外泌体介导的129Xe/19F双核MRI用于肺癌早期探测及其演进机制的研究

As one of the methods of molecular imaging, MRI plays an important role in tumor MRI plays an important role in tumor detection as one of the methods of molecular imaging. Our group increased the sensitivity of MRI by more than 55,000 times, using the self-developed ultra-sensitive 129Xe lung MRI system, which provided a new scientific research instrument for early detection of lung cancer in vivo. This research will be carried out from the following aspects: 1)The selfdeveloped ultrasensitive 129Xe MRS/MRI will be used to study the lung microstructure, function and immune micro-structure of lung cancer model mice, in order to detect early lung cancer in-situ in vivo. 2)In this project, we will establish a probe system with tumor-derived exosomes (TEXO), which has specific biological function, good biocompatibility, long in vivo circulating time, safety and high efficiency. The tumor microenvironment and solid tumors can be imaged with 129Xe/19F Dual-nuclear magnetic resonance enhancement technique, so as to get more comprehensive, efficient and accurate detection of early non-small cell lung cancer in vivo. 3)The molecular mechanisms of proto-oncogene activation and abnormal metabolism in lung cancer were described by RNA and exon sequencing, chromatin immunoprecipitation and metabolomics in the lesions localized by multi-molecular imaging, which can reveal the different key molecular events of lung cancer in different stages of evolution. Through the multi-molecular imaging, cell behavior and living lesions of lung cancer, it provides a theoretical basis for the clinical transformation of ultrasensitive 129Xe magnetic resonance imaging in basic tumor research.

核磁共振(MRS/MRI)作为活体分子影像学的重要手段，在肿瘤检测中发挥着关键作用。申请团队利用自主研发的超灵敏129Xe肺部MRI系统，将129Xe磁共振信号灵敏度提高55000倍，为早期肺癌结构和功能的检测提供了新的科学仪器。基于该仪器：1)以129Xe磁共振对自发肺癌模型鼠肺部微结构、功能以及免疫微环境的早期改变进行超灵敏探测；2)以肺癌细胞来源外泌体为载体，建立靶向性强，安全性高的复合功能分子探针体系，利用129Xe/19F 双核磁共振增强技术，对肿瘤微环境和实体瘤进行多分子成像，从而更全面、精准、无创地探测早期肺癌；3)对多分子成像定位出的病变区域，以基因组学和代谢组学等方法，阐述肺癌原癌基因激活和异常代谢的分子机制，揭示肺癌在不同演进阶段的关键分子事件。通过对肺癌分子功能、细胞行为及活体病变的多尺度研究，为超灵敏129Xe磁共振分子影像在肿瘤基础研究向临床转化提供理论依据。

核磁共振成像（MRI）是一种常用的医学影像手段，在疾病的检测当中发挥着重要的作用。为解决传统MRI难以用于肺部成像的问题，项目团队自主研发了一种气体MRI技术，能够定量可视化评估肺部气-气、气-血交换和微结构变化，为肺部重大疾病的诊断提供了一种全新的方法。基于该技术，在项目执行期间，本团队从人体-动物-分子多层面研究了肺部疾病发展过程中肺部结构、功能的变化与分子机制：1）将气体磁共振信号增强至7万倍，开发磁共振超快采样与重建新方法，气体MRI已获得医疗器械注册证并被推广至多家三甲医院；2）在国际上首次将气体MRI用于COVID-19病人肺部结构和功能评估，发现其肺局部动态通气功能异常、气血交换功能受损；3）气体MRI结果表明，随着肺癌的演进，肺部通气缺陷面积逐渐增大，并伴随有肺部微结构改变，结合多组学方法，推测肺部结构变化与肿瘤引发的免疫炎症有关；4）开发双核磁共振增强技术，构建了一系列19F/129Xe MRI分子探针，用于活体肺癌微环境探测和MRI指导下的高效治疗。项目的实施为肺部重大疾病的研究提供了一种可视化、可量化的肺部功能和结构评估新方法，为揭示肺癌演进过程中肺部气-气和气-血功能、微结构变化和分子机制的联系提供了有力的支撑。. 相关成果发表Sci. Adv.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.等高水平论文35篇，申请和授权国家发明专利20件，入选国家 “十三五”科技创新成就展，李克强总理杰青25周年座谈会代表性成果，基金委2019年第2期简报和2020年《四类科学问题属性典型案例库》，获中国国际工业博览会大奖、全国创新争先奖等。项目实施过程中，培养了中科院青促会、中科院关键技术人才、湖北省杰青等青年骨干成员，形成了一支能自主研发新技术以解决关键科学问题的科研团队。