Improvements in production and storage of HP-129 Xe

Seit seiner Entdeckung im Jahre 1978 wurden für hyperpolarisiertes (HP) 129Xe zahlreiche Anwendungen gefunden. Aufgrund seiner hohen Verstärkung von NMR-Signalen wird es dabei typischerweise für Tracer- und Oberflächenstudien verwendet. Im gasförmigen Zustand ist es ein interessantes, klinisches Kontrastmittel, welches für dynamische Lungen MRT genutzt oder auch in Blut oder lipophilen Flüssigkeiten gelöst werden kann. Weiterhin findet HP-Xe auch in der Grundlagenphysik in He-Xe Co-Magnetometern Verwendung, mit welchen z. B. das elektrische Dipolmoment von Xe bestimmt werden soll, oder es dient zur Überprüfung auf Lorentz-Invarianzen. Alle diese Anwendungen profitieren von einem hohen Polarisationsgrad (PXe), um hohe Signalstärken und lange Lagerzeiten zu erreichen. rnIn dieser Arbeit wurden zwei mobile Xe-Polarisatoren konstruiert: einer für Experimente in der Grundlagenphysik mit einer Produktionsrate von 400 mbar·l/h mit PXe ≈ 5%. Der zweite Xe-Polarisator wurde für medizinische Anwendungen entwickelt und soll 1 bar l/h mit PXe > 20% erzeugen. Der letztere wurde noch nicht getestet. Die Arbeitsbedingungen des Xe-Polarisators für Grundlagenphysik (Strömung des Gasgemischs, Temperatur, Druck und Konzentration von Xe) wurden variiert, um einen höchstmöglichen Polarisationsgrad zu erzielen. Die maximale Polarisation von 5,6 % wurde bei Verwendung eine Gasmischung von 1% Xe bei einem Durchfluss von 200 ml/min, einer Temperatur von 150°C und einem Gesamtdruck von 4 bar erreicht. rnWeiterhin muss HP-Xe auch effizient gelagert werden, um Polarisationsverluste zu minimieren. Das ist besonders für solche Anwendungen notwendig, welche an einem entfernten Standort durchgeführt werden sollen oder auch wenn lange Spinkohärenzeiten gefordert sind, z.B. bei He-Xe Co-Magnetometern. rnHierbei bestand bisher die größte Schwierigkeit darin, die Reproduzierbarkeit der gemessenen Lagerzeiten sicherzustellen. In dieser Arbeit konnte die Spin-Gitter-Relaxationszeit (T1) von HP-129Xe in unbeschichteten, Rb-freien, sphärischen Zellen aus Aluminiumsilikatglas (GE-180) signifikant verbessert werden. Die T1–Zeit wurde in einem selbstgebauten Niederfeld-NMR-System (2 mT) sowohl für reines HP-Xe als auch für HP-Xe in Mischungen mit N2, SF6 und CO2 bestimmt. Bei diesen Experimenten wurde die maximale Relaxationszeit für reines Xe (85% 129 Xe) bei (4,6 ± 0,1) h festgestellt. Dabei lagen die typischen Wand-Relaxationszeiten bei ca. 18 h für Glaszellen mit einem Durchmesser von 10 cm. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass CO2 eine unerwartet hohe Effizienz bei der Verkürzung der Lebensdauer der Xe-Xe Moleküle zeigte und somit zu einer deutlichen Verlängerung der gesamten T1-Zeit genutzt werden kann. rnIm Verlauf vieler Experimente wurde durch wiederholte Messungen mit der gleichen Zelle, ein "Alterungsprozess“ bei der Wandrelaxation identifiziert und untersucht. Dieser Effekt könnte leicht rückgängig gemacht werden, indem die anfängliche Reinigungsprozedur wiederholt wurde. Auf diese Weise kann eine konstante Wandrelaxation sichergestellt werden, durch die sehr reproduzierbare T1-Messungen möglich werden. rnSchließlich wurde die maximale Relaxationszeit für HP-Xe mit natürlicher Häufigkeit in Mischungen mit SF6 bestimmt. Überraschenderweise war dieser Wert um ca. 75% niedriger als der Wert für Xenon, das zu 85% mit 129Xe angereichert war. Dieser Effekt wurde durch drei unabhängige Experimente bestätigt, da er nicht von der bestehenden Theorie der Xe-Relaxation ableitbar ist. rnDie Polarisation von HP-Xe, PXe, wird normalerweise durch den Vergleich der NMR-Signale des HP-Xe mit einer thermischen polarisierten Probe (z. B. 1H2O oder Xe) bestimmt. Dabei beinhaltet der Vergleich unterschiedlicher Messungen an verschiedenen Proben (unterschiedlicher Druck, Signalintensität und Messverfahren) viele experimentelle Unsicherheiten, welche sich oft nicht leicht bestimmen lassen. Eine einfache, genaue und kostengünstige Methode zur Bestimmung von PXe durch eine direkte Messung der makroskopischen Magnetisierung in einem statischen Magnetfeld vermeidet alle diese Unsicherheiten. Dieses Verfahren kann Polarisationen von > 2 % mit einer Genauigkeit von maximal 10% fast ohne Polarisationsverlust bestimmen. Zusätzlich kann diese Methode ohne weitere Änderungen auch für Bestimmungen des Polarisationsgrades anderer HP-Gase verwendet werden.rn

