MRI是現(xiàn)代醫(yī)學診斷中的一種重要工具，可以為各類疾病提供詳盡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能信息。然而，傳統(tǒng)MRI技術(shù)在面對復雜組織環(huán)境時，常因信號精度不足和干擾較多而使得定量結(jié)果不夠精確。這一局限性使得追求更精準的成像技術(shù)成為科學研究的重要方向。近日湖南大學的宋國勝教授、張曉兵教授聯(lián)合美國斯坦福大學的Jianghong Rao教授率領團隊在Nature biomedical engineering 上報道新型MRI探針通過對磁感應強度的精確調(diào)控，實現(xiàn)了在復雜生物組織內(nèi)的信號增強和背景干擾的有效抑制。這項技術(shù)的核心在于其對比率反饋信號的高度敏感性，不僅提高了信號穩(wěn)定性，還提升了圖像對比度。此外，該團隊今年在成像領域也發(fā)表了多篇相關(guān)的工作，奇物論公眾號也進行了相關(guān)的報道，如下：（點擊下方標題可查看詳細報道）這種新型探針帶來的增強效果，預示未來在各種醫(yī)學檢測與研究應用中能夠獲得更精確的組織成像。通過大幅提高定量MRI的準確性，這項技術(shù)為未來醫(yī)學診斷和治療方案的制定提供更加可靠的成像工具。磁共振成像（MRI）是一種基于核磁共振原理的非侵入性成像技術(shù)。在成像過程中，MRI利用的是體內(nèi)氫原子核在強磁場中共振的特性。人體大部分由水分子構(gòu)成，水又含有大量的氫原子，當人體置于強磁場中時，這些氫核會排列成特定方向。隨后，射頻脈沖被施加，使氫核發(fā)生共振并偏離其原有排列。射頻脈沖停止后，氫核會逐漸恢復到初始狀態(tài)，釋放出微弱的射頻信號。這些信號由線圈接收，并通過計算機進行處理，生成高分辨率的圖像。MRI的誕生與發(fā)展離不開科學家的不懈探索。1973年，Paul Lauterbur提出了利用梯度磁場獲取二維圖像的概念，為MRI的實際應用奠定了基礎。而在1980年代，Peter Mansfield則進一步改進了成像速度和質(zhì)量。這兩位科學家的工作共同推動了MRI技術(shù)的成熟，并因此在2003年獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。這一榮譽不僅承認了核磁共振成像在物理學和醫(yī)學中的革命性突破，也彰顯了其在科學探究中的無可替代的貢獻。MRI具有非侵入性和無輻射特性，這使其成為研究人體內(nèi)部組織和功能的安全工具。MRI能提供卓越的軟組織對比，使其在解剖學研究中尤為有用。MRI多層面成像能力允許科學家和醫(yī)生從不同角度觀察體內(nèi)結(jié)構(gòu)，支持3D圖像重建，為復雜的生物結(jié)構(gòu)研究提供了支持。在醫(yī)學領域，MRI的應用廣泛而全面。它在神經(jīng)系統(tǒng)成像中具有突出優(yōu)勢，可用于檢測腦瘤、腦卒中、以及多發(fā)性硬化等疾病。MRI在評估脊柱病變、椎間盤突出和脊髓病變方面也非常有效。心血管領域也受益于MRI的高分辨率，在心肌梗死、心肌病以及心臟功能評估上，MRI提供了詳細而可靠的診斷信息。對于關(guān)節(jié)和軟組織損傷，MRI是首選工具，因為它能清晰顯示軟骨、韌帶和肌肉的細節(jié)。這對運動損傷和關(guān)節(jié)疾病的評估至關(guān)重要。此外，腹部MRI可用于評估肝臟、胰腺以及腎臟的疾病，為腫瘤和炎癥性疾病的診斷提供了關(guān)鍵幫助。在癌癥診斷和治療中，MRI不僅用于初次發(fā)現(xiàn)，也用于監(jiān)測治療進展和復發(fā)檢查。使用磁共振（MR）造影劑可以增強圖像的解剖特征，提高成像精度。MRI可以通過合適的磁共振探針實現(xiàn)分子層面的成像。