用于肺癌细胞检测的化学交换反转转移MRI研究

Lung cancer is malignant tumor with the highest morbidity and mortality in China. The early detection, diagnosis and treatment of lung cancer have important academic and clinical significance for improving the survival rate of lung cancer patients. MRI is a widely used imaging method. However, its intrinsic low sensitivity and the pulmonary cavity structure limit its application in early detection of lung cancer. Hyper-CEST, which conbined chemical exchange saturation transfer (CEST) and hyperpolarization techeniques, can greatly improve the NMR detection sensitivity. Hyper-CEST can detect biosensor at pM concentration level that shows great potential in the early detection of lung cancer. Cancer cells can be detected by the chemical shift change of the Xe biosensor after interaction with cancer cells. But it is not suitble for biosensors with small chemical shift change. In this project, we proposed an exchange rate weighted method, chemical exchange inversion transfer (CEIT) ratiometric imaging, with cryptophane as 129Xe carrier. The ratio, which derives from the CEIT ratiometric method, can be used to destinguish biosensors with same or similar chemical shift but distinct exchange rates. That will make it easier for biosensors to be used for the detection of cancer cells. Furthermore, it provides an alternative way for high sensitive detection of cancer cells and promotes the development of 129Xe biosensor in the early detection of cancer.

肺癌是我国发病率和致死率第一的恶性肿瘤，肺癌的早期检测，对于提升肺癌患者生存率具有重要的学术和临床实践意义。MRI具有无创、高分辨率、组织穿透深等优点，是一种应用广泛的影像方法。但常规磁共振毫摩尔（mM）级的灵敏度和肺部空腔结构限制了其在肺癌早期检测中的应用。Hyper-CEST结合了化学交换饱和转移技术（CEST）和超极化技术的优势，可以显著提高灵敏度，检测皮摩尔（pM）量级的分子探针，在肺癌早期检测方面展现出巨大潜力。Hyper-CEST主要通过分子探针与细胞作用前后化学位移变化检测肿瘤细胞，对作用前后化学位移变化小的分子探针不适用，限制了分子探针的选择范围。本项目提出以穴蕃作为129Xe载体，发展基于化学交换反转转移（CEIT）的比率计成像方法，引入交换速率相关比值参数，降低对129Xe分子探针的要求，为肺癌细胞检测和区分提供有效途径，推动129Xe 分子探针在肺癌早期检测中的发展。

肺癌是我国发病率和致死率第一的恶性肿瘤，肺癌的早期检测，对于提升肺癌患者生存率具有重要的学术和临床实践意义。MRI具有无创、高分辨率、组织穿透深等优点，是一种应用广泛的影像方法。但常规磁共振毫摩尔（mM）级的灵敏度和肺部空腔结构限制了其在肺癌早期检测中的应用。Hyper-CEST结合了化学交换饱和转移技术（CEST）和超极化技术的优势，可以显著提高灵敏度，检测皮摩尔（pM）量级的分子探针，在肺癌早期检测方面展现出巨大潜力。本项目为克服现有Hyper-CEST肺癌细胞检测方法对分子探针的依赖性高和其只凭129Xe分子探针化学位移检测特异性不足的缺点，提出并发展基于不同间隔时间的化学交换反转转移（CEIT）比率计成像方法。通过推导基于双池交换的CEIT信号稳态解析解，构建了基于不同间隔时间的CEIT比率计模型，该模型获得CEIT效果比值（CRAR）几乎不受分子探针浓度影响，且在间隔时间组合确定时，其大小与交换速率相关。提出了一种基于长间隔时间的129Xe分子探针浓度定量检测方法，实现了相比常规Hyper-CEST z谱采样时间缩短约10倍的浓度定量，并通过优化循环次数，实现相对偏差小于1%的浓度定量测量。进一步，我们将CEIT比率计方法应用于肺癌细胞的检测，研究结果显示与分子探针共孵育不同时间的细胞样品获得的CRAR值均高于分子探针纯培养基溶液，反映了分子探针与细胞间发生相互作用，为CEIT比率计方法在肺癌细胞检测中的应用提供支持。此外，我们还分别提出了基于少循环次数和短间隔时间的CEIT方法，通过计算CEIT效果与循环次数和间隔时间的斜率定量测量溶液中分子探针浓度，为129Xe分子探针应用于肺癌细胞定量分子影像提供支持。