Vorkommen und Charakterisierung von Ecdysiotropinen bei männlichen Imagines der Mittelmeerfeldgrille Gryllus bimaculatus de Geer

Das Vorkommen von Häutungshormonen in adulten Insekten, insbesondere solcher, die eine lange Imaginalphase durchlaufen, wirft die Frage nach der Regulation der Ecdysteroidsynthese außerhalb der Prothorakaldrüse auf. Unter diesem Gesichtspunkt kann Gryllus bimaculatus mit einem ausgesprochen langen Adultstadium und rapiden zeitlichen Veränderungen des Ecdysontiters als ein geeignetes Versuchsobjekt angesehen werden.Der vorliegenden Dissertation liegt die Arbeitshypothese zugrunde, daß die Ecdysteroid-Synthese bzw. Sekretion von Adultgeweben in männlichen Imagines der Mittelmeerfeldgrille durch Neuropeptide hormonell reguliert wird. Als Quelle für die Ecdysteroidsynthese wurde auf Grund immunohistochemischer Befunde sowie der Ergebnisse von Sekretionsprofil-Analysen unter anderem die Oenocyten in Betracht gezogen.Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde ein in vitro Bioassay entwickelt, der es ermöglichte, die Wirkung von extrahierten Substanzen auf die Hormonsynthese mittels RIA/HPLC zu bestimmen. Aus Köpfen adulter G. bimaculatus ließen sich durch HP-SEC Faktoren isolieren, die die Ecdysteroidsekretion in Oenocyten und Tergiten stimulierten, die aber keinen Einfluß auf die Hormonsekretion von Fettgewebe sowie der Prothorakaldrüsen hatten. Die Wirkung des aufgereinigten Extraktes in Oenocyten war zeit- und dosis-abhängig. Die ecdysiotropen Faktoren besaßen ein Molekulargewicht zwischen 26,5 und 30 kDa. Die Größe der Molmasse der ecdysiotropen Faktoren entsprach somit bei adulten männlichen Grillen etwa dem des Neurohormons PTTH bei Lepidopteren. Dennoch zeigten Antikörper, die gegen PTTH von Bombyx mori gerichtet waren im Western-Blot keine Bindung an Gryllus bimaculatus Kopfextrakte. Die Sekretionsprodukte von Oenocyten, die mit Ecdysiotropinen behandelt waren, wurden durch RP- und NP-HPLC identifiziert. Es konnten zwei zusätzliche Peaks neben einem deutlichen Anstieg von 20-Hydroxyecdyson nachgewiesen werden. Auf Grund identischer Retentionszeiten mit Referenzsubstanzen handelt es sich bei einem Peak vermutlich um Makisteron A.Obwohl die Applikation von Azadirachtin in G. bimaculatus zu einer Senkung des Hämolymph-Ecdysteroidgehalts führte, konnte keine Anreicherung von Ecdysiotropinen erzielt werden.Die die Ecdysteroidsekretion-beeinflussenden Faktoren waren resistent gegen Kochen und Alkylierung aber nicht stabil gegen Reduzierung durch DTT und Behandlung mit Neuramidase. Damit konnte gezeigt werden, daß das Vorhandensein von Disulfidbrücken und Oligosaccharidketten für die biologische Aktivität notwendig ist.Die Aminosäuresequenz-Analyse und der enzymatische Verdau der stimulierenden Faktoren durch Exopeptidasen wiesen auf geschützte N- und C-Termini hin. Ferner wurden einige interne Peptidfragmente von fünf Proteinbanden sequenziert, die keine Homologie zu bereits bekannten regulatorischen Neuropeptiden zeigten. Als einziges bekanntes Protein aus diesem Bereich konnte das „14-3-3-like Protein“ mit Hilfe MALDI-MS identifiziert werden.Die Stimulierung der Ecdysteroidsekretion in Oenocyten von G. bimaculatus durch Oenocyten-stimulierende Faktoren (OSF) aus Kopfextrakten konnte mittels Signalstoff-Effektoren in vitro nachgeahmt werden. Außerdem wurde mit Hilfe eines RRA nachgewiesen, daß der intrazelluläre cAMP-Spiegel von Oenocyten durch OSF erhöht wird. Daraus kann geschlossen werden, daß cAMP als „Second Messenger“ an der Wirkung der OSF beteiligt ist. Calcium-Ionen schienen für die Ecdysteroidsekretion notwendig zu sein. Allerdings führte eine artifizielle Erhöhung der intrazellulären Calcium-Konzentration durch das Ionophor Ionomycin zu einer Hemmung der Sekretion. Schließlich wird ein Modell zur Erklärung des Wirkmechanismus von OSF in Gryllus bimaculatus postuliert und diskutiert.