目前，研究人員已開發(fā)了多種對各種分析物（例如pH值、谷胱甘肽、活性氧（ROS）、活性氮（RNS）、溫度、金屬離子、β-半乳糖苷酶、半胱天冬酶、基質(zhì)金屬蛋白酶）響應的MRI探針。在被分析物激活之前，這些MRI探針具有一定的MR對比度。在被分析物激活后，探針具有更高的MR對比度。由于在病灶區(qū)域，探針信號由分析物濃度和探針本身濃度共同決定，而探針濃度的動態(tài)變化將導致目標分子定量困難，難以滿足在復雜生物體中分子的精準檢測。為了解決探針濃度變化對MRI信號的影響，研究人員開發(fā)了比值型化學交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）方法。該方法利用兩個不同的 CEST 信號對pH 或氧化還原進行比值型傳感。然而，這些比值型 CEST 探針靈敏度較低，而且需要超高磁場。由于強磁熱效應，超高磁場在臨床中難以獲得。因此，這些探針在分子成像中并不常用。另一種比值型方法是通過使用橫向和縱向弛豫率的比值（r2/r1）來克服探針濃度的變化。MRI探針被分析物激活后，其r2和r1的變化通常可分為三種類型：（1）r2（或 r1）變化，而 r1（或 r2）保持不變；（2）r2 和 r1同向變化；（3） r2 和 r1反向變化。在第一種類型中，r2 或 r1變化，導致比值變化相對較小，主要用于溶液中，迄今為止尚未在活體中應用。目前大多數(shù)響應型MRI探針為第二種類型，即經(jīng)分析物激活，通常MRI探針 r2 與 r1 的變化是同步的。這將導致r2/ r1比值（RMS（r2/r1））與分析物的濃度呈非單調(diào)關(guān)系，不適合定量成像。第三種類型，r2 和 r1反向變化能確保比率信號比值RMS（r2/ r1）與分析物濃度呈現(xiàn)出單調(diào)性，且響應動態(tài)范圍大，是設計比值型MRI探針的關(guān)鍵。有鑒于此，該團隊開發(fā)了一類通用的磁化率調(diào)控的比值型MRI探針，用于活體物質(zhì)的定量成像（圖1）。他們設計了一種磁化率依賴的磁共振調(diào)控（Ms-dMRT）策略，通過放大 r2/ r1 比值的變化來提高靈敏度（△（r2/r1） > 100，7 T）。通過合理設計，采用錳卟啉（Mn-porphyrin）作為增強劑，氧化鐵納米顆粒作為猝滅劑，響應型聚合物作為響應單元，以誘導MRI探針r1和r2在分析物激活下，產(chǎn)生反向變化。因此，RMS（r2/r1）與分析物濃度呈現(xiàn)單調(diào)關(guān)系，并且不受探針濃度變化的影響。值得注意的是，這種 Ms-dMRT 策略是保證 RMS（r2/r1）與分析物濃度呈單調(diào)關(guān)系的關(guān)鍵，同時顯著擴大了響應的動態(tài)范圍（其幅度比已報道的釓基比值型MRI探針高 10 倍以上），進而可以在溶液實現(xiàn)對分析物的精準定量，并能在活體動物中克服探針濃度變化的影響。該比值型MRI探針實現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境中H?O?、H?S和pH的定量成像，以及肝損傷過程中H?O?水平的動態(tài)評估和原位膠質(zhì)瘤的比值型成像。重要的是，該比值型MRI探針在準確檢測腫瘤微環(huán)境的微小變化和評估藥物引起的肝損傷方面顯示出巨大的潛力。此外，比值型MRI還具有將病理過程的可靠分子信息與病理位置的解剖信息相結(jié)合的優(yōu)勢，而這正是光學成像所不具備的特性。圖1 基于Ms-dMRT 策略的比值型 MRI 探針的示意圖該比值型MRI探針使用順磁性錳卟啉（Mn-porphyrin）作為“增強劑”，超順磁性氧化鐵納米顆粒作為“猝滅劑”（圖2）。隨后，采用納米沉淀法將Mn-porphyrin和氧化鐵納米顆粒共加載到響應型聚合物中，從而制備出三種比值型MRI探針，分別為H?O?