剂以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂，所述高T1试剂富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H核，其在0.01-10T的磁场下在溶液中的T1为2秒或更长。
62．如权利要求61所述的对比介质，包括极化的高T1试剂以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂，所述高T1试剂富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H核，其在0.01-10T的磁场下在溶液中的T1为10秒或更长。
63．如权利要求61所述的对比介质，包括极化的高T1试剂以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂，所述高T1试剂富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H核，其在0.01-10T的磁场下在溶液中的T1为30秒或更长。
64．如权利要求61所述的对比介质，包括极化的高T1试剂以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂，所述高T1试剂富集13C、15N、19F、29Si、31P或1H核，其在0.01-10T的磁场下在溶液中的T1为60秒或更长。
65．如权利要求1所述的方法，其中步骤(ⅰ)包括ⅰ)在低温下，将所述高T1试剂放在强磁场中；ⅱ)将所述试剂暴露于T1缩短效应，以在所述低温下达到热动态平衡。
66．如权利要求65所述的方法，其中所述磁场大于1T。
67．如权利要求65所述的方法，其中所述磁场为5T或更大。
68．如权利要求65所述的方法，其中所述磁场为15T或更大。
69．如权利要求65-68中任一项所述的方法，其中所述低温为100K或更低。
70．如权利要求65-68中任一项所述的方法，其中所述低温为4.2K或更低。
71．如权利要求65-68中任一项所述的方法，其中所述低温为1K或更低。
72．如权利要求65-68中任一项所述的方法，其中所述低温为0.1K或更低。
73．如权利要求65-72中任一项所述的方法，其中所述T1缩短效应是通过暴露在可变的磁场梯度中得到的。
74．如权利要求65-72中任一项所述的方法，其中所述T1缩短效应是通过与一场循环的场进行交叉极化得到的。
75．如权利要求65-72中任一项所述的方法，其中所述T1缩短效应是通过以使高T1试剂的极化增加最大化的速率逐渐增加磁场而得到的。
76．如权利要求65-72中任一项所述的方法，其中所述T1缩短效应是通过以使高T1试剂的极化增加最大化的速率逐渐降低温度而得到的。
77．如权利要求65-76中任一项所述的方法，其中所述T1缩短效应是通过在试剂暴露于低温的过程中加入具有不成对电子的材料而得到的。
78．如权利要求77中所述的方法，其中所述磁性材料选自O2或NO。
79．一种可施用的组合物，包括溶解在水性溶剂中的如前述65-78中的任一项所制备的极化的高T1试剂。
80．如权利要求79所述的组合物，其中所述水性溶剂也被极化。
81．如权利要求79或80所述的组合物，其中所述水性溶剂是水。
82．如权利要求79至81中的任一项所述的组合物，包括富集极化的13C、15N、19F、29Si、31P或1H的化合物以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂。
83．一种对比介质，包括如权利要求65至78中的任一项所述制备的富集13C核的极化的高T1试剂以及一种或多种生理上可耐受的载体或赋形剂，所述高T1试剂在0.005-10T的磁场下在溶液中的T1弛豫时间为2秒或更长。
84．一种磁共振研究试样的方法，试样优选为人或非人动物体，所述方法包括ⅰ)通过照射极化的试剂由此产生动态核极化来产生超极化的129Xe。
85．如权利要求84所述的方法，其中所述极化试剂是包含未成对电子的物质。
86．如权利要求85所述的方法，其中所述极化试剂包括硝基氧化物、三苯甲游基或Cr(V)部分。
全文摘要
本发明提供一种磁共振研究试样的方法,试样优选为人或非人动物体,所述方法包括:(i)通过将高T
文档编号G01R33/48GK1285044SQ9881295
公开日2001年2月21日 申请日期1998年12月23日 优先权日1998年1月5日
发明者简·H·阿登克贾－拉森, 奥斯卡·阿克塞尔森, 克莱斯·戈尔曼, 拉斯-戈兰·威斯特兰德, 乔格·汉森, 伊勃·勒恩巴赫, 斯蒂芬·彼得森 申请人:耐克麦德英梅金公司