MRI是现代医学诊断中的一种重要工具，可以为各类疾病提供详尽的内部结构和功能信息。然而，传统MRI技术在面对复杂组织环境时，常因信号精度不足和干扰较多而使得定量结果不够精确。这一局限性使得追求更精准的成像技术成为科学研究的重要方向。近日湖南大学的宋国胜教授、张晓兵教授联合美国斯坦福大学的Jianghong Rao教授率领团队在Nature biomedical engineering 上报道新型MRI探针通过对磁感应强度的精确调控，实现了在复杂生物组织内的信号增强和背景干扰的有效抑制。这项技术的核心在于其对比率反馈信号的高度敏感性，不仅提高了信号稳定性，还提升了图像对比度。此外，该团队今年在成像领域也发表了多篇相关的工作，奇物论公众号也进行了相关的报道，如下：（点击下方标题可查看详细报道）这种新型探针带来的增强效果，预示未来在各种医学检测与研究应用中能够获得更精确的组织成像。通过大幅提高定量MRI的准确性，这项技术为未来医学诊断和治疗方案的制定提供更加可靠的成像工具。磁共振成像（MRI）是一种基于核磁共振原理的非侵入性成像技术。在成像过程中，MRI利用的是体内氢原子核在强磁场中共振的特性。人体大部分由水分子构成，水又含有大量的氢原子，当人体置于强磁场中时，这些氢核会排列成特定方向。随后，射频脉冲被施加，使氢核发生共振并偏离其原有排列。射频脉冲停止后，氢核会逐渐恢复到初始状态，释放出微弱的射频信号。这些信号由线圈接收，并通过计算机进行处理，生成高分辨率的图像。MRI的诞生与发展离不开科学家的不懈探索。1973年，Paul Lauterbur提出了利用梯度磁场获取二维图像的概念，为MRI的实际应用奠定了基础。而在1980年代，Peter Mansfield则进一步改进了成像速度和质量。这两位科学家的工作共同推动了MRI技术的成熟，并因此在2003年获得了诺贝尔生理学或医学奖。这一荣誉不仅承认了核磁共振成像在物理学和医学中的革命性突破，也彰显了其在科学探究中的无可替代的贡献。MRI具有非侵入性和无辐射特性，这使其成为研究人体内部组织和功能的安全工具。MRI能提供卓越的软组织对比，使其在解剖学研究中尤为有用。MRI多层面成像能力允许科学家和医生从不同角度观察体内结构，支持3D图像重建，为复杂的生物结构研究提供了支持。在医学领域，MRI的应用广泛而全面。它在神经系统成像中具有突出优势，可用于检测脑瘤、脑卒中、以及多发性硬化等疾病。MRI在评估脊柱病变、椎间盘突出和脊髓病变方面也非常有效。心血管领域也受益于MRI的高分辨率，在心肌梗死、心肌病以及心脏功能评估上，MRI提供了详细而可靠的诊断信息。对于关节和软组织损伤，MRI是首选工具，因为它能清晰显示软骨、韧带和肌肉的细节。这对运动损伤和关节疾病的评估至关重要。此外，腹部MRI可用于评估肝脏、胰腺以及肾脏的疾病，为肿瘤和炎症性疾病的诊断提供了关键帮助。在癌症诊断和治疗中，MRI不仅用于初次发现，也用于监测治疗进展和复发检查。使用磁共振（MR）造影剂可以增强图像的解剖特征，提高成像精度。MRI可以通过合适的磁共振探针实现分子层面的成像。目前，研究人员已开发了多种对各种分析物（例如pH值、谷胱甘肽、活性氧（ROS）、活性氮（RNS）、温度、金属离子、β-半乳糖苷酶、半胱天冬酶、基质金属蛋白酶）响应的MRI探针。在被分析物激活之前，这些MRI探针具有一定的MR对比度。在被分析物激活后，探针具有更高的MR对比度。由于在病灶区域，探针信号由分析物浓度和探针本身浓度共同决定，而探针浓度的动态变化将导致目标分子定量困难，难以满足在复杂生物体中分子的精准检测。为了解决探针浓度变化对MRI信号的影响，研究人员开发了比值型化学交换饱和转移（CEST）方法。该方法利用两个不同的 CEST 信号对pH 或氧化还原进行比值型传感。然而，这些比值型 CEST 探针灵敏度较低，而且需要超高磁场。由于强磁热效应，超高磁场在临床中难以获得。因此，这些探针在分子成像中并不常用。另一种比值型方法是通过使用横向和纵向弛豫率的比值（r2/r1）来克服探针浓度的变化。MRI探针被分析物激活后，其r2和r1的变化通常可分为三种类型：（1）r2（或 r1）变化，而 r1（或 r2）保持不变；（2）r2 和 r1同向变化；（3） r2 和 r1反向变化。