響應型（H?O?-RMN）、H?S響應型（H?S-RMN）和酸性響應型（H?-RMN）MRI探針。H?O?-RMN和H?S-RMN響應機制如下：經(jīng)H?O?或H?S激活后，H?O?-RMN和H?S-RMN的粒徑增加，進而促使氧化鐵納米顆粒進一步聚集。這種聚集引發(fā)更高的磁化率（Ms）并增強磁場不均勻性，從而顯著增加r?值。這種Ms的增加符合Ms-dMRT效應，對鄰近的Mn-porphyrin產(chǎn)生更強的磁共振調(diào)控效應，導致Mn-porphyrin的T?信號被猝滅，從而降低r?值。因此，隨著H?O?或H?S濃度的增加，r?顯著升高，而r?持續(xù)降低。圖2 基于 Ms-dMRT 的比值型 MRI 探針的設計與響應測試響應探針的MRI信號通常由分析物的濃度和探針的濃度共同確定。然而，系統(tǒng)給藥后，在特定組織中定量探針濃度往往具有挑戰(zhàn)性。在比值型熒光成像中，兩處波長熒光強度的比值僅與分析物的濃度有關(guān)，而與探針的濃度無關(guān)。受此啟發(fā)，他們擬用類似的方法來解決MRI定量檢測中存在的挑戰(zhàn)。通過使用常見的T1和T2 mapping序列從MRI中直接測量獲得磁性納米探針的T1和T2弛豫時間。進一步通過公式推導，他們發(fā)現(xiàn)比值RMS（r2/r1）可根據(jù)下面公式（1）具體確定，而與探針的濃度無關(guān)。其中1/Ti為弛豫時間（Ti）的倒數(shù);為分析物的濃度，為在濃度下存在分析物時納米探針的弛豫率，為在濃度下存在分析物時線性函數(shù)的截距，i = 1, 2 。為了進行比值型MRI成像，使用7?T MRI掃描儀獲取Ms-dMRT探針的T?/ T?弛豫時間。H?O?-RMN和H?S-RMN的映射圖像顯示，隨著H?O?或H?S濃度的增加，T?弛豫時間降低，而T?弛豫時間逐漸增加（圖3）。通過相應的T?和T?映射圖像計算r?和r?值。隨著H?O?或H?S濃度的增加，r?逐漸降低，而r?逐漸增加。7?T 磁場下，H?O?-RMN，H?S-RMN，H?-RMN的△(r2/ r1)分別為104， 200，121。為了進一步在活體中探究H?O?濃度和探針濃度變化對MRI信號的影響，荷瘤小鼠靜脈注射H?O?-RMN或?qū)φ誐RI探針（Ir-RMN-1）。在注射Ir-RMN-1后，Ir-RMN-1通過增強滲透和滯留（EPR）效應在腫瘤中積累，導致T?和T?弛豫時間逐漸降低，但Ir-RMN-1的RMS (r?/r?) 值并未出現(xiàn)顯著波動。在注射H?O?-RMN后，H?O?-RMN通過EPR效應積累在腫瘤中導致T?弛豫時間下降，而內(nèi)源性H?O?激活H?O?-RMN后，引起T?弛豫時間增加。因此，腫瘤區(qū)域的T?弛豫時間先減少后反彈并逐漸增加。與此同時，T?弛豫時間在2小時內(nèi)持續(xù)降低，且注射H?O?-RMN組的T?弛豫時間低于Ir-RMN-1組。這一差異歸因于H?O?-RMN的積累和內(nèi)源性H?O?的激活。重要的是，2小時內(nèi) H?O?-RMN組腫瘤的RMS （r?/r?）明顯增加（圖4）。這些結(jié)果表明，RMS （r?/r?）的變化主要歸因于對內(nèi)源性H?O?的響應，而非探針的積累（探針濃度的變化）。通過建立 RMS （r?/r?）和H?O?濃度之間的相關(guān)曲線來定量腫瘤中H?O?濃度。將N-乙酰半胱氨酸（NAC）或不同濃度的H?O?注射到荷瘤小鼠的腫瘤中，以構(gòu)建具有不同H?O?濃度的腫瘤模型，并通過商業(yè)化H?O?檢測試劑盒測試其H?O?濃度。同時采集注射H?O?-RMN前和注射2小時后腫瘤的T?和T?弛豫時間，并計算每組小鼠的RMS （r?/r?）。隨后繪制腫瘤RMS （r?