Characterization of igneous terranes by zircon dating: implications for the UHP relicts occurrences and suture identification in the Central Rhodope, Northern Greece

One of the key for the understanding of an orogenic belt is the characterization of the terranes involved and the identification of the suture(s) separating crustal blocks: these are essential information for large-scale paleo-reconstructions. In addition, the structural relationships between the terranes involved in the collisional processes and the eventual UHP relicts may provide first order inputs to exhumation models of subducted rocks. The structure of the Rhodope Massif (northern Greece and southern Bulgaria) results from the stacking of high-grade nappes during a continental collision, which age is comprised between Latest-Jurassic and Early-Cenozoic. UHP and HP relicts, associated with oceanic and ultramafic material, suggest the presence of a dismembered suture zone within the massif. The location of this suture remains unclear; furthermore, up to now, the UHP and eclogitic localities represent isolated spots and no synthesis on their structural position within the massif has been proposed. The first aim of this work is to define the relationships between HP-UHP relicts, crustal blocks, shear zones and amphibolitic material. To achieve this objective, we characterized the accreted blocks in terms of protoliths ages of the orthogneisses mainly along two cross sections on the Greek part of the belt. Geochemical affinities of meta-igneous rocks served as a complementary tool for terrane characterization and geodynamic interpretation. Single-zircon Pb-Pb evaporation and zircon U-Pb SHRIMP dating of orthogneiss protoliths define two groups of intrusion-ages: Permo-Carboniferous and Late Jurassic-Early Cretaceous. Structurally, these two groups correspond to distinct units: the Late Jurassic gneissic complex overthrusts the one bearing the Permo-Carboniferous orthogneisses. Mylonites, eclogites, amphibolites of oceanic affinities, and UHP micaschists, mark a “melange” zone, intensively sheared towards the SW, which separates the two units. Thus, we interpret them as two distinct terranes, the Rhodope and Thracia terranes, separated by the Nestos suture. The correlation of our findings in northern Greece to the Bulgarian part of the Massif suggests a northern rooting of the Nestos Suture. This configuration results of the closure of a marginal oceanic basin of the Tethys system by a north-directed subduction. This interpretation is supported by the geochemical affinities of the orthogneisses: the Late-Jurassic igneous rocks formed by subduction-related magmatism, pprobably the same north-directed subduction that gave rise to the UHP metamorphism of the metasediments of the “melange” zone. It is noteworthy that the UHP-HP relicts seem to be restricted to the contact between the two terranes suggesting that the UHP relicts are exhumed only within the suture zone. Furthermore, the singularity of the suture suggests that the Late-Jurassic subduction explains the occurrence of UHP and eclogite relicts in the Central Rhodope despite the large age range previously attributed the UHP and/or HP stage.

