Development of Novel Diffusion NMR Methods : Preclinical Applications in Colloidal Model Systems

• NMR is a powerful non-invasive technique utilizing radiofrequency and gradient pulses to manipulate the spinsof atomic nuclei. In particular, diffusion NMR uses strong magnetic field gradients to label the positions of spins allowing for the measurement of translational motion of molecules in liquids. The average displacement of water molecules can give information on the pore microstructure in various materials including biological cells and tissues.The interpretation of conventional diffusion NMR signal can be ambiguous, as it contains effects from microstructure, size and orientation. In this work, the underlying microscopic structures are exposed with novel diffusion NMR methods. q-MAS is a pulse sequence for isotropic diffusion encoding, which in combination with conventional diffusion NMR can be used to quantify the microscopic anisotropy. The shape of the microscopic diffusion tensor can be revealed by varying the anisotropy of the diffusion encoding. The methods are demonstrated in lyotropic liquid crystals and yeast cell suspensions.Diffusion NMR can be used to measure exchange between intra- and extracellular compartments. This can give information on the water transport across biological cell membranes. A method for measuring exchange in yeast cells with different intra- and extracelllular T2 values is presented.

• Kärnmagnetisk resonans, NMR, är en teknik som har många användningsområden, inte minst används NMR som en bildgivande teknik för diagnostisering av skador och sjuk- domar, vilket görs med så kallade MR-kameror. Med hjälp av diffusions-NMR kan man mäta vattenmolekylers rörelse, d.v.s. vattnets diffusion. Diffusions-NMR gör det möjligt att mäta hur långt vattenmolekylerna rör sig i olika riktningar. Diffusion kallas för anisotropisk om molekyler har möjlighet att förflytta sig långa sträckor i en riktning, men bara kortare sträckor i en annan riktning. Anisotropisk diffusion kan användas för avbildning av mikroskopiska strukturer, till exempel nervfibrer i vit hjärnvävnad. Nervfibrerna kan liknas vid långa rör där vattnet inuti röret kan förflytta sig fritt i riktningen längs med röret, men stoppas från att förflytta sig i vinkelrät riktning. Nervfibrerna i hjärnan är mycket mindre än upplösningen i MR-kameran och det kan finnas många fibrer i ett och samma bildgivande volymelement, voxel. Om de olika nervfibrerna inuti en voxel har flera olika riktningar, kan det verka som att vattnet diffunderar lika mycket i alla riktningar och det mikroskopiska strukturerna kan inte bli detekterade med vanlig diffusions-NMR.I detta arbete har nya metoder för att påvisa förekomsten av mikroskopisk anisotropi utvecklats, även i de situationer då strukturerna har flera olika riktningar. Dessa metoder har utvärderats i så kallade flytande kristaller som kan tillverkas genom att blanda surfaktanter och vatten.Ett annat bra modelsystem, för utvärdering av diffusions-NMR, är jäst utblandat i vatten. Jästcellerna liknar mänskliga celler på många sätt. Vattenmolekylerna utanför cellerna kan röra sig fritt, medan vattenmolekylerna inuti stoppas av cellmembranet. Diffusions-NMR kan detektera både vattnet som rör sig fritt och vattnet som är instängt i cellen. I detta arbete har diffusions-NMR används för att mäta hur vatten transporteras genom cellmembranet i speciella genmodifierade jästceller.

Keyword

diffusion NMR

diffusion tensor

Microscopic anisotropy

q-MAS

exchange

liquid crystals

yeast cell suspensions

Publication and Content Type

dok (subject category)

vet (subject category)