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华东师大科学家研发新型磁共振分子成像技术 实现人脑中谷氨酸和谷氨酰胺分子的靶向观测

2022年12月30日 学术卓越

  12月26日,华东师大物理与电子科学学院、上海市磁共振重点实验室姚叶锋、魏达秀团队联合华山医院任彦教授团队、长海医院张火俊团队、西门子医疗,在医学磁共振期刊 Magnetic Resonance in Medicine 发表了题为“Distinguishing glutamate and glutamine in in vivo 1H MRS based on nuclear spin singlet order filtering”(DOI: 10.1002/mrm.29562)的研究论文。该文研究工作报道了一种新型的、可对人体内生化分子进行靶向性观测的磁共振方法,并首次实现了对人脑内重要代谢分子谷氨酸(Glutamate, Glu)和谷氨酰胺(Glutamine, Gln)的分子靶向检测。该技术可在现有3T医学成像仪上轻松实现,有望为人脑神经递质分子精准检测和脑类疾病精准诊断提供一种有效的分子成像技术。

Magnetic Resonance in Medicine刊发华东师大姚叶锋、魏达秀团队研究成果

  Glu和Gln是人体内重要的两种氨基酸,在许多病理中起着关键作用。通常认为Glu与精神分裂症、癫痫等脑类疾病密切相关,而Gln常常与脑肿瘤的发生发展具有密切联系。长期以来,由于医学磁共振成像仪磁场强度的限制,Glu和Gln的1H磁共振信号在常规活体波谱中重叠严重,无法有效区分和检测。如何实现对活体人脑中Glu和Gln的精准检测一直是脑科学、医学和磁共振科学等领域的难点问题。

图1. Glu/Gln分子靶向磁共振脉冲序列示意图。

  图1展示了研究团队所研发的Glu/Gln分子靶向磁共振脉冲序列。其中,OC pulse I和II是该序列的核心模块。在这个两个模块中,研究人员通过优化控制(Optimal Control)方法精确操控Glu和Gln分子的1H自旋状态,实现了Glu或Gln分子1H自旋在热平衡态、核自旋单态序和可观测态之间高效转化,通过利用Glu或Gln分子核自旋单态序制备过程差异,成功实现了对这两个分子磁共振信号的靶向检测。

图2. a) 人脑的1H T1加权像;b) 常规1H 磁共振波谱;c) Glu靶向波谱;d) Gln靶向波谱。c和d图中红色虚线为理论信号曲线。波谱检测区域为图2a中白框所示人脑前额叶脑区。

  为了验证图1所示脉冲序列对Glu和Gln分子磁共振信号的选择性,研究团队应用图1所示脉冲序列,对健康被试大脑中Glu和Gln分子磁共振信号进行了观测,并将获得的分子靶向波谱与常规方法获得的活体波谱进行了对比。图2b为人脑的常规1H 磁共振波谱。Glu和Gln分子的信号存在于图中红圈所示区域。由于该区域包含了乙酰天门冬氨酸、Glu、Gln、g-氨基丁酸和谷胱甘肽等多种分子的信号。这些分子信号严重重叠,很难从中找出Glu和Gln分子的信号。图2c和d为利用图1所示脉冲序列所获得的Glu/Gln分子靶向波谱。图中清晰地展示出Glu或Gln分子的信号,充分展现出图1所示脉冲序列对Glu和Gln信号靶向观测的特点。

  利用上述研究工作所研发的新型分子靶向脉冲序列,研究人员可以对人脑内Glu和Gln分子进行精准靶向观测,解决了长期以来人脑中Glu和Gln分子无法精准观测的难题。通过对人脑内Glu和Gln分子的精准靶向观测,有望从分子层次理解人脑中Glu和Gln循环和转化过程,为Glu和Gln分子相关的疾病机制和神经活动机制研究展示了新的方向。

  华东师大博士生辛家祥为第一作者,姚叶锋研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和华东师大幸福之花基金等的资助。

附:

  论文链接:Distinguishing glutamate and glutamine in in vivo 1H MRS based on nuclear spin singlet order filtering



来源|物理与电子科学学院、科技处 编辑|张雨璐 编审|郭文君

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