超低场13C 磁共振成像的高极化丙酮酸

在形态改变之前看见疾病

许多疾病，尤其是癌症和心脏病，在器官在影像上出现异常之前很久，就已经悄悄改变了细胞的能量利用方式。现有医院的磁共振成像主要显示解剖结构：大小、形状和构造。本文探讨了一种将磁共振转变为代谢相机的方法，该方法可能更便宜、更便携，并且能够通过观察一种简单燃料分子——丙酮酸在体内的代谢去更早地发现疾病。

为何细胞燃料很重要

丙酮酸是处于细胞代谢交汇处的小分子，帮助决定燃料是与氧一起清洁燃烧，还是迅速发酵——后者在癌症和其他疾病中常见。医生已在患者中使用“高极化”磁共振检测丙酮酸的行为，该方法极大增强碳原子的微弱信号，使得其实时代谢命运可被追踪。但产生这些明亮信号的现有技术体积庞大、成本高且速度慢，将此类扫描限制在全球少数顶级中心。要使代谢成像成为日常医疗的实用工具，相关设备必须更快、更便宜且更易安装。

一种更简单的超极化方法

研究人员基于一种新兴方法称为 SABRE，这种方法利用氢气的一种特殊形式中的有序性，将其传递给目标分子而不会永久改变其化学性质。在他们的变体中，称为 SLIC SABRE，经过精确调谐的射频波在恰当的频率“锁定”原子的自旋，使这种有序性高效地流入丙酮酸中的碳-13 原子。不同于需要极低温和极强磁场的传统方法，该方法在比医院磁共振弱数千倍的磁场下也能工作，且所需硬件可用更低的成本制造。在这项研究中，他们将整个过程保持在一个开放的超低场扫描仪内，工作磁场仅为约6.5毫特斯拉，大约为典型临床系统的千分之一。

在超低场下让代谢发光

在小型扫描仪内，团队将对氢体气体通入含有丙酮酸和金属催化剂的溶液。在合适的温度、气体流速和射频强度条件下，丙酮酸分子反复与催化剂结合并解离，同时氢将其隐藏的有序性捐赠出来。大约10秒内，丙酮酸的碳-13 信号相比于该弱场下的热平衡增强了超过一百万倍，达到约3%的极化水平。这一信号跃升不仅足以轻松检测到丙酮酸，还能分辨出细微的频率差异，区分丙酮酸的不同形式并揭示其是游离于溶液中还是仍与催化剂结合。

将高极化转化为影像

光有信号还不够，还必须将其变成图像。作者们改编并发明了适用于这种明亮但寿命短的磁化的磁共振脉冲序列。在“单次采集”方法中，他们一次性产生高极化，快速储存，然后用为超低场调谐的三维成像序列读出。这能在几秒内产生超极化丙酮酸小样本的清晰三维图像，信号足以绘制其分布。在第二种“多次采集”方法中，他们在采集每一行数据前反复重新高极化样本，有效地更新信号，甚至捕捉到气泡在管中移动的过程。除这些图像外，团队还在相同低场记录高分辨率谱，显示他们能够区分丙酮酸中的不同碳位置并识别信号中的精细结构，这将有助于随后把丙酮酸与其代谢产物分开。

从实验台到床边的可能性

尽管这些实验在试管中进行，但它们描绘了一条通向可负担代谢磁共振的现实路线。通过将基于对氢体的快速、廉价高极化方法与体积小、灵活到可放置在普通病房或偏远诊所的超低场扫描仪结合，这项工作指向了代谢成像有望成为常规而非罕见检查的未来。研究显示，即使在非常弱的磁场下，也能产生明亮的碳-13 信号、形成详细的三维图像并充分分离化学指纹以追踪代谢。如果将此技术转化到活体，这类系统可能帮助医生在肿瘤、心肌或大脑的解剖变化出现之前就看到危险的代谢变化，从而为更早诊断和更个性化、及时的治疗打开大门。

引用: Boele, T., McBride, S.J., Pike, M. et al. Ultra-low field ¹³C MRI of hyperpolarized pyruvate. Commun Chem 9, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01971-2

关键词: 代谢磁共振成像, 高极化丙酮酸, 超低场成像, 对氢体 SABRE, 个体化医学