超极化质子MRI用于实时观察代谢过程

磁共振成像(MRI)已经在医学中广泛用于诊断目的。超极化MRI是最近的发展，其研究和应用潜力尚待充分探索。约翰内斯·古腾堡大学美因茨分校(JGU)和亥姆霍兹研究所美因茨分校(HIM)的研究人员现已推出了一种观察人体新陈代谢过程的新技术。他们的单线对比MRI方法采用易于产生的对氢来实时跟踪生化过程。他们的工作成果已在Angewandte Chemie国际版上发表，并被编辑们选为“热点论文”，即在快速发展且高度重要的领域中的重要出版物。

在过去的几十年中，使用MRI进行医学检查已成为标准做法。它可以用于研究身体的软组织，例如大脑，椎间盘，甚至是肿瘤的形成。该研究的第一作者詹姆斯·埃尔斯(James Eills)博士说：“例如，MRI图像可以向我们展示大脑的结构，但它们并不能告诉我们体内发生的生物分子过程的部分信息，部分原因是MRI的敏感性较差。”以及JGU和HIM的Dmitry Budker教授领导的工作组成员。

使用氢原子代替碳或氮同位素

显着增强MRI信号的一种方法是超极化。这在外部磁场的帮助下实现了信号产生核自旋的显着对准。超极化增强MRI已经被用于研究体内的生物分子过程。不幸的是，使用碳同位素C-13或氮同位素N-15具有某些缺点。Eills说：“因此，如果我们可以直接使用氢原子，将会有很大的好处。氢具有更高的灵敏度，更丰富，并且检测设备容易获得。” 然而，氢的缺点是其快速的弛豫时间。这意味着超极化原子是如此之快地恢复到其原始状态，以至于难以生成图像。

James Eills博士和他的同事通过使用称为单线态的氢原子核的一种特殊量子态解决了这个问题，这种量子态源自所谓的对氢。Eills解释说：“这意味着我们能够克服超极化质子成像的缺点，特别是与短弛豫时间有关的缺点。” 氢通常具有几秒钟的弛豫时间，而在单重态下，弛豫时间可能只有几分钟。单重态也是非磁性的，因此无法观察到。仅当分子不再对称时才能观察到。

当使用富马酸酯时，新陈代谢会触发超极化

在讨论中的研究中，科学家们描述了他们使用富马酸盐(一种天然存在的生物分子，作为代谢的中间产物)进行单线对比MRI的技术。首先，由前体分子和对氢产生富马酸酯。通过添加重水分子将超极化的富马酸酯转化为苹果酸。这种转换消除了分子的对称性，使其具有磁性和可检测性。詹姆斯·艾尔斯(James Eills)博士指出：“然后，我们可以使用相关的磁信号进行成像。”

碳13标记的富马酸酯已经是在超极化成像中起重要作用的分子。这项工作为进行富马酸盐成像提供了可能性，它具有观察氢而不是cabon-13的所有好处。此外，由于对氢易于生产，因此使用对氢也将是有益的：在催化剂存在下简单地冷却氢气，然后将其除去。然后可以加热所得的对氢，并在对位状态下保持稳定数月。

Eills总结说：“超极化MRI尚处于发展初期，我们的贡献是令人兴奋的MRI新变种。” 可以在不同的时间点记录超极化信号的图像，从而可以实时跟踪代谢过程。

物理化学负责人Gerd Buntkowsky教授补充说：“将对氢诱导的极化与长寿命的自旋态和酶促转化相结合，最终为富马酸盐和类似肿瘤标志物在癌症代谢中进行具有成本效益的磁共振成像创造了条件。”达姆施塔特工业大学凝聚态研究小组的成员，以及该作品的通讯作者。

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