近日，精密測量院超靈敏磁共振研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了“彩磁”編碼標(biāo)記新方法，可用于活體肺部的超靈敏“彩色”磁共振成像（MRI）。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

熒光分子種類繁多，在蛋白標(biāo)記、熒光示蹤、免疫熒光等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。根據(jù)熒光分子發(fā)射波長的不同，對不同底物進(jìn)行不同的顏色標(biāo)記，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同底物的同時(shí)檢測。對其進(jìn)行功能化修飾后，可用于細(xì)胞、組織的多靶標(biāo)顏色編碼成像。然而，熒光的組織穿透深度有限，在活體分析方面具有局限性。磁共振成像無穿透深度限制，廣泛應(yīng)用于臨床疾病檢測。化學(xué)位移作為重要的磁共振參數(shù)，在分子結(jié)構(gòu)鑒定和底物檢測方面起著重要的作用。和熒光標(biāo)記分子不同的發(fā)射波長對應(yīng)不同的熒光顏色類似，構(gòu)建磁共振分子探針作為“彩磁”標(biāo)記分子，可根據(jù)其化學(xué)位移的不同對被測目標(biāo)進(jìn)行“彩磁”編碼，即可實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)的活體“彩色”MRI分析。但是傳統(tǒng)質(zhì)子探針化學(xué)位移變化范圍窄，有背景信號干擾，且檢測靈敏度較低。

周欣研究員帶領(lǐng)的超靈敏磁共振研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展超極化技術(shù)，能將惰性氣體¹²⁹Xe磁共振信號增強(qiáng)100000倍以上。自主研制的全球首套“人體肺部氣體MRI系統(tǒng)”，已獲批國家三類創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊證，實(shí)現(xiàn)了人體“結(jié)構(gòu)+功能偶聯(lián)同步成像”，在全國十余家三甲醫(yī)院開展了廣泛的臨床應(yīng)用，為慢阻肺、肺癌等肺部重大疾病的無創(chuàng)評估提供了全球領(lǐng)先的技術(shù)。¹²⁹Xe對化學(xué)環(huán)境敏感，化學(xué)位移變化范圍大，適合作為化學(xué)位移探針用于分析檢測。將超極化¹²⁹Xe氣體吸入肺部并進(jìn)行氣血交換以后，氣態(tài)¹²⁹Xe（¹²⁹Xe@gas）、肺組織中的溶解態(tài)¹²⁹Xe（¹²⁹Xe@TP）、與血紅蛋白作用的結(jié)合¹²⁹Xe（¹²⁹Xe@RBC）會(huì)產(chǎn)生不同的化學(xué)位移。而當(dāng)¹²⁹Xe與作為“彩磁”標(biāo)記分子的功能化“分子籠”相結(jié)合，又可產(chǎn)生新的特異性“籠”內(nèi)¹²⁹Xe化學(xué)位移。結(jié)合MRI方法對不同的化學(xué)位移進(jìn)行“彩磁”編碼，即可實(shí)現(xiàn)肺部多個(gè)不同目標(biāo)的“彩色”MRI，為肺部疾病的精準(zhǔn)分型提供活體無創(chuàng)病理檢測手段。然而，此前發(fā)展的“分子籠”內(nèi)¹²⁹Xe信號弱，難以在活體應(yīng)用中同時(shí)標(biāo)記不同化學(xué)位移的信號，極大地限制了基于超極化¹²⁹Xe化學(xué)位移編碼的分子影像在活體中的應(yīng)用。因此，構(gòu)建能結(jié)合超極化¹²⁹Xe氣體的“分子籠”，并增強(qiáng)其“籠”內(nèi)¹²⁹Xe化學(xué)位移信號，是實(shí)現(xiàn)活體“彩色”MRI的關(guān)鍵。

NiZn-ZIF-8“彩磁”標(biāo)記分子在溶液以及活體中的多化學(xué)位移成像效果

在活體中可明確編碼氣態(tài)¹²⁹Xe@gas、組織溶解態(tài)¹²⁹Xe@TP、血紅蛋白結(jié)合態(tài)¹²⁹Xe@RBC以及籠內(nèi)¹²⁹Xe@ NiZn-ZIF-8，實(shí)現(xiàn)大鼠肺部活體“彩色”MRI

周欣研究團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)金屬有機(jī)框架（MOF）材料ZIF-8對Xe具有較高的親和力，可用于捕獲Xe原子，進(jìn)行超極化¹²⁹Xe磁共振成像（PNAS，2020）。本研究中，該團(tuán)隊(duì)基于前期研究基礎(chǔ)，首次將多組分MOF構(gòu)建策略引入到超極化¹²⁹Xe磁共振領(lǐng)域。通過在ZIF-8骨架中引入多種金屬，調(diào)節(jié)ZIF-8孔道與Xe的相互作用，有效提高水溶液中MOF籠內(nèi)¹²⁹Xe的信號強(qiáng)度。應(yīng)用該策略構(gòu)建的NiZn-ZIF-8孔道內(nèi)信號相對于溶解態(tài)¹²⁹Xe信號增強(qiáng)210倍以上，將其作為“彩磁”標(biāo)記分子注入大鼠肺部，可獲得較強(qiáng)的NiZn-ZIF-8“籠”內(nèi)¹²⁹Xe（¹²⁹Xe@NiZn-ZIF-8）信號。對大鼠活體肺部四種不同化學(xué)位移的¹²⁹Xe（¹²⁹Xe@gas、¹²⁹Xe@TP、¹²⁹Xe@RBC以及¹²⁹Xe@ NiZn-ZIF-8，如圖1）進(jìn)行編碼標(biāo)記，可獲得四種不同化學(xué)環(huán)境的¹²⁹Xe影像，且不同化學(xué)位移的¹²⁹Xe信號可有效區(qū)分，互不干擾，即實(shí)現(xiàn)了活體多化學(xué)位移編碼的“彩色”MRI。該MOF“彩磁”標(biāo)記分子與熒光標(biāo)記分子功能類似，后續(xù)可根據(jù)需求，對其進(jìn)行功能化修飾，用于多種生物靶標(biāo)的超靈敏彩色MRI。

相關(guān)研究以“Multivariate metal-organic frameworks enable chemical shift-encoded MRI with femtomolar sensitivity for biological systems”為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。精密測量院副研究員曾慶斌與博士樂曲兒為共同第一作者，研究員周欣、郭茜旎為共同通訊作者。

該研究得到了中國科技部、國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)院等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62110-4