磁共振成像(MRI)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)中廣泛用于診斷目的。超極化MRI是最近的發(fā)展，其研究和應(yīng)用潛力尚待充分探索。約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)美因茨分校(JGU)和亥姆霍茲研究所美因茨分校(HIM)的研究人員現(xiàn)已推出了一種觀察人體新陳代謝過程的新技術(shù)。他們的單線對比MRI方法采用易于產(chǎn)生的對氫來實時跟蹤生化過程。他們的工作成果已在Angewandte Chemie國際版上發(fā)表，并被編輯們選為“熱點論文”，即在快速發(fā)展且高度重要的領(lǐng)域中的重要出版物。

在過去的幾十年中，使用MRI進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢查已成為標(biāo)準(zhǔn)做法。它可以用于研究身體的軟組織，例如大腦，椎間盤，甚至是腫瘤的形成。該研究的第一作者詹姆斯·埃爾斯(James Eills)博士說：“例如，MRI圖像可以向我們展示大腦的結(jié)構(gòu)，但它們并不能告訴我們體內(nèi)發(fā)生的生物分子過程的部分信息，部分原因是MRI的敏感性較差。”以及JGU和HIM的Dmitry Budker教授領(lǐng)導(dǎo)的工作組成員。

使用氫原子代替碳或氮同位素

顯著增強MRI信號的一種方法是超極化。這在外部磁場的幫助下實現(xiàn)了信號產(chǎn)生核自旋的顯著對準(zhǔn)。超極化增強MRI已經(jīng)被用于研究體內(nèi)的生物分子過程。不幸的是，使用碳同位素C-13或氮同位素N-15具有某些缺點。Eills說：“因此，如果我們可以直接使用氫原子，將會有很大的好處。氫具有更高的靈敏度，更豐富，并且檢測設(shè)備容易獲得。” 然而，氫的缺點是其快速的弛豫時間。這意味著超極化原子是如此之快地恢復(fù)到其原始狀態(tài)，以至于難以生成圖像。

James Eills博士和他的同事通過使用稱為單線態(tài)的氫原子核的一種特殊量子態(tài)解決了這個問題，這種量子態(tài)源自所謂的對氫。Eills解釋說：“這意味著我們能夠克服超極化質(zhì)子成像的缺點，特別是與短弛豫時間有關(guān)的缺點。” 氫通常具有幾秒鐘的弛豫時間，而在單重態(tài)下，弛豫時間可能只有幾分鐘。單重態(tài)也是非磁性的，因此無法觀察到。僅當(dāng)分子不再對稱時才能觀察到。

當(dāng)使用富馬酸酯時，新陳代謝會觸發(fā)超極化

在討論中的研究中，科學(xué)家們描述了他們使用富馬酸鹽(一種天然存在的生物分子，作為代謝的中間產(chǎn)物)進(jìn)行單線對比MRI的技術(shù)。首先，由前體分子和對氫產(chǎn)生富馬酸酯。通過添加重水分子將超極化的富馬酸酯轉(zhuǎn)化為蘋果酸。這種轉(zhuǎn)換消除了分子的對稱性，使其具有磁性和可檢測性。詹姆斯·艾爾斯(James Eills)博士指出：“然后，我們可以使用相關(guān)的磁信號進(jìn)行成像。”

碳13標(biāo)記的富馬酸酯已經(jīng)是在超極化成像中起重要作用的分子。這項工作為進(jìn)行富馬酸鹽成像提供了可能性，它具有觀察氫而不是cabon-13的所有好處。此外，由于對氫易于生產(chǎn)，因此使用對氫也將是有益的：在催化劑存在下簡單地冷卻氫氣，然后將其除去。然后可以加熱所得的對氫，并在對位狀態(tài)下保持穩(wěn)定數(shù)月。

Eills總結(jié)說：“超極化MRI尚處于發(fā)展初期，我們的貢獻(xiàn)是令人興奮的MRI新變種。” 可以在不同的時間點記錄超極化信號的圖像，從而可以實時跟蹤代謝過程。

物理化學(xué)負(fù)責(zé)人Gerd Buntkowsky教授補充說：“將對氫誘導(dǎo)的極化與長壽命的自旋態(tài)和酶促轉(zhuǎn)化相結(jié)合，最終為富馬酸鹽和類似腫瘤標(biāo)志物在癌癥代謝中進(jìn)行具有成本效益的磁共振成像創(chuàng)造了條件。”達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)凝聚態(tài)研究小組的成員，以及該作品的通訊作者。

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