超灵敏129Xe磁共振分子影像学新方法---化学交换反转转移

Magnetic resonance imaging (MRI) is a safe and painless test that uses a magnetic field and radio waves to produce detailed pictures of the body's organs。 However, the intrinsic low sensitivity of MRI in comparison to the other medical imaging techniques, e.g. optical analysis, CT, greatly limits its applications in molecular imaging. Molecular imaging is a novel biomedical discipline, and it could visualize the biological processes at cellular and subcellular levels by in vivo imaging modalities, such as PET, SPECT, MRI, optical imaging and etc. An important potential utilization of MR molecular imaging is to develop highly sensitive methods to diagnose the malignant diseases, like cancers or tumors, at the very early stages. As an unconventional MR method, optically pumped hyperpolarized 129Xe possesses a 4-5 orders of magnitude higher spin polarization comparing to the conventional one. Functionalized cryptophane cages with specific targeting ability is able to trap the dissolved xenon and confer 129Xe NMR signals with molecular specificity . The signal of xenon-based molecular sensors can be further amplified through the CEST. In such method, the spin polarization of the trapped xenon in cage is saturated by selective RF irradiation in a time scale of few seconds to tens of seconds, and eventually the saturation is accumulated in the polarization of free xenon, through the repeating exchange between free xenon and trapped xenon atoms. The long time saturation RF irradiation introduces the problem of high duty cycle,which is a harsh challenge to MRI amplifier. In this project, the inversion pulses separated with blanking of several ms or even longer are used instead of the continuous irradiation, and it demonstrates a higher efficiency to built the contrast with lower duty cycle.

磁共振成像MRI在结构成像和功能成像中都取得巨大成功并应用于临床医学，但灵敏度成为传统MRI技术应用于分子影像学的巨大障碍。基于激光抽运超极化技术、新型探针分子发展出的超灵敏129Xe分子影像技术，将磁共振方法对生物分子进行靶向检测的灵敏度增强了约5 个数量级，是目前国际上分子影像学研究中是最前沿的技术领域。HYPERCEST是超灵敏129Xe分子影像技术中最常用也是灵敏度最高的成像方法。本项目针对该方法在实验中因为高占空比带来的诸多问题：如生物体热效应、MRI仪器硬件负载过大等，提出了一种新的"化学交换反转转移"MRI成像方法。预期该方法不仅能大幅度缓解上述困难，还将在现有技术的基础上进一步将灵敏度提升50%以上。本项研究的成果将提高超灵敏MRI分子影像学技术的可行性和成熟度。在该项目中，我们还将发展与此新的MRI成像方法之相匹配的，兼具超灵敏度和靶向性的生物探针分子。

磁共振成像MRI在结构成像和功能成像中都取得巨大成功并应用于临床医学，但灵敏度成为传统MRI技术应用于分子影像学的巨大障碍。基于激光抽运超极化技术、新型探针分子发展出的超灵敏129Xe分子影像技术，将磁共振方法对生物分子进行靶向检测的灵敏度增强了约5 个数量级，是目前国际上分子影像学研究中是最前沿的技术领域。Hyper-CEST是超灵敏129Xe分子影像技术中最常用也是灵敏度最高的成像方法。本项目针对该方法在实验中因为高占空比带来的诸多问题：如生物体热效应、MRI仪器硬件负载过大等，提出了一种新的“化学交换反转转移”MRI成像方法。通过超极化129Xe NMR/MRI实验硬件系统的构建和CEIT脉冲序列的编写，以及一系列不同性能和功能探针分子的合成，验证了CEIT方法的有效性，相比于常规CEST方法，该方法在占空比为0.12时，即可获得与相同的CEST对比效果，将占空比降低60%以上，因而对于实验对象的热效应降低60%以上。通过引入参数脉冲间隔时间，CEIT方法可以对化学交换的动力学参数进行研究，对穴番-222和穴番-333的实验结果表明，利用CEIT方法，我们获得一种新的分子影像学加权方式；另外，在间隔时间大于3倍滞留时间时，我们可以对探针分子进行超灵敏定量检测。我们将CEIT方法用于研究H1299细胞与探针分子的相互作用，通过测量其动力学参数，将-131 ppm处信号归属为细胞内探针分子，-122 ppm处信号为细胞膜内探针分子，解决了传统CEST方法信号归属难的问题；同时CEIT方法也可用于监测探针分子与靶标的相互作用，拓展了CEIT方法的应用领域。最后，我们合成了颗粒粒径在30-50 nm的新型颗粒MOF，并完成离体颗粒MOF样品的R2/R1 MRI实验，其R2/R1值达到2.0，达到临床常用的T1造影剂的水平，在该参数上是目前已知最好的基于Fe的T1造影剂，具有很大的应用潜力。