磁共振成像（MRI）作為臨床診斷的重要工具，因其高空間和時間解析度、無創特性以及能夠提供詳細的軟組織對比度而廣泛應用於醫學領域。隨著MRI對比劑的發展，其診斷能力得到了進一步提升，使得分子影像學在特定生物標誌物檢測中的應用成為可能。然而，在活體系統中實現生物分析物的定量分析仍面臨巨大挑戰，主要由於難以區分由探針與靶標分析物反應啟用產生的MRI訊號與由探針在靶標部位積聚所產生的訊號。
傳統的技術，如化學交換飽和轉移（CEST）和比值反演弛豫率（r2/r1）方法，已嘗試解決這一問題。儘管這些方法展示了潛力，但它們存在低內在靈敏度、探針濃度依賴性變化等問題，這些都限制了其在活體中的可靠定量應用。此外，許多方法需要超高磁場或僅限於特定分析物，這進一步限制了其廣泛應用。
2024年11月29日，湖南大學宋國勝教授、張曉兵教授課題組和斯坦福大學醫學院饒江宏教授合作，在 Nature Biomedical Engineering期刊上發表了一篇名為：Magnetic-susceptibility-dependent ratiometric probes for enhancing quantitative MRI的論文。該論文共同通訊作者是湖南大學張曉兵教授，宋國勝教授，斯坦福大學醫學院饒江宏教授；論文第一作者是湖南大學張曉兵教授課題組成員博士生張成。
該論文提出了一種新的比值型MRI探針策略，利用磁化率依賴的磁共振調諧（Ms-dMRT）來提高靈敏度和定量精度。透過結合錳卟啉（Mn-porphyrin）和超順磁性氧化鐵奈米顆粒，他們設計了能夠顯著改變r2/r1弛豫率比值的探針，這種變化與分析物濃度相關，但不受探針濃度的影響。這種新方法大幅度擴充套件了比值響應的動態範圍，靈敏度比傳統的基於釓（Gd）的探針提高了超過10倍。此外，這些探針能夠在活體中進行實時分子成像，為腫瘤微環境、藥物引起的肝損傷等病理過程提供了重要的分子資訊，且不受探針濃度變化的干擾。這一進展有望顯著提升MRI在臨床和研究中的分子診斷潛力。
【主要內容】
研究設計了一種基於Ms-dMRT策略的比率型磁共振成像（MRI）探針，透過將順磁性錳卟啉（增強劑）和超順磁性氧化鐵奈米顆粒（猝滅劑）結合製備響應性探針（如H 2O 2-RMN、H 2S-RMN和H+-RMN）。探針在不同刺激（H 2O 2、H 2S、酸性pH）下發生聚集或解離，導致磁化率（Ms）和粒徑變化，從而調控T1和T2弛豫率（r1和r2）的比率。實驗表明，H 2O 2和H 2S刺激下r2增加、r1降低；酸性條件下則表現為r2降低、r1增加。這種比率型訊號變化可透過MRI影象清晰呈現，為精準診斷和實時監測特定生化環境變化提供了新工具。
圖1：Ms-dMRT策略用於大響應動態範圍比值型MRI探針的示意圖。“淬火劑”和“增強劑”的聚集或解聚，導致“淬火劑”磁化率（Ms）的變化。磁化率（Ms）的變化透過磁共振調節作用影響相鄰“增強劑”的電子自旋，從而實現r1和r2的相反變化。
圖2：基於Ms-dMRT的比值型MRI探針的設計與磁響應。
基於比率型磁共振成像（r2/r1）的探針
探針的鬆弛度r（CA）i受探針和分析物反應的影響，透過公式計算r2/r1比值。實驗結果表明，H 2O 2、H 2S和酸性條件下，r2和r1的變化符合預期，且r2/r1比值可用於定量分析各分析物濃度。此外，透過7T MRI掃描獲得的成像資料也支援了r2/r1比值與分析物濃度的正相關。對比控制探針（如Ir-RMN-1和Ir-RMN-2），比率型探針展示了更強的響應性和更高的定量能力，證明了其在比率型MRI中的應用優勢。
圖3：溶液中使用Ms-dMRT探針的比值型MRI。
透過酸性響應的H+-RMN和對照組Ir-RMN-2，結合T1/T2加權MRI和鬆弛時間圖，驗證了比率MRI在腫瘤微酸環境中檢測pH的能力。H+-RMN顯示隨時間T1縮短、T2增加，RMS (r2/r1)顯著下降78.8%，而Ir-RMN-2無明顯變化。透過靜脈注射，H+-RMN顯示腫瘤部位T1持續降低、T2先降後反彈，RMS (r2/r1)隨時間下降，反映腫瘤酸性啟用。進一步研究表明，H 2O 2-RMN在腫瘤內T1和T2的變化以及RMS增加可用於檢測H 2O 2，且不受探針濃度影響。同樣，H 2S-RMN在HCT116腫瘤模型中也表現出RMS顯著變化，驗證了其在腫瘤H 2S檢測中的潛力。
