Résumé :
La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est une technique puissante et polyvalente pour étudier les systèmes chimiques. Cependant, elle est souvent limitée par sa faible sensibilité intrinsèque. Les récents développements d’espèces hyperpolarisées ont permis d’ouvrir un nouvel horizon pour cette technique, en permettant de réduire fortement les limites de détection ce qui permet notamment d’étudier des processus biologiques. Cependant, le caractère transitoire de l’hyperpolarisation oblige à repenser les protocoles et modes d’administration de ces espèces. Dans le cas du parahydrogène et des gaz nobles hyperpolarisés comme le xénon 129 ou l’hélium 3, il est nécessaire d’assurer une dissolution efficace et reproductible du gaz dans l’échantillon, sans perdre son hyperpolarisation.
Nous avons ainsi développé un microréacteur imprimé en 3D qui permet, par un système de pompe à bulles, de réaliser deux fonctions : Il assure une dissolution performante du gaz dans un faible volume de solution (200μL), et permet de mettre en mouvement cette dernière afin de réaliser une homogénéisation de l’échantillon. En plaçant une microbobine le long du parcours de la solution, nous avons été en mesure de réaliser des expériences de RMN in-situ avec un rapport signal sur bruit optimal, grâce à l’excellent couplage que présente la bobine avec l’échantillon. Ce réacteur a en outre été conçu pour prendre place au sein d’une sonde de microimagerie commerciale. Cette solution nous permet de profiter du système de gradients du spectromètre et de l’électronique d’accord de la sonde, ce qui limite fortement le coût d’utilisation de notre insert microfluidique. Nous également montré qu’un dépôt sous vide de polymère inerte à la surface des pièces permettait d’obtenir des réacteurs biocompatibles, qui nous permis de réaliser des expériences de RMN du xénon 129 sur des cellules humaines, et d’observer le signal du xénon à l’intérieur de celles-ci. En exploitant le flux de liquide à l’intérieur de système, nous avons démontré qu’il était possible de simplifier l’étude de noyaux relaxant lentement. En effet, en remplaçant entre chaque acquisition les spins venant d’être excités par des spins frais ayant eu le temps de relaxer nous pouvons, grâce à la grande sensibilité de la bobine augmenter la vitesse d’accumulation des spectres, sans pour autant perdre en sensibilité. Ce système a d’ailleurs été mis à profit pour l’observation de réactions chimiques, une utilisation pour laquelle il est bien adapté du fait qu’il s’agit avant tout d’un réacteur permettant l’introduction d’échantillons et leur homogénéisation. Ceci nous a permis de suivre la cinétique de réactions sans perdre les premiers points de la courbe et ce même si les centres réactionnels relaxent lentement. Enfin, dans le but de rendre ces systèmes plus polyvalents, nous avons mis au point une nouvelle version de ce microréacteur qui prend cette fois la place d’un simple tube RMN, au sein d’une sonde RMN commerciale à haute résolution. En utilisant un couplage inductif entre le résonateur de l’insert et la bobine de la sonde, nous pouvons dès lors diminuer plus encore le coût d’adoption de notre système tout en permettant de conserver les avantages de la sonde commerciale, comme la présence de gradients ou de canaux radiofréquences multiples. En outre, nous avons montré que l’apparition de deux fréquences de résonance lors de l’introduction de l’insert inductif peut être mise à profit pour l’étude de deux noyaux (et donc deux fréquences de résonance) différents à l’aide d’une sonde à simple résonance. L’intérêt de cette approche étant que les deux noyaux en question bénéficient ainsi de l’excellent couplage avec l’échantillon permis par la microbobine.
Mots-clés : RMN, méthodologie, xenon, hyperpolarisation, microfluidique, impression 3D.
Hyperpolarized Xenon and microcoils for the study of biological cells by magnetic resonance
Abstract:
Abstract : Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a powerful technique to study chemical systems but is often hampered by its intrinsic low sensitivity. The recent advent of hyperpolarized species has open a new field for this technique, allowing one to lower the detection threshold. However the transient character of the hyperpolarization dictates the need for new protocols and delivery methodologies. In the case of parahydrogen and noble gas hyperpolarization, one has to ensure an efficient and consistent dissolution of the gas into the sample, while avoiding the loss of polarization during this process. By developing a 3D-printed microreactor which makes use of a bubble pump driven by the hyperpolarized gas flow, we were able to efficiently dissolve hyperpolarized Xenon into a small volume of solution, while ensuring a flow of the liquid which allows a good mixing. By placing a microdetection coil on the liquid pathway, we have been therefore able to perform in-situ NMR with an optimal signal to noise efficiency. This reactor has been designed to fit inside a commercial high-resolution microimaging probe, which allows us to take advantage of the gradient system of the NMR spectrometer and to use the probe electronics for matching. By coating the polymer of the reactors, we have been able to make them biocompatible and to perform 129Xe NMR experiments on human lung cells.
These small reactors have also facilitated the study of slowly-relaxing nuclei. We showed that by taking advantage of the flow inside the system, one could efficiently overcome the long relaxation rates that usually limit the accumulation rate. This property is due to the fact that fresh spins replace previously excited ones in the detection region between two scans.
By combining this advantage with the fact that our system is a small scale reactor, we showed that it could be used to monitor chemical reactions with a strong sensitivity, even in the case where the active group does not relax fast enough for a kinetic study. Finally, in order to make these devices more versatile, we developed a new version of this system which can be wirelessly inserted into any commercial probe head using inductive coupling, therefore allowing one to take advantage of this NMR microreactor at a small cost, while keeping the benefits of the commercial probe, such as the presence of gradients or multiple channels. Using the fact that the insertion of the inductive device creates two resonances, we were able to use a single-resonance probe to study two different nuclei, while taking advantage of the strong SNR of the microcoil for the two resonances.
Keywords: NMR, methodology, xenon, hyperpolarization, microfluidics, 3D printing
NIMBE/LSDRM