利用超极化 [13C,15N2] 尿素 MRI 开启人脑灌注研究新征程

《npj Imaging》：Translation of hyperpolarized [13C,15N2]urea MRI for novel human brain perfusion studies

为探究脑灌注，研究人员开发超极化 [13C,15N2] 尿素 MRI 技术，证实其可行性与安全性，意义重大。

　　在医学成像领域，脑灌注成像对于诊断和监测多种神经系统疾病至关重要，如中风、脑肿瘤和神经退行性疾病。通过了解脑部的血液流动情况，医生能够更准确地判断疾病的发展进程，制定更有效的治疗方案。然而，现有的灌注成像技术存在诸多局限性。传统的基于钆（Gd）的磁共振对比剂在使用时会面临非特异性摄取、信号强度与浓度的非线性关系，以及在非增强肿瘤中灵敏度降低等问题。同时，用于灌注成像的其他碳 - 13（¹³C）试剂也存在一定缺陷，无法满足精准医疗时代对高分辨率、高灵敏度成像的需求。因此，开发一种更安全、有效的新型分子成像探针和灌注成像技术迫在眉睫。

美国加利福尼亚大学旧金山分校（University of California, San Francisco）等机构的研究人员，针对上述问题开展了一项极具创新性的研究。他们成功开发出一种制备无菌超极化 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素的新方法，并将其应用于健康人脑志愿者研究。该研究成果发表在《npj Imaging》杂志上，为脑灌注成像领域带来了新的曙光。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是超极化技术，利用溶解动态核极化（dDNP）将 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素进行超极化处理，使其具备更强的成像信号。其次，采用核磁共振（NMR）光谱技术对成像探针进行表征，获取尿素的浓度、极化度以及 T₁等关键参数。最后，运用 3D 平衡稳态自由进动（bSSFP）序列的磁共振成像（MRI）技术，对志愿者脑部进行扫描，实现对脑灌注的动态评估。

研究结果主要体现在以下几个方面：

• 制备流程与质量控制：研究成功开发并优化了现场生产无菌超极化尿素的标准操作程序（SOP），遵循美国联邦法规第 21 章第 212 部分的良好生产规范（GMP）指南。通过严格的质量控制流程，包括对样品固态¹³C NMR 信号监测、溶解后产品体积、pH 值、电子顺磁剂（EPA）浓度检测以及泡点测试等，确保了最终产品的质量。经过连续三次成功的工艺验证试验，该 SOP 得到了有效验证12。
• 成像探针特性：经过 3.5 小时极化后，[¹³C,¹⁵N₂] 尿素的固态¹³C 极化达到最大可实现极化的约 90%，建立时间常数为 5480 秒。制备出的超极化 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素溶液 pH 值为 7 - 8，尿素浓度为 132 ± 6 mM，是先前共极化丙酮酸和尿素实验中尿素浓度的近四倍。液态¹³C 极化度为 27.4 ± 5.6%，残留 EPA 浓度满足规格要求，T₁在 1.4 T 的台式 NMR 上为 43.3 ± 2.6 秒，在 3 T MRI 上为 50.4 ± 0.2 秒34。
• 人脑成像结果：在健康脑志愿者研究中，超极化 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素 MRI 实现了 7.76 × 7.76 × 15（或 10）mm³的高空间分辨率，清晰地描绘出脑血管系统，包括前循环（颈内动脉和大脑中动脉）、后循环（椎动脉和基底动脉）以及硬脑膜静脉窦（横窦 / 上矢状窦、乙状窦）。通过对动脉和静脉信号的时间峰值分析以及质心分析，发现不同受试者之间的动脉和静脉信号模式一致，且动脉信号峰值比静脉信号早 4.5 - 9 秒。此外，在脑实质中未观察到尿素信号，这与尿素通常不穿过血脑屏障的特性相符56。

研究结论表明，超极化 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素 MRI 能够动态、高灵敏度地评估脑灌注，为脑部血流和灌注提供了新的信息。由于尿素不穿过血脑屏障的特性，使其成为评估血脑屏障完整性的潜在有价值工具，可用于痴呆、多发性硬化、创伤性脑损伤和脑肿瘤等疾病的研究。此外，该技术在其他器官的无创灌注评估、癌症微环境研究、肾功能评估等方面也具有广阔的应用前景，为临床转化奠定了坚实基础。

这项研究的重要意义在于，它为脑灌注成像带来了新的突破，超极化 [¹³C,¹⁵N₂] 尿素 MRI 技术有望成为一种安全、有效的临床诊断工具，帮助医生更准确地诊断和监测多种疾病。同时，该研究成果也为未来在多器官系统的灌注成像研究开辟了新的方向，推动了医学成像技术的进一步发展。