Novel NMR methods to study biochemical systems
Tolkkinen, Katja (2024-11-28)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202410156316
Kuvaus
Tiivistelmä
Nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation experiments provide information on biomolecular dynamics and environments. The traditional ways to measure relaxation times are often time-consuming, restricting the investigation of biochemical samples which may change over time and, furthermore, they also complicate the use of hyperpolarization which can be essential when detecting low-concentration substances.
The pore structures of biological materials are related to tissue mechanics, molecular transport and disease progression. NMR cryoporometry (NMRC) is a method to determine the pore size distributions of materials. It is a versatile technique, but its use in the traditional way is limited to samples containing only pure pore-confining liquids, excluding biological samples which typically contain salt solutions.
This thesis is based on three scientific publications which focus on developing novel relaxometry and NMRC methods to study biochemical systems. In the first paper, a new single scan SPICY method to measure T1ρ relaxation times is introduced. The method is applied to 1H T1ρ dispersion measurements on aqueous solutions and hydrogels acting as a simplified model of articular cartilage extracellular matrix. A one-dimensional imaging version of the method is also developed.
In the second paper, the SPICY methods are used as building blocks of multidimensional relaxation correlation experiments. Two versions of a T1-T1ρ correlation experiment, IR-SPICY and ultrafast IR-SPICY, are introduced. The latter utilizes spatial encoding on T1 direction, allowing collection of two-dimensional correlation data within a single scan. The methods are applied to study 1H relaxation components of water saturated silica gel and cartilage hydrogel.
The third paper proposes a novel SIDI data analysis method for NMRC using samples containing aqueous NaCl solutions. 1H NMRC measurements are performed with porous materials saturated with saline and with cartilage hydrogels. The SIDI analysis gives pore size distributions that are in good agreement with the pore sizes given by manufacturers and with pore sizes determined for articular cartilage by other methods.
Ydinmagneettiseen resonanssiin (NMR) perustuvat relaksaatioaikakokeet antavat tietoa biomolekyylien dynamiikasta ja erilaisista molekyyliympäristöistä. Perinteiset tavat mitata relaksaatioaikoja ovat usein aikaa vieviä, mikä rajoittaa biologisten näytteiden tutkimusta, koska näytteet voivat muuttua ajan myötä. Toistoja vaativat mittaukset myös vaikeuttavat hyperpolarisaation käyttöä, joka voi olla välttämätöntä matalapitoisten aineiden havaitsemisessa.
Biologisten materiaalien huokosrakenteet liittyvät olennaisesti kudosmekaniikkaan, molekyylien kulkeutumiseen sekä kudosta rappeuttavien sairauksien etenemiseen. NMR-kryoporometria (NMRC) on menetelmä, jolla voidaan määrittää materiaalien huokoskokojakaumia. Se on monipuolinen tutkimusmenetelmä, mutta sen käyttö perinteisellä tavalla rajoittuu vain puhtaita nesteitä sisältäviin näytteisiin. Biologisten näytteiden tutkimus NMRC:n avulla on rajallista, koska ne sisältävät usein suolaliuoksia.
Tämä väitöskirja pohjautuu kolmeen tieteelliseen artikkeliin, joiden tavoitteena on kehittää uusia relaksaatio- ja NMRC-menetelmiä biokemiallisten systeemien tutkimusta varten. Ensimmäisessä artikkelissa esitellään uusi nopea SPICY-koe T1ρ-aikojen mittausta varten. SPICY-menetelmää sovelletaan 1H T1ρ-relaksaatiodispersiomittauksiin vesiliuoksilla ja nivelruston soluväliainetta mallintavalla hydrogeelillä. SPICY-kokeesta kehitetään myös yksiulotteinen kuvantamisversio.
Toisessa artikkelissa SPICY-menetelmää hyödynnetään osana moniulotteisia relaksaatiokorrelaatiokokeita. Artikkelissa esitellään kaksi T1-T1ρ-korrelaatiokoetta, IR-SPICY ja ultranopea IR-SPICY. Jälkimmäinen koe käyttää paikkakoodausta T1-suunnassa mahdollistaen kaksiulotteisen korrelaatiodatan keräämisen vain yhdellä skannauksella. Menetelmiä sovelletaan vedellä kyllästetyn silikageelin sekä nivelrustoa mallintavan hydrogeelin 1H-relaksaatiokomponenttien tutkimiseen.
Kolmannessa artikkelissa esitellään uusi SIDI-data-analyysimenetelmä suolaliuoksia sisältävien näytteiden NMRC-tutkimusta varten. 1H NMRC-mittaukset suoritetaan suolaliuoksella kyllästetyille huokoisille materiaaleille sekä nivelrustoa mallintaville hydrogeeleille. Tulokset osoittavat, että SIDI-analyysi antaa huokoskokojakaumat, jotka ovat yhdenmukaisia valmistajien ilmoittamien sekä nivelrustolle muilla menetelmillä määritettyjen huokoskokojen kanssa.
Original papers
-
Tolkkinen, K., Mailhiot, S. E., Selent, A., Mankinen, O., Henschel, H., Nieminen, M. T., Hanni, M., Kantola, A. M., Liimatainen, T., & Telkki, V.-V. (2023). SPICY: A method for single scan rotating frame relaxometry. Physical Chemistry Chemical Physics, 25(18), 13164–13169. https://doi.org/10.1039/D2CP05988F https://doi.org/10.1039/D2CP05988F
-
Tolkkinen, K., Mankinen, O., Mailhiot, S. E., & Telkki, V.-V. (2024). Ultrafast T 1 – T 1ρ NMR for Correlating Different Motional Regimes of Molecules. Analytical Chemistry. Advance online publication. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00513 https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00513
-
Mailhiot, S. E., Tolkkinen, K., Henschel, H., Mareš, J., Hanni, M., Nieminen, M. T., & Telkki, V.-V. (2024). Melting of aqueous NaCl solutions in porous materials: Shifted phase transition distribution (SIDI) approach for determining NMR cryoporometry pore size distributions. Physical Chemistry Chemical Physics, 26(4), 3441–3450. https://doi.org/10.1039/D3CP04029A https://doi.org/10.1039/D3CP04029A
Osajulkaisut
-
Tolkkinen, K., Mailhiot, S. E., Selent, A., Mankinen, O., Henschel, H., Nieminen, M. T., Hanni, M., Kantola, A. M., Liimatainen, T., & Telkki, V.-V. (2023). SPICY: A method for single scan rotating frame relaxometry. Physical Chemistry Chemical Physics, 25(18), 13164–13169. https://doi.org/10.1039/D2CP05988F https://doi.org/10.1039/D2CP05988F
-
Tolkkinen, K., Mankinen, O., Mailhiot, S. E., & Telkki, V.-V. (2024). Ultrafast T 1 – T 1ρ NMR for Correlating Different Motional Regimes of Molecules. Analytical Chemistry. Advance online publication. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00513 https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c00513
-
Mailhiot, S. E., Tolkkinen, K., Henschel, H., Mareš, J., Hanni, M., Nieminen, M. T., & Telkki, V.-V. (2024). Melting of aqueous NaCl solutions in porous materials: Shifted phase transition distribution (SIDI) approach for determining NMR cryoporometry pore size distributions. Physical Chemistry Chemical Physics, 26(4), 3441–3450. https://doi.org/10.1039/D3CP04029A https://doi.org/10.1039/D3CP04029A
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38865]