NMR spectroscopy and imaging of hyperpolarized gases

Since the discovery of the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, countless NMR techniques have been developed that are today indispensable tools in physics, chemistry, biology, and medicine. As one of the main obstacles in NMR is its notorious lack of sensitivity, different hyperpolarization (HP) methods have been established to increase signals up to several orders of magnitude. In this work, different aspects of magnetic resonance, using HP noble gases, are studied, hereby combining different disciplines of research. The first part examines new fundamental effects in NMR of HP gases, in theory and experiment. The spin echo phenomenon, which provides the basis of numerous modern experiments, is studied in detail in the gas phase. The changes of the echo signal in terms of amplitude, shape, and position, due to the fast translational motion, are described by an extension of the existing theory and computer simulations. With this knowledge as a prerequisite, the detection of intermolecular double-quantum coherences was accomplished for the first time in the gas phase. The second part of this thesis focuses on the development of a practical method to enhance the dissolution process of HP 129Xe, without loss of polarization or shortening of T1. Two different setups for application in NMR spectroscopy and magnetic resonance imaging (MRI) are presented. The continuous operation allows biological and multidimensional spectroscopy in solutions. Also, first in vitro MRI images with dissolved HP 129Xe as contrast agent were obtained at a clinical scanner.

Diffusion of laser polarized gases in MRI

The use of Magnetic Resonance Imaging (MRI) as a diagnostic tool is increasingly employing functional contrast agents to study or contrast entire mechanisms. Contrast agents in MRI can be classified in two categories. One type of contrast agents alters the NMR signal of the protons in its surrounding, e.g. lowers the T1 relaxation time. The other type enhances the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) signal of specific nuclei. For hyperpolarized gases the NMR signal is improved up to several orders of magnitude. However, gases have a high diffusivity which strongly influences the NMR signal strength, hence the resolution and appearance of the images. The most interesting question in spatially resolved experiments is of course the achievable resolution and contrast by controlling the diffusivity of the gas. The influence of such diffusive processes scales with the diffusion coefficient, the strength of the magnetic field gradients and the timings used in the experiment. Diffusion may not only limit the MRI resolution, but also distort the line shape of MR images for samples, which contain boundaries or diffusion barriers within the sampled space. In addition, due to the large polarization in gaseous 3He and 129Xe, spin diffusion (different from particle diffusion) could play a role in MRI experiments. It is demonstrated that for low temperatures some corrections to the NMR measured diffusion coefficient have to be done, which depend on quantum exchange effects for indistinguishable particles. Physically, if these effects can not change the spin current, they can do it indirectly by modifying the velocity distribution of the different spin states separately, so that the subsequent collisions between atoms and therefore the diffusion coefficient can eventually be affected. A detailed study of the hyperpolarized gas diffusion coefficient is presented, demonstrating the absence of spin diffusion (different from particle diffusion) influence in MRI at clinical conditions. A novel procedure is proposed to control the diffusion coefficient of gases in MRI by admixture of inert buffer gases. The experimental measured diffusion agrees with theoretical simulations. Therefore, the molecular mass and concentration enter as additional parameters into the equations that describe structural contrast. This allows for setting a structural threshold up to which structures contribute to the image. For MRI of the lung this allows for images of very small structural elements (alveoli) only, or in the other extreme, all airways can be displayed with minimal signal loss due to diffusion.

UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif, NE Greece: new constraints from petrology, geochemistry and zircon ages

