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NMR with Hyperpolarized Spin Systems

Dynamic ¹³C MRS after the administration of hyperpolarized Pyruvate (signal at 172 ppm, with its hydrated form at 180 ppm) into living tissue to assess enzymatic activity in vivo. After transport via Monocarboxylate Transporters (MCT) into cells, Lactate Dehydrogenase (LDH) transfers hyperpolarization to Lactate (signal at 184 ppm), and Alanine-Aminotransferase (ALT) to Alanine (signal at 176 ppm). The hyperpolarization decays after a few minutes.
© dkfz.de

The NMR signal in living tissue is fundamentally limited by the available thermal polarization of P ≈ 10-6. Outside tissues, though, polarization levels can be manipulated to values of P ≈ 0.5 using hyperpolarization techniques, e.g. dynamic nuclear polarization (DNP), yielding a tremendous gain in NMR signal by about five orders of magnitude. Following the administration of substances carrying hyperpolarized spins, highest NMR signal is also exploitable in living tissue for the lifetime of polarized states (on the order of minutes), enabling NMR applications of unprecedented sensitivity.

One such application is metabolic MR using hyperpolarized 13C (see Figure): 13C-enriched, endogenous substrates (e.g. 1-13C-Pyruvate) are hyperpolarized and subsequently administered into living beings, where cellular metabolism 'transfers' the hyperpolarized 13C nuclei to other substances. As a consequence, the NMR signals of downstream metabolic products (e.g. 1-13C-Lactate) are also enhanced and become detectable. Utilizing dynamic 13C NMR techniques, each hyperpolarized metabolite can be identified by its individual 13C resonance frequency (chemical shift), and tracking the time course of hyperpolarized signals enables to quantify enzymatic activity (e.g. Lactate Dehydrogenase) in real time.
This way, the metabolic alterations of cancer tissues can be assessed, e.g., the increased activity of Lactate Dehydrogenase leading to an increased flux of Pyruvate to Lactate compared to healthy tissues. To realize assessment of cancer metabolism via hyperpolarized 13C also in humans, our research group currently establishes this cutting-edge technology using a SPINlabTM DNP system for clinical application.

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