通过化学与物理诱导减速弛豫使丙酮酸T1超过四分钟

为何放慢消逝的信号很重要

用于实时追踪体内化学过程的医学扫描仪依赖于通常在一分钟内消失的信号。本研究展示了如何让其中最重要的信号之一维持超过四分钟。通过微调一种名为丙酮酸的小分子的配方与处理方式，研究人员大幅延长了其磁信号的持续时间，这可能使代谢MRI扫描在研究与临床环境中更清晰、更可靠且更易执行。

对活体组织的化学聚光灯

超极化代谢MRI是一种能在体内短时间内将某些分子变为强烈示踪信号的技术。其中的主力之一是[1-13C]丙酮酸——一种带标记的天然燃料分子，细胞会快速将其转化为其他物质。注入后，它明亮但易逝的信号让医生和科学家能够实时观察肿瘤、心肌或炎症组织的能量代谢。然而，丙酮酸一旦被超极化，信号就开始衰减，并且在质量检测、从极化器到扫描仪的转运以及注入患者或样本的步骤中常常显著减弱。

寻找丢失的信号

研究团队着手弄清楚丙酮酸信号消失的具体原因以及如何减缓这一过程。他们在从百万分之一特斯拉到9.4特斯拉的磁场范围内测量信号持续时间，同时系统地改变丙酮酸溶液配方。团队测试了不同的溶剂、缓冲液和添加剂，去除溶解氧，甚至用较重的氘替代部分丙酮酸的氢原子。超过4300次测量和计算机模拟帮助他们解析出在不同磁场环境下，哪些原子层面的相互作用对信号损耗影响最大。

为丙酮酸构建更平静的环境

研究人员发现没有单一技巧足够有效；相反，许多小的改动共同累加起作用。使用重水而非普通水减少了与周围氢原子的某些磁相互作用。加入常见的生物相容性助剂如Tris缓冲液和螯合剂EDTA可以把金属离子和其他顺磁性杂质从丙酮酸周围排开，类似最近描述的“化学屏蔽”效应。去除溶解氧进一步减少了有害相互作用，尤其在转运损失至关重要的低磁场下效果明显。最后，将丙酮酸的甲基氢替换为氘在低磁场下给予额外增益。综合这些改变，使关键的弛豫时间T1在理想条件下从大约半分钟延长到超过四分钟。

从试管到活细胞

为了检验这些改进在实际中的意义，团队在细胞实验中应用了优化配方。他们使用超极化丙酮酸监测HeLa癌细胞中的乳酸产生，比较了标准溶液与在重水中制备并有或没有自由基过滤步骤的改进溶液。即便不改变生物学条件，仅改变溶液就能在低场下将信号寿命大致延长一倍，并且使在细胞中检测到的乳酸信号强度增加超过两倍。在与临床工作流程类似的实际转移时间中，优化混合物保留了更多初始极化度，直接转化为更高的信噪比。

这对未来扫描意味着什么

对非专业读者来说，关键讯息是：细致的化学处理可以为这种脆弱信号争取宝贵的额外分钟数，而该信号支撑着高级代谢MRI扫描。通过减少丙酮酸溶液中多个微小的磁干扰源，研究人员表明有可能在运输和使用超极化丙酮酸时显著降低信号损失。这可能让临床医生对更小的肿瘤进行成像、更精确地跟踪治疗反应，或在不改变患者任何条件的情况下仅通过改进对比剂来延长测量窗口。

引用: Peters, J.P., Teleanu, F., Zou, H. et al. Over four minutes of pyruvate T₁ using chemically and physically induced deceleration of relaxation. Nat Commun 17, 4561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73214-w

关键词: 超极化MRI, 丙酮酸成像, 核自旋弛豫, 磁共振对比剂, 代谢成像