在第一种类型中，r2 或 r1变化，导致比值变化相对较小，主要用于溶液中，迄今为止尚未在活体中应用。目前大多数响应型MRI探针为第二种类型，即经分析物激活，通常MRI探针 r2 与 r1 的变化是同步的。这将导致r2/ r1比值（RMS（r2/r1））与分析物的浓度呈非单调关系，不适合定量成像。第三种类型，r2 和 r1反向变化能确保比率信号比值RMS（r2/ r1）与分析物浓度呈现出单调性，且响应动态范围大，是设计比值型MRI探针的关键。有鉴于此，该团队开发了一类通用的磁化率调控的比值型MRI探针，用于活体物质的定量成像（图1）。他们设计了一种磁化率依赖的磁共振调控（Ms-dMRT）策略，通过放大 r2/ r1 比值的变化来提高灵敏度（△（r2/r1） > 100，7 T）。通过合理设计，采用锰卟啉（Mn-porphyrin）作为增强剂，氧化铁纳米颗粒作为猝灭剂，响应型聚合物作为响应单元，以诱导MRI探针r1和r2在分析物激活下，产生反向变化。因此，RMS（r2/r1）与分析物浓度呈现单调关系，并且不受探针浓度变化的影响。值得注意的是，这种 Ms-dMRT 策略是保证 RMS（r2/r1）与分析物浓度呈单调关系的关键，同时显著扩大了响应的动态范围（其幅度比已报道的钆基比值型MRI探针高 10 倍以上），进而可以在溶液实现对分析物的精准定量，并能在活体动物中克服探针浓度变化的影响。该比值型MRI探针实现了肿瘤微环境中H₂O₂、H₂S和pH的定量成像，以及肝损伤过程中H₂O₂水平的动态评估和原位胶质瘤的比值型成像。重要的是，该比值型MRI探针在准确检测肿瘤微环境的微小变化和评估药物引起的肝损伤方面显示出巨大的潜力。此外，比值型MRI还具有将病理过程的可靠分子信息与病理位置的解剖信息相结合的优势，而这正是光学成像所不具备的特性。图1 基于Ms-dMRT 策略的比值型 MRI 探针的示意图该比值型MRI探针使用顺磁性锰卟啉（Mn-porphyrin）作为“增强剂”，超顺磁性氧化铁纳米颗粒作为“猝灭剂”（图2）。随后，采用纳米沉淀法将Mn-porphyrin和氧化铁纳米颗粒共加载到响应型聚合物中，从而制备出三种比值型MRI探针，分别为H₂O₂响应型（H₂O₂-RMN）、H₂S响应型（H₂S-RMN）和酸性响应型（H⁺-RMN）MRI探针。H₂O₂-RMN和H₂S-RMN响应机制如下：经H₂O₂或H₂S激活后，H₂O₂-RMN和H₂S-RMN的粒径增加，进而促使氧化铁纳米颗粒进一步聚集。这种聚集引发更高的磁化率（Ms）并增强磁场不均匀性，从而显著增加r₂值。这种Ms的增加符合Ms-dMRT效应，对邻近的Mn-porphyrin产生更强的磁共振调控效应，导致Mn-porphyrin的T₁信号被猝灭，从而降低r₁值。因此，随着H₂O₂或H₂S浓度的增加，r₂显著升高，而r₁持续降低。图2 基于 Ms-dMRT 的比值型 MRI 探针的设计与响应测试响应探针的MRI信号通常由分析物的浓度和探针的浓度共同确定。然而，系统给药后，在特定组织中定量探针浓度往往具有挑战性。在比值型荧光成像中，两处波长荧光强度的比值仅与分析物的浓度有关，而与探针的浓度无关。受此启发，他们拟用类似的方法来解决MRI定量检测中存在的挑战。通过使用常见的T1和T2 mapping序列从MRI中直接测量获得磁性纳米探针的T1和T2弛豫时间。进一步通过公式推导，他们发现比值RMS（r2/r1）可根据下面公式（1）具体确定，而与探针的浓度无关。其中1/Ti为弛豫时间（Ti）的倒数;为分析物的浓度，为在浓度下存在分析物时纳米探针的弛豫率，为在浓度下存在分析物时线性函数的截距，i = 1, 2 。为了进行比值型MRI成像，使用7 T MRI扫描仪获取Ms-dMRT探针的T₂/ T₁弛豫时间。H₂O₂-RMN和H₂S-RMN的映射图像显示，随着H₂O₂或H₂S浓度的增加，T₂弛豫时间降低，而T₁弛豫时间逐渐增加（图3）。通过相应的T₁和T₂映射图像计算r₁和r₂值。随着H₂O₂或H₂S浓度的增加，r₁逐渐降低，而r₂逐渐增加。7 T 磁场下，H₂O₂-RMN，H₂S-RMN，H⁺-RMN的△(r2/ r1)分别为104， 200，121。为了进一步在活体中探究H₂O₂浓度和探针浓度变化对MRI信号的影响，荷瘤小鼠静脉注射H₂O₂-RMN或对照MRI探针（Ir-RMN-1）。