German Title: Weiterentwicklung der Natrium Triple-Quanten (TQ) Nuklearer Magnetresonanz (NMR) Spektroskopie und Bildgebung

PDF, English - main document Restricted access: Repository staff only until 1 August 2024. Login+Download (7MB) | Terms of use

Abstract

Slow interactions of sodium ions with macromolecules result in a sodium triple quantum (TQ) signal. This TQ signal is intracellularly sensitive and promises to be a valuable biomarker for cell viability. However, a deeper understanding of the sodium molecular environment and the detected TQ signal as well as substantial reduction in measurment time are necessary to leverage the full potential of the sodium TQ signal in clinical applications. As a first step of this thesis, a simulation framework for sodium nuclear magnetic resonance (NMR) dynamics was implemented, including a refined motion model for simultaneous compatibility with T1 and T2 relaxation times. For both the TQ time proportional phase intrement (TQTPPI) and the inversion recovery TQTPPI (IRTQTPPI) sequences, the simulation showed good agreement with the experimental data. In a second step, the sodium molecular environment was further investigated by using globular proteins of different sizes with different sodium binding affinities. TQ signal increased with protein size. However, a strong sodium binding affinity and the structure of the protein hydration shell had a stronger influence than the protein size. In a third step, a novel IRTQTPPI sequence was proposed to investigate the TQ signal and thus the sodium molecular environment on a different time scale. This sequence allows for a reliable and simultaneous quantification of T1 relaxation times and TQ signal. Measurements at 9.4 T and 21.1 T showed a separation of T1 relaxation times of at least 15 ms and a strong T1-TQ signal for agar samples. The separation in T1 relaxation time and T1-TQ signals were smaller than their T2 counterparts, indicating a unique sensitivity of the T1-TQ signal to a molecular environment on a different time scale. In the last part of this thesis, a novel and fast TQ acquisition method using only a single pulse sequence was proposed. The TQ signal of this method was in close agreement with the TQTPPI sequence and the theoretical prediction. Furthermore, the method reproduced the expected TQ signal behavior even for multi-compartment systems and in the presence of noise. This approach, combined with multi-echo ultra-short echo time (UTE) imaging, provides an efficient method to extract the sodium TQ signal in vivo without increasing acquisition time compared to SQ sequences and a dramatically reducing scan time compared to conventional phase cycling sequences. The proposed NMR techniques are a promising research tool to obtain a deeper understanding of the sodium molecular environment and thus leverage the full potential of the sodium TQ signal in vivo.

Translation of abstract (German)

Langsame Wechselwirkungen von Natriumionen mit makromolekülen führen zu einem Natrium-Triple-Quantum (TQ)-Signal. Dieses TQ-Signal ist intrazellulär empfindlich und verspricht, ein wertvoller Biomarker für die Lebensfähigkeit von Zellen zu sein. Allerdings sind ein tieferes Verständnis der molekularen Natriumumgebung und des nachgewiesenen TQ-Signals sowie eine erhebliche Verkürzung der Messzeit erforderlich, um das volle Potenzial des Natrium-TQ-Signals in klinischen Anwendungen zu nutzen. Als erster Schritt dieser Arbeit wurde ein Simulationsframework für die Dynamik der Natrium-Kernspinresonanz (NMR) implementiert, einschließlich eines verfeinerten Bewegungsmodells für die gleichzeitige Kompatibilität mit T1 und T2 Relaxationszeiten. Sowohl für die TQ time proportional phase increment (TQTPPI) Sequenz als auch für die Inversion Recovery TQTPPI (IRTQTPPI) Sequenz zeigte die Simulation eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. In einem zweiten Schritt wurde die molekulare Umgebung der Natriumionen weiter untersucht, indem globuläre Proteine verschiedener Gröûe mit unterschiedlichen Natriumbindungsaffinitäten verwendet wurden. Das TQ-Signal nahm mit der Größe des Proteins zu. Allerdings hatten eine starke Natriumbindungsaffinität und die Struktur der Proteinhydratationshülle einen stärkeren Einfluss als die Proteingröße. In einem dritten Schritt wurde eine neuartige IRTQTPPI-Sequenz vorgeschlagen, um das TQ-Signal und damit die molekulare Natriumumgebung auf einer anderen Zeitskala zu untersuchen. Diese Sequenz ermöglicht eine zuverlässige und gleichzeitige Quantifizierung der T1-Relaxationszeiten und des TQ-Signals. Messungen bei 9.4 T und 21.1 T zeigten eine Trennung der T1-Relaxationszeiten von mindestens 15 ms und ein starkes T1-TQ-Signal für Agarproben. Der Abstand zwischen den T1-Relaxationszeiten und den T1-TQ Signalen war kleiner als die T2 Relaxationszeiten und TQ Signale, was auf eine einzigartige Empfindlichkeit des T1-TQ-Signals gegenüber der molekularen Umgebung auf einer anderen Zeitskala hinweist. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine neuartige und schnelle TQ-Akquisitionsmethode mit nur einer Singlepulssequenz vorgeschlagen. Das TQ-Signal dieser Methode hat gut mit der TQTPPI-Sequenz und der theoretischen Vorhersage übereingestimmt. Darüber hinaus reproduzierte die Methode das erwartete TQ-Signalverhalten auch bei Systemen mit mehreren Kompartimenten und für verrauschte Daten. Dieser Ansatz stellt in Verbindung mit einer Multiecho Ultra-short (UTE) Bildgebungsequenz eine effiziente Methode zur Extraktion des Natrium-TQ-Signals in vivo dar, ohne dass die Messzeit im Vergleich zu SQ-Sequenzen verlängert und die Messzeit im Vergleich zu herkömmlichen Phasenzyklus-Sequenzen drastisch reduziert. Die vorgeschlagenen NMR-Techniken sind ein vielversprechendes Forschungsinstrument, um ein tieferes Verständnis der molekularen Umgebung von Natrium zu erlangen und so das volle Potenzial des Natrium-TQ-Signals in vivo zu nutzen.