超極化13C核磁共振生物探針的應用

周心婕

摘 要：采用超極化動態13C核磁共振技術成功監測了大鼠胎盤的代謝狀況，從而開創了利用微創技術動態監測胎盤生理機能的歷史，并有望應用于臨床，對胎盤源妊娠疾病做出早期診斷和治療。

關鍵詞：13C核磁共振生物探針 胎盤源妊娠疾病

人們在發現核磁共振現象之后很快就產生了實際用途，化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產生的影響，發展出了核磁共振譜，用于解析分子結構，隨著時間的推移，核磁共振譜技術從最初的一維氫譜發展到13C譜、二維核磁共振譜等高級譜圖，核磁共振技術解析分子結構的能力也越來越強，進入1990年代以后，發展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質分子三級結構的技術，使得溶液相蛋白質分子結構的精確測定成為可能。

另一方面，醫學家們發現水分子中的氫原子可以產生核磁共振現象，利用這一現象可以獲取人體內水分子分布的信息，從而精確繪制人體內部結構，在這一理論基礎上1969年，紐約州立大學南部醫學中心的達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功地將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區分開來，在達馬迪安新技術的啟發下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅·勞特伯爾于1973年開發出了基于核磁共振現象的成像技術（MRI），并且應用他的設備成功地繪制出了一個活體蛤蜊地內部結構圖像。

本研究分別將超極化13C-bicarbonate、13C-urea和[1-13C]pyruvate通過尾靜脈注射妊娠期E17-E20的大鼠體內，旨在通過這種新型的微創技術探究代謝廢物CO2和尿素在母胎界面的動態轉運情況以及丙酮酸在胎盤細胞中的代謝情況

妊娠大鼠的超極化13C-碳酸氫鹽檢測

在生物體內，碳酸氫鹽通過CO2/HCO3-緩沖體系維持機體酸堿平衡。為緩解由胎兒呼吸產生的二氧化碳酸性副產物的影響，經由胎盤轉運二氧化碳和碳酸氫鹽是維持孕體酸堿平衡的重要途徑。二氧化碳可以自由穿過胎盤滋養層細胞膜，而與之不同的是，帶負電荷的HCO3-需要通過陰離子交換轉運蛋白家族主動轉運。為研究這一生理過程，實驗人員將3mL的100mM 超極化13C-碳酸氫鹽（HP 13C-bicarbonate）通過尾靜脈注射E17-E20妊娠大鼠（n = 7）。圖中所示的動態13C影像顯示了原始的HP 13C-碳酸氫鹽變化結果：13C信號能被清晰捕捉到的時間約持續16秒。在母體動脈中，超極化碳酸氫鹽信號最強且持續時間最長。該信號也可在胎盤中觀察到，但在胎兒器官中檢測不到。當把碳酸鈉替換成信號更為敏感的碳酸銫時，情況也是如此。同時，胎盤和母體動脈均表現出強烈的13C-碳酸氫鹽信號，并經歷單調衰減。這些結果說明，胎盤可能是一個HCO3-庫，用以維持該區域的酸堿平衡。

原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態，I值為1/2的核在外磁場作用下 只有兩種取向，各相當于m=1/2 和m=-1/2，這兩種狀態之間的能量差ΔE值為

ΔE=γhB0/2π

一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻 率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時，處于低能態的自旋核 吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時，由于該射頻的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的條件為

hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0） ①

目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振稱為質子磁共振 （Proton Magnetic Resonance），簡稱 PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）簡稱 CMR，也表示為13C-NMR。

結論

無創監測胎盤功能是婦產科臨床前診斷領域的一項重大挑戰。通過HP MRI和MRSI手段監測注射入嚙齒類動物體內13C標記代謝物的變化為在體研究胎盤代謝及生理學功能提供了便利。同時，胎盤豐富的血流灌注并具有相當程度的物質穿透特性都有助于這些超極化標記物在胎盤局部快速定位。此外，PE動物模型揭示了尿素攝入和[1-13C]丙酮酸轉化為乳酸的差異，這也提示這種技術在正常發育和異常發育胎盤之間可以做出明確的區分。因此未來可將這種微創技術應用于臨床的診斷與研究。

盡管本研究開創了采用微創技術監測胎盤生理功能的新篇章，但其應用還具有很大的局限性，比如繪制不同胎兒器官的代謝圖譜和在體實時測定胎盤的pH動態變化尚無法實現。如何更加詳細地表征PE動物模型中所觀察到的各種代謝物變化也無法做到。這些目標的實現還需要通過聯合超極化、彌散加權和造影劑灌注的磁共振成像等更復雜的檢測手段。

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