In this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids and paragneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpine magmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part with the western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part of NE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It is regarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unit and a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recent research in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to two distinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which was overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane. These terranes are separated by the Nestos suture, a composite zone comprising metapelites, metabasites, metagranitoids and marbles, which record high-pressure and even ultrahigh-pressure metamorphism in places. Similar characteristic rock associations were investigated during this study along several well-constrained cross sections in vincity to the Ada, Sidiro and Kimi villages in the Greek Eastern Rhodope Massif. Field evidence revealed that the contact zone of the two terranes in the Eastern Rhodope Massif is characterized by a mélange of metapelites, migmatitic amphibolites/eclogites, strongly sheared orthogneisses and marbles. The systematical occurrence of this characteristic rock association between the terranes implies that the Nestos suture is a continuous belt throughout the Greek Rhodope Massif. In this study, a new UHP locality could be established and for the first time in the Greek Rhodope, metamorphic microdiamonds were identified in situ in their host zircons using Laser-Raman spectroscopy. The presence of the diamonds as well as element distribution patterns of the zircons, obtained by TOF-SIMS, indicate metamorphic conditions of T > 1000 °C and P > 4 GPa. The high-pressure and ultrahigh-pressure rocks of the mélange zone are considered to have formed during the subduction of the Nestos Ocean in Jurassic times at ~150 Ma. Melting of metapelitic rocks at UHP conditions facilitated the exhumation to lower crustal levels. To identify major crust forming events, basement granitoids were dated by LA-SF-ICPMS and SHRIMP-II U-Pb analyses of zircons. The geochronological results revealed that the Eastern Rhodope Massif consists of two crustal units, a structurally lower Permo-Carboniferous unit corresponding to the Thracia Terrane and a structurally upper Late Jurassic/Early Cretaceous unit corresponding to the Rhodope Terrane, like it was documented for the Central Rhodope Massif. Inherited zircons in the orthogneisses from the Thracia Terrane of the Eastern Rhodope Massif indicate the presence of a pre-existing Neoproterozoic and Ordovician-Silurian basement in this region. Triassic magmatism is witnessed by the zircons of few orthogneisses from the easternmost Rhodope Massif and is interpreted to be related to rifting processes. Whole-rock major and trace element analyses indicate that the metagranitoids from both terranes originated in a subduction-related magmatic-arc environment. The Sr-Nd isotope data for both terranes of the Eastern and Central Rhodope Massif suggest a mixed crust-mantle source with variable contributions of older crustal material as already indicated by the presence of inherited zircons. Geochemical and isotopic similarity of the basement of the Thracia Terrane and the Pelagonian Zone implies that the Thracia Terrane is a fragment of a formerly unique Permo-Carboniferous basement, separated by rifting and opening of the Meliata-Maliac ocean system in Triassic times. A branch of the Meliata-Maliac ocean system, the Nestos Ocean, subducted northwards in Late Jurassic times leading to the formation of the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope magmatic arc on remnants of the Thracia Terrane as suggested by inherited Permo-Carboniferous zircons. The ~150 Ma zircon ages of the orthogneisses from the Rhodope Terrane indicate that subduction-related magmatism and HP/UHP metamorphism occurred during the same subduction phase. Subduction ceased due to the closure of the Nestos Ocean in the Late Jurassic/Early Cretaceous. The post-Jurassic evolution of the Rhodope Massif is characterized by the exhumation of the Rhodope core complex in the course of extensional tectonics associated with late granite intrusions in Eocene to Miocene times.

Entwicklung und Anwendung eines Beatmungssystems zur Untersuchung der Lungenfeinstruktur mittels He-3-Magnetresonanztomographie

Im Rahmen meiner Dissertation wurde ein 3He-Applikationssystem für die in-vivo 3He-Magnetresonanztomographie der Lunge von Ratten entwickelt. Im Gegensatz zu anderen bisher entwickelten MR-kompatiblen Beatmungsgeräten wurde in diesem Applikationssystem erstmals der polarisationserhaltende ³He-Langzeitspeicher im Streufeld des Tomographen integriert. Bei der 3He-Applikation wird das 3He-Gas automatisch aus dem Langzeitspeicher außerhalb des Magneten zum Tier in den Tomographen geleitet. Die Kernspin-Polarisationsverluste, die beim 3He-Transfer zum Tier in den Tomographen auftreten, betragen etwa 1% (rel.) und sind vernachlässigbar gering. Das Beatmungssystem wurde zusammen mit der MRT-Bildgebungssequenz COMSPIRA an mehr als 200 Tieren erfolgreich getestet. Die MRT-Aufnahmen fanden hauptsächlich an einem 0,47 T Niederfeldtomographen bei der Firma Boehringer-Ingelheim Pharma in Biberach statt. Es wurden sowohl morphologische Aufnahmen der Rattenlunge gemacht als auch der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen. Die relative Streuung der ADC-Werte innerhalb einer Gruppe von Tieren ähnlichen Alters und Gewichts betrug dabei 5%. Bei Wiederholungsmessungen an ein und demselben Tier verringerte sich die relative Streuung auf 1%. Diese Werte unterstreichen die hohe Reproduzierbarkeit des Beatmungssystems sowie des gesamten Messverfahrens. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgestellt, das den experimentell bestimmten ADC unabhängig von dem Mischungsverhältnis zwischen dem applizierten 3He und der Atemluft in der Lunge macht. Dies kann erreicht werden, indem das hp 3He mit dem chemisch inerten und ungiftigen Gas SF6 in einem definierten Verhältnis gemischt wird und anschließend dem Tier appliziert wird. Zuletzt wurde der ADC von emphysematischen Rattenlungen und von gesunden Rattenlungen gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant kleineren ADC innerhalb der Gruppe der erkrankten Tiere. Diese Dissertation wurde durch die Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG unterstützt.

Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.rnDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau imrnRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).