磁共振成像(MRI)已經(jīng)在醫(yī)學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進行醫(yī)學檢查已成為標準做法。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。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。僅當分子不再對稱時才能觀察到。

當使用富馬酸酯時，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)的磁信號進行成像。”

碳13標記的富馬酸酯已經(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。

物理化學負責人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志物在癌癥代謝中進行具有成本效益的磁共振成像創(chuàng)造了條件。”達姆施塔特工業(yè)大學凝聚態(tài)研究小組的成員，以及該作品的通訊作者。

標簽： 超極化質(zhì)子MRI