/r?）與H?O?濃度的標準曲線（R2 = 0.94）（圖5）。最后，利用該標準曲線，定量了腫瘤組織中H?O?濃度。比值型MRI成像和定量藥物誘導肝損傷過程中的H?O?藥物性肝損害已成為備受關(guān)注的公共衛(wèi)生問題。盡管通常用檢測血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶（ALT）和谷草轉(zhuǎn)氨酶（AST）水平來評估藥物引起的肝毒性，但這些檢測方法的靈敏度和特異性有限。近些年來，基于近紅外（NIR）熒光、化學發(fā)光或光聲成像的光學分子探針已被開發(fā)，并用于可視化肝損傷過程中生物標志物的變化。這些光學探針雖然具有較高的靈敏度和選擇性，但由于組織穿透能力較差，限制了其在臨床中的應用。此外，光學成像無法提供關(guān)于特定受損區(qū)域的空間信息。相比之下，MRI因其深層組織成像能力和優(yōu)異的軟組織對比度，能夠?qū)崿F(xiàn)全身成像。近年來，已有多種活性氧（ROS）響應的MRI探針被開發(fā)，并用于可視化藥物性肝損傷過程中ROS。然而，準確測定ROS水平仍然具有挑戰(zhàn)性，因為MRI信號依賴于ROS濃度和探針濃度。采用H?O?-RMN對藥物性肝毒性期間的H?O?水平進行成像和定量。與接受生理鹽水處理的小鼠相比，接受 APAP + H?O?-RMN 處理的小鼠肝臟呈現(xiàn)更暗的對比度，且 T?-MRI 信號強度顯著降低，這表明 H?O?-RMN 能夠評估 H?O?并指示 APAP 誘導的肝損傷。此外，APAP 處理組和 APAP + GSH 處理組的小鼠 RMS（r?/r?）值分別較 PBS 處理組增加了 5.0 倍和 1.67 倍。隨后，在肝損傷模型中建立了 H?O?水平與 RMS（r?/r?）值之間的相關(guān)性。利用標準曲線，定量了生理鹽水 + H?O?-RMN、APAP + H?O?-RMN 和 GSH + APAP + H?O?-RMN 組H?O?濃度分別為 1.26 μmol g?1 組織、1.97 μmol g?1 組織和 1.47 μmol g?1 組織（圖6）。這些結(jié)果突出了 H?O?-RMN 的 RMS（r?/r?）值與肝損傷水平之間存在顯著的相關(guān)性。通過類似的方法，我們利用H?S-RMN和H?-RMN定量了腫瘤的酸度和H2S濃度。圖6 比值型MRI成像和定量藥物誘導肝損傷過程中的H?O?該研究開發(fā)了針對不同分析物（如H?O?、H?S和pH）的比值型MRI探針，其RMS（r?/r?）與分析物濃度之間呈現(xiàn)一致的關(guān)系，而與探針濃度無關(guān)。這些探針在多種動物模型中表現(xiàn)出可靠的比值型MRI性能。這些結(jié)果為活體生物分析物的高精度定量成像提供了新的工具。該比值型MRI探針具有通用性，通過改變響應型聚合物，便可擴展到成像其他生物標志物，如酶，信號分子或金屬離子。在未來，比值型探針可能會擴展到其他研究的潛在領域，包括神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和炎癥。此外，這些比值型MRI探針在藥物發(fā)現(xiàn)、精準醫(yī)學和癌癥免疫治療的縱向研究中顯示出巨大的潛力。Zhang, C., Nan, B., Xu, J. et al. Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI. Nat. Biomed. Eng. (2024). https://doi.org/10.1038/s41551-024-01286-4.Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI | Nature Biomedical Engineering
