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Polarisation nucléaire dynamique : une entrevue avec professeur Robert Griffin, Massachusetts Institute of Technology

Professor Robert Griffin
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Pouvez-vous donner une brève introduction vous-même et votre travail sur la polarisation nucléaire dynamique ?

Je suis professeur Robert Griffin et j'enseigne la physico-chimie chez Massachusetts Institute of Technology. Nous avions travaillé à la polarisation nucléaire dynamique (DNP) pendant presque 30 années maintenant, depuis 1986, quand nous avons reçu notre premier NIH Grant pour établir le matériel requis pour DNP.

Pouvez-vous expliquer brièvement comment DNP fonctionne ?

DNP, ou polarisation nucléaire dynamique, est une technique RMN qui transfère la polarisation à partir des rotations d'électron sur les spins nucléaires, utilisant l'irradiation hertzienne continuelle pour activer le transfert.

Puisque l'importance de polarisation de rotation dans les électrons peut être beaucoup plus grande qu'au noyau, ceci amplifie effectivement la polarisation de spin nucléaire de la voie d'échantillon au-dessus de ce que vous verriez à l'équilibre thermique dans des conditions RMN normales.

Ceci rend les mesures RMN beaucoup plus sensibles - quelque chose de 20 fois, jusqu'à 100 fois meilleur, qui nous permet de voir des petits groupes en structures moléculaires qui exigeraient impossiblement les inducteurs élevés en spectroscopie RMN conventionnelle.

Bruker - griffon de Bob

Comment DNP premier a-t-il été développé ?

L'utilisation de DNP était proposée par Albert qu'Overhauser dans le 1950s.The expérimentent d'abord utilisant la technique a été exécuté dans le service de physique à l'Université de l'Illinois par Charlie Slichter et son stagiaire Tom Carver.

Ils métal irradié de lithium avec des hyperfréquences basses fréquences, utilisant un inducteur très inférieur, d'environ 30 gauss, parce que l'électronique sont très simple pour traiter à cette fréquence.

Tout le monde était très enthousiaste à son sujet et pendant les années 1960 et vers la fin des années 1970, les gens ont commencé à essayer d'exécuter DNP à de plus hautes et plus hautes fréquences, qu'ils ont réalisées avec la réussite modeste.

Le problème était réellement qu'ils employaient des solutions, souvent solutions aqueuses, et il y avait beaucoup de chauffage diélectrique des hyperfréquences - assimilées à quand vous chauffez une cuvette de café dans le four micro-ondes.

Il y avait beaucoup de problèmes techniques liés à celui.

En même temps, on introduisait des aimants RMN supraconducteurs qui ont signifié que si vous alliez employer DNP vous avez dû avoir de plus hautes et plus hautes fréquences micro-ondes procurables.

Jusqu'à ces derniers temps, quand nous avons commencé à travailler à DNP, vous pourriez seulement acheter des sources commerciales d'hyperfréquences, qui vous ont limité à 60 mhz pour le proton RMN et ce n'est juste pas très intéressante aux gens aujourd'hui.

Quand nous sommes entrés dans DNP, j'ai pris une décision et ai argué du fait que si nous allions faites ceci, alors nous avons dû développer les sources d'hyperfréquences qui nous permettraient de nous relever aux fréquences utilisées dans des expériences RMN contemporaines.

Cela signifierait 400 mhz au commencement, puis 600, 800, et éventuellement jusqu'aux champs RMN de 1,2 gigahertz qui vont être produits par Bruker dans un avenir proche.

Nous avons alors réalisé un grand investissement en technologie. Nous avons décidé que nous avons eu besoin d'une source d'hyperfréquences de gyrotron et heureusement, étant à une place comme le MIT, mon collègue Richard Temkin qui était en travers de la rue, a su établir un gyrotron.

Ce que nous avons fait ensuite était d'assembler un système qui fonctionne à 211 mhz utilisant un gyrotron de 140 gigahertz. C'était le premier spectromètre de DNP et fonctionne toujours réellement comme spectromètre de la haute fréquence DNP aujourd'hui. C'est plus ou moins l'origine de DNP.