圖4：腫瘤中酸度或H2O2的比值型MRI成像。
比率MRI定量測定腫瘤內H2O2、H2S和pH值
首先，針對H 2O 2，建立了其濃度與RMS (r2/r1)之間的標準曲線，發現隨著H 2O 2濃度增加，RMS顯著上升，最終定量結果為1.09 µmol/g。對於H 2S，建立了H 2S濃度與RMS (r2/r1)的關係，R2=0.98，H 2S濃度為3.0 µmol/g。最後，透過注射不同pH緩衝液建立pH值與RMS (r2/r1)之間的關係，最終定量腫瘤pH值為6.35。該方法為腫瘤微環境的動態監測提供了有效的定量手段。
圖5：透過比值型MRI定量腫瘤中的H2O2。
比率MRI探針定量測定藥物引起的肝損傷中的H2O2水平
以對乙醯氨基酚（APAP）誘導小鼠肝損傷為模型，APAP透過CYP450氧化生成NAPQI並引發ROS生成，導致H 2O 2積聚。透過H 2O 2-RMN探針動態評估肝臟Kupffer細胞中的H 2O 2水平，結合MRI成像和弛豫時間對映，發現APAP處理組的T1弛豫時間顯著增加，RMS (r2/r1)值也顯著上升。進一步建立了H 2O 2濃度與RMS值之間的標準曲線，定量結果顯示APAP組H 2O 2濃度為1.97 µmol/g，GSH處理組為1.47 µmol/g。該方法可有效監測藥物引起的肝損傷和ROS水平變化。
圖6：藥物引起的肝損傷過程中H2O2的比值型MRI成像與定量分析。
小結
本研究提出了一種基於磁性敏感度的磁共振調諧（Ms-dMRT）策略，開發了比率MRI探針用於定量成像生物分析物。該方法透過將超順磁性鐵氧體奈米粒子（作為“淬火劑”）與順磁性Mn-卟啉分子（作為“增強劑”）封裝在響應性聚合物中，響應生物刺激時引起探針的聚集或解聚，導致r2和r1的相反變化，從而放大了r2/r1比率的動態範圍。研究表明，該比率MRI訊號與分析物濃度呈一致關係，無論探針濃度如何變化。該探針在肝損傷、小鼠腫瘤微環境等多種動物模型中表現出較高的靈敏度和可靠性，能實時成像並定量評估H 2O 2、H 2S和pH等生物標誌物，為疾病模型研究、精準醫學和藥物發現提供了潛在應用。
人物簡介
張曉兵，湖南大學教授、化學化工學院院長，校學術委員會副主任，長江學者特聘教授，國家傑出青年科學基金獲得者。1989年畢業於湖南大學，獲得有機化工學士、碩士和分析化學博士學位。2005年回國後，致力於新型熒光探針及生物成像研究，曾在法國、瑞典和美國從事博士後研究。獲2020年國家自然科學二等獎、2018年教育部自然科學一等獎等多項榮譽，入選愛思唯爾中國高被引學者。主持國家重點研發計劃等專案，已在PNAS、Nature Commun.等期刊發表170餘篇論文，擔任多個期刊副主編或編委。
宋國勝，湖南大學化學化工學院教授、博士生導師，依託化學生物感測與計量學國家重點實驗室從事奈米探針及活體成像研究。2014年博士畢業於東華大學，隨後在蘇州大學和斯坦福大學醫學院分子影像中心從事博士後研究。2018年加入湖南大學。研究方向包括生命分析化學、活體分子影像（光聲成像、長餘輝成像、化學發光成像、核磁成像）及癌症的早期診斷、治療與療效檢測。
饒江宏是斯坦福大學放射學教授（分子影像專案），兼任化學系教授。其研究領域涉及分子影像學，主要應用於癌症診斷和治療。饒江宏教授是Bio-X、Sarafan ChEM-H和斯坦福癌症研究所的成員。曾獲得多項榮譽，包括人類前沿科學計劃青年研究員（2007-2010）和布洛赫威爾科姆科學介面職業獎（2002-2007）。他於1999年獲得哈佛大學化學博士學位。
來源：BioMed科技
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