在注射Ir-RMN-1后，Ir-RMN-1通过增强渗透和滞留（EPR）效应在肿瘤中积累，导致T₂和T₁弛豫时间逐渐降低，但Ir-RMN-1的RMS (r₂/r₁) 值并未出现显著波动。在注射H₂O₂-RMN后，H₂O₂-RMN通过EPR效应积累在肿瘤中导致T₁弛豫时间下降，而内源性H₂O₂激活H₂O₂-RMN后，引起T₁弛豫时间增加。因此，肿瘤区域的T₁弛豫时间先减少后反弹并逐渐增加。与此同时，T₂弛豫时间在2小时内持续降低，且注射H₂O₂-RMN组的T₂弛豫时间低于Ir-RMN-1组。这一差异归因于H₂O₂-RMN的积累和内源性H₂O₂的激活。重要的是，2小时内 H₂O₂-RMN组肿瘤的RMS （r₂/r₁）明显增加（图4）。这些结果表明，RMS （r₂/r₁）的变化主要归因于对内源性H₂O₂的响应，而非探针的积累（探针浓度的变化）。通过建立 RMS （r₂/r₁）和H₂O₂浓度之间的相关曲线来定量肿瘤中H₂O₂浓度。将N-乙酰半胱氨酸（NAC）或不同浓度的H₂O₂注射到荷瘤小鼠的肿瘤中，以构建具有不同H₂O₂浓度的肿瘤模型，并通过商业化H₂O₂检测试剂盒测试其H₂O₂浓度。同时采集注射H₂O₂-RMN前和注射2小时后肿瘤的T₂和T₁弛豫时间，并计算每组小鼠的RMS （r₂/r₁）。随后绘制肿瘤RMS （r₂/r₁）与H₂O₂浓度的标准曲线（R2 = 0.94）（图5）。最后，利用该标准曲线，定量了肿瘤组织中H₂O₂浓度。比值型MRI成像和定量药物诱导肝损伤过程中的H₂O₂药物性肝损害已成为备受关注的公共卫生问题。尽管通常用检测血清中谷丙转氨酶（ALT）和谷草转氨酶（AST）水平来评估药物引起的肝毒性，但这些检测方法的灵敏度和特异性有限。近些年来，基于近红外（NIR）荧光、化学发光或光声成像的光学分子探针已被开发，并用于可视化肝损伤过程中生物标志物的变化。这些光学探针虽然具有较高的灵敏度和选择性，但由于组织穿透能力较差，限制了其在临床中的应用。此外，光学成像无法提供关于特定受损区域的空间信息。相比之下，MRI因其深层组织成像能力和优异的软组织对比度，能够实现全身成像。近年来，已有多种活性氧（ROS）响应的MRI探针被开发，并用于可视化药物性肝损伤过程中ROS。然而，准确测定ROS水平仍然具有挑战性，因为MRI信号依赖于ROS浓度和探针浓度。采用H₂O₂-RMN对药物性肝毒性期间的H₂O₂水平进行成像和定量。与接受生理盐水处理的小鼠相比，接受 APAP + H₂O₂-RMN 处理的小鼠肝脏呈现更暗的对比度，且 T₂-MRI 信号强度显著降低，这表明 H₂O₂-RMN 能够评估 H₂O₂并指示 APAP 诱导的肝损伤。此外，APAP 处理组和 APAP + GSH 处理组的小鼠 RMS（r₂/r₁）值分别较 PBS 处理组增加了 5.0 倍和 1.67 倍。随后，在肝损伤模型中建立了 H₂O₂水平与 RMS（r₂/r₁）值之间的相关性。利用标准曲线，定量了生理盐水 + H₂O₂-RMN、APAP + H₂O₂-RMN 和 GSH + APAP + H₂O₂-RMN 组H₂O₂浓度分别为 1.26 µmol g⁻¹ 组织、1.97 µmol g⁻¹ 组织和 1.47 µmol g⁻¹ 组织（图6）。这些结果突出了 H₂O₂-RMN 的 RMS（r₂/r₁）值与肝损伤水平之间存在显著的相关性。通过类似的方法，我们利用H₂S-RMN和H⁺-RMN定量了肿瘤的酸度和H2S浓度。图6 比值型MRI成像和定量药物诱导肝损伤过程中的H₂O₂该研究开发了针对不同分析物（如H₂O₂、H₂S和pH）的比值型MRI探针，其RMS（r₂/r₁）与分析物浓度之间呈现一致的关系，而与探针浓度无关。这些探针在多种动物模型中表现出可靠的比值型MRI性能。这些结果为活体生物分析物的高精度定量成像提供了新的工具。该比值型MRI探针具有通用性，通过改变响应型聚合物，便可扩展到成像其他生物标志物，如酶，信号分子或金属离子。在未来，比值型探针可能会扩展到其他研究的潜在领域，包括神经退行性疾病、心血管疾病和炎症。此外，这些比值型MRI探针在药物发现、精准医学和癌症免疫治疗的纵向研究中显示出巨大的潜力。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