Development & Commercialization of Dynamic Nuclear Polarization (DNP) with Professor Robert Griffin

Quelles étaient les étapes principales dans le développement de DNP ?

La première grande étape obtenait réellement le gyrotron de 140 gigahertz et le spectromètre de 211 mhz liés à elle pour fonctionner. C'était une étape énorme pour nous et en 1993 nous publiés le premier papier à son sujet dans les lettres matérielles de révision.

Cet article nous a décrits utilisant ` BDPA appelé radical' que nous avons mis dans le polystyrène. Cependant, c'était tout étant payé pour par le NIH et ils n'étaient pas très intéressés par un polymère chimique comme le polystyrène ; ils ont réellement voulu polariser des protéines.

Quelques ans après, en 1995, nous avons finalement obtenu quelque chose opérant qui pourrait être appliquée aux protéines et qui était une autre grande étape. Nous avons figuré à l'extérieur que vous pourriez employer les radicaux libres solubles dans l'eau de RYTHME pour polariser des solutions de glycérol de l'eau et pour obtenir des améliorations très grandes. Nous avons obtenu une amélioration de 180, qui est assez respectable même par des normes d'aujourd'hui.

En ce point, bien que nous ayons eu un gyrotron de fonctionnement, c'était réellement un dispositif fait maison il était très difficile utiliser qu'et pourrait seulement réellement faire ainsi pour environ 30 mn ou une heure si nous étions chanceux. Après cela, vous avez dû l'arrêter pour le laisser « poser » pendant un moment et avez laissé son aspirateur récupérer.

La prochaine grande étape construisait pour cette raison un dispositif qui a été correctement configuré et pourrait pomper à l'extérieur l'aspirateur très bien. Ce gyrotron derrière nous, par exemple, fonctionne type à un aspirateur de 10-8 et à préférable 10-9 ou 10-10 torr.

Nous avons établi un tube neuf de 250 gigahertz qui fonctionne réellement continuement. Nous l'avons fait fonctionner pendant presque dix années et alors il a eu un échec d'aspirateur mais nous l'avons depuis remis ensemble et il avait fonctionné très bien, pendant environ six ou huit mois sans interruption maintenant.

Obtenant une source d'hyperfréquences de gyrotron qui était très stable et relativement facile à utiliser, était réellement une étape importante à la prochaine étape de développer la technique et elle nous a permise de commencer à enregistrer des éventails des protéines.

En 2008 et 2009, nous publiés certains des tous premiers, réellement gentils spectres améliorés de DNP du bacteriorhodopsin, qui est une protéine très célèbre de membrane.

La prochaine opération était de prendre aux 250 gigahertz (ou à 380 mhz pour des protons), qui est toujours un inducteur très modeste pour RMN, jusqu'à 600, 700 ou 800 mhz. Nous avons alors établi un gyrotron de 460 gigahertz qui correspond à un gisement de fonctionnement de proton de 700 mhz et c'était la prochaine grande étape.

Peut-être une cinquième grande étape réalisait le fonctionnement de température réellement courante et basse qui est essentiel pour DNP car vous avez besoin de la stabilité de température très bonne au-dessus des longues périodes de temps - environ une semaine. Ainsi, tous ces accomplissements techniques sont venus ensemble pour développer et produire ce matériel.

Un un autre très, très part importante de DNP a les molécules paramagnétiques sous forme de radicaux libres stables, ce servir de source de polarisation. Certains des agents de polarisation les plus efficaces ont été développés par Kan HU, un étudiant de troisième cycle dans le groupe à partir de 2004 à 2008, sous forme de biradicals. C'était un effort de collaboration avec mon étampeur de Tim de collègue, qui est un pharmacien organique en suspens.

Nous avons pris deux molécules de RYTHME et les avons attachés ensemble. Leurs électrons agissent l'un sur l'autre entre eux et ils deviennent le doublet accouplé, qui nous permet d'effectuer des expériences de l'effet croisé DNP.

