超極化13C核磁共振生物探針的應(yīng)用

周心婕

摘 要：采用超極化動(dòng)態(tài)13C核磁共振技術(shù)成功監(jiān)測(cè)了大鼠胎盤(pán)的代謝狀況，從而開(kāi)創(chuàng)了利用微創(chuàng)技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)胎盤(pán)生理機(jī)能的歷史，并有望應(yīng)用于臨床，對(duì)胎盤(pán)源妊娠疾病做出早期診斷和治療。

關(guān)鍵詞：13C核磁共振生物探針 胎盤(pán)源妊娠疾病

人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實(shí)際用途，化學(xué)家利用分子結(jié)構(gòu)對(duì)氫原子周?chē)艌?chǎng)產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移，核磁共振譜技術(shù)從最初的一維氫譜發(fā)展到13C譜、二維核磁共振譜等高級(jí)譜圖，核磁共振技術(shù)解析分子結(jié)構(gòu)的能力也越來(lái)越強(qiáng)，進(jìn)入1990年代以后，發(fā)展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，使得溶液相蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的精確測(cè)定成為可能。

另一方面，醫(yī)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在這一理論基礎(chǔ)上1969年，紐約州立大學(xué)南部醫(yī)學(xué)中心的達(dá)馬迪安通過(guò)測(cè)核磁共振的弛豫時(shí)間成功地將小鼠的癌細(xì)胞與正常組織細(xì)胞區(qū)分開(kāi)來(lái)，在達(dá)馬迪安新技術(shù)的啟發(fā)下紐約州立大學(xué)石溪分校的物理學(xué)家保羅·勞特伯爾于1973年開(kāi)發(fā)出了基于核磁共振現(xiàn)象的成像技術(shù)（MRI），并且應(yīng)用他的設(shè)備成功地繪制出了一個(gè)活體蛤蜊地內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。

本研究分別將超極化13C-bicarbonate、13C-urea和[1-13C]pyruvate通過(guò)尾靜脈注射妊娠期E17-E20的大鼠體內(nèi)，旨在通過(guò)這種新型的微創(chuàng)技術(shù)探究代謝廢物CO2和尿素在母胎界面的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)情況以及丙酮酸在胎盤(pán)細(xì)胞中的代謝情況

妊娠大鼠的超極化13C-碳酸氫鹽檢測(cè)

在生物體內(nèi)，碳酸氫鹽通過(guò)CO2/HCO3-緩沖體系維持機(jī)體酸堿平衡。為緩解由胎兒呼吸產(chǎn)生的二氧化碳酸性副產(chǎn)物的影響，經(jīng)由胎盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)胎盤(pán)滋養(yǎng)層細(xì)胞膜，而與之不同的是，帶負(fù)電荷的HCO3-需要通過(guò)陰離子交換轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。為研究這一生理過(guò)程，實(shí)驗(yàn)人員將3mL的100mM 超極化13C-碳酸氫鹽（HP 13C-bicarbonate）通過(guò)尾靜脈注射E17-E20妊娠大鼠（n = 7）。圖中所示的動(dòng)態(tài)13C影像顯示了原始的HP 13C-碳酸氫鹽變化結(jié)果：13C信號(hào)能被清晰捕捉到的時(shí)間約持續(xù)16秒。在母體動(dòng)脈中，超極化碳酸氫鹽信號(hào)最強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。該信號(hào)也可在胎盤(pán)中觀察到，但在胎兒器官中檢測(cè)不到。當(dāng)把碳酸鈉替換成信號(hào)更為敏感的碳酸銫時(shí)，情況也是如此。同時(shí)，胎盤(pán)和母體動(dòng)脈均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的13C-碳酸氫鹽信號(hào)，并經(jīng)歷單調(diào)衰減。這些結(jié)果說(shuō)明，胎盤(pán)可能是一個(gè)HCO3-庫(kù)，用以維持該區(qū)域的酸堿平衡。

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

ΔE=γhB0/2π

一個(gè)核要從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場(chǎng)中的自旋核接受一定頻 率的電磁波輻射，當(dāng)輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時(shí)，處于低能態(tài)的自旋核 吸收電磁輻射能躍遷到高能態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為核磁共振。當(dāng)頻率為ν射的射頻照射自旋體系時(shí)，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(chēng)為質(zhì)子磁共振 （Proton Magnetic Resonance），簡(jiǎn)稱(chēng) PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）簡(jiǎn)稱(chēng) CMR，也表示為13C-NMR。

結(jié)論

無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)胎盤(pán)功能是婦產(chǎn)科臨床前診斷領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。通過(guò)HP MRI和MRSI手段監(jiān)測(cè)注射入嚙齒類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)13C標(biāo)記代謝物的變化為在體研究胎盤(pán)代謝及生理學(xué)功能提供了便利。同時(shí)，胎盤(pán)豐富的血流灌注并具有相當(dāng)程度的物質(zhì)穿透特性都有助于這些超極化標(biāo)記物在胎盤(pán)局部快速定位。此外，PE動(dòng)物模型揭示了尿素?cái)z入和[1-13C]丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的差異，這也提示這種技術(shù)在正常發(fā)育和異常發(fā)育胎盤(pán)之間可以做出明確的區(qū)分。因此未來(lái)可將這種微創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床的診斷與研究。

盡管本研究開(kāi)創(chuàng)了采用微創(chuàng)技術(shù)監(jiān)測(cè)胎盤(pán)生理功能的新篇章，但其應(yīng)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(shí)時(shí)測(cè)定胎盤(pán)的pH動(dòng)態(tài)變化尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如何更加詳細(xì)地表征PE動(dòng)物模型中所觀察到的各種代謝物變化也無(wú)法做到。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還需要通過(guò)聯(lián)合超極化、彌散加權(quán)和造影劑灌注的磁共振成像等更復(fù)雜的檢測(cè)手段。

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