Pour ces expériences, vous renversez un un électron et puis un électron différent, qui mène à une différence dans la fréquence qui polarise le spin nucléaire et qui est appelée un effet croisé. C'a été la plus grande amélioration des améliorations et la sensibilité que nous avons vues jusqu'ici. 

Paul Tordo et ses collègues à Marseille ont récent synthétisé un biradical très gentil. C'est réellement le RYTHME deux attaché avec une molécule d'urée et cela nous fournit des améliorations de 420, qui nous amène fondamentalement jusqu'à où nous sommes aujourd'hui.

Produits chimiques - 590

Quels chocs DNP a-t-il nos vies quotidiennes ?

Bien, DNP n'aura pas probablement un choc direct sur n'importe qui durée mais il aura un choc indirect très important, parce qu'il permettra à des gens de faire les expériences structurelles de biologie qu'elles ne pourraient pas même penser à faire sans lui.

Par exemple, à ce contact, nous avons déjà entendu plusieurs références aux protéines amyloïdes qui sont impliquées dans la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, le diabète de type 2 et l'amylose liée à la dialyse… tous ces maladies relatives à l'âge terribles qui sont très, très débilitantes et mènent à la démence sévère.

Quel DNP nous a probablement laissés faire d'une façon beaucoup plus efficace, est de déterminer les structures de ces protéines amyloïdes. Une fois que vous déterminez leur structure, vous pouvez commencer à penser aux médicaments qui pourraient gripper à eux et empêcher le fibrillization ou dissoudre des fibrilles, par exemple.

Il y a également un autre endroit de la dissolution appelée DNP de ` de DNP,' dans ce que vous polarisez un échantillon aux températures très basses et le dissolvez dans l'eau. Vous le tirez alors plus d'à un autre aimant ou vous pouvez réellement l'injecter dans une personne et voir une image d'un composé fortement polarisé, tel que le pyruvate, par exemple.

Ce tri de technique est employé réellement à UCSF en Californie pour diagnostiquer le cancer de la prostate et pendant que nous devenons meilleurs à exécuter la dissolution DNP, moi pensent que plusieurs applications cliniques neuves seront trouvées pour elle.

Quel sens voyez-vous DNP aller dans un avenir proche ?

Une chose facile à réaliser est simplement d'aller à des inducteurs plus élevés. En ce moment, nous faisons fonctionner à 800 mhz et Bruker a vendu trois ou quatre spectromètres de 800 mhz, machines de 527 gigahertz et de 1,1, 1,2 gigahertz sont sur la planche à dessin.

La chose évidente à faire serait d'étendre les techniques à ces fréquences d'opération. Très d'une manière primordiale, nous commençons également à voir qu'il est important pour avoir un agent de polarisation adapté à un certain champ du fonctionnement magnétique et je pense qu'il y aura des croissances continues et des améliorations en termes d'agents de polarisation que nous employons pour DNP.

Un autre endroit très grand nous et d'autres groupes les Etats-Unis et en Europe travaillons en circuit est « DNP pulsés. » Quelque chose que vous pouvez faire avec la radiothérapie d'onde entretenue, vous pouvez faire probablement mieux avec des pouls. Vous pouvez manipuler la rotation, vous pouvez changer de vitesse des phases, vous pouvez faire tout sortes d'expériences de recyclage de phase et effectuer à l'expérience beaucoup, beaucoup plus efficaces.

Ainsi, de la même manière la transformée de Fourier RMN était un grondement énorme à la solution et RMN semi-conducteur, je pense que le pouls DNP un certain jour apparaîtra probablement comme méthode de choix pour effectuer ces expériences.

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    Bruker BioSpin - NMR, EPR and Imaging. (2018, August 23). Polarisation nucléaire dynamique : une entrevue avec professeur Robert Griffin, Massachusetts Institute of Technology. News-Medical. Retrieved on October 18, 2021 from https://www.news-medical.net/news/20140724/Dynamic-nuclear-polarization-an-interview-with-Professor-Robert-Griffin-Massachusetts-Institute-of-Technology.aspx.

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