清華新聞網(wǎng)4月9日電 肝臟是人體的核心代謝器官，其功能異常與全球三分之一人口的疾病相關(guān)。磁共振成像（MRI）可提供高分辨率的解剖與功能信息，但常規(guī)動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI需注射釓對(duì)比劑，存在過(guò)敏、腎源性系統(tǒng)性纖維化及釓沉積風(fēng)險(xiǎn)，且不適用于腎功能不全患者。
化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（CEST）MRI能夠通過(guò)檢測(cè)內(nèi)源性代謝物（如蛋白質(zhì)/多肽、糖原、葡萄糖、肌酸等）實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記代謝成像。然而，腹部CEST面臨掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（>5分鐘）和呼吸運(yùn)動(dòng)敏感（成功率僅60%-70%）的局限。
肝臟腫瘤診斷長(zhǎng)期依賴(lài)外源性對(duì)比劑注射，不僅增加患者負(fù)擔(dān)與腎毒性風(fēng)險(xiǎn)，更不適合需要多次復(fù)查的腫瘤隨訪(fǎng)。針對(duì)免標(biāo)記代謝磁共振長(zhǎng)期以來(lái)“看不清、掃不動(dòng)”的臨床痛點(diǎn)，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院宋小磊副教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出空間-頻譜協(xié)同編解碼（Spatial-Spectral Encoding, SSE）的超快CEST-MRI技術(shù)。SSE-CEST以超40倍加速實(shí)現(xiàn)了單次屏氣、全肝覆蓋、無(wú)外源性標(biāo)記的3D高清代謝成像。該技術(shù)在糖原仿體、離體豬肝、健康志愿者及肝癌患者中完成了系統(tǒng)驗(yàn)證，能夠同時(shí)探測(cè)酰胺、糖原、脂肪族NOE及葡萄糖代謝。SSE-CEST實(shí)現(xiàn)了肝腫瘤病人微小復(fù)發(fā)灶的精準(zhǔn)識(shí)別和定位，與PET及釓對(duì)比劑診斷高度吻合，標(biāo)志著免標(biāo)記代謝磁共振從科研向臨床診療的關(guān)鍵跨越。
該研究提出了一種空間-頻譜編碼（SSE）CEST-MRI方法（圖1），成功實(shí)現(xiàn)了超快z-ω編碼采集、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)頻譜重建和單次屏氣采集。
圖1.基于空間-頻譜編碼（SSE）CEST-MRI的單次屏氣代謝磁共振成像框架
研究利用糖原仿體與離體豬肝驗(yàn)證對(duì)比SSE-CEST與傳統(tǒng)CEST，評(píng)估不同z-ω采樣軌跡（平行、鉆石、放射）的保真度；同時(shí)選擇了20名健康志愿者完成重復(fù)掃描驗(yàn)證可重復(fù)性，評(píng)估多代謝物變化和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)葡萄糖代謝。另外納入12例肝細(xì)胞癌（HCC）患者比較活性病灶與治療后壞死病灶，并與FDG-PET/CT及常規(guī)增強(qiáng)MRI對(duì)比。
在糖原仿體中，SSE-CEST與傳統(tǒng)CEST的糖原NOE信號(hào)高度相關(guān)（r=0.97，p<0.0001），且信號(hào)強(qiáng)度與糖原濃度呈線(xiàn)性相關(guān)（r=0.95，p<0.01）（圖2）。健康志愿者重復(fù)掃描顯示，24/40個(gè)對(duì)比圖相關(guān)系數(shù)>0.99，[email protected] ppm與[email protected] ppm的兩次掃描相關(guān)性分別為0.95和0.96（圖3）。
圖2.使用1%瓊脂的糖原仿體對(duì)SSE-CEST進(jìn)行定量評(píng)估
圖3.健康志愿者SSE-CEST代謝成像
單次屏氣SSE-CEST可同時(shí)獲得酰胺CEST（3.5 ppm）、糖原NOE（-1.2 ppm）、脂肪族NOE（-3.5 ppm）、APTw及羥基CEST（1.2 ppm）等多種對(duì)比。在空腹實(shí)驗(yàn)中，禁食12小時(shí)后肝臟酰胺CEST、糖原NOE、脂肪族NOE、APTw及羥基CEST均顯著下降（p值均<0.01），頻譜變化清晰可辨。
圖4.SSE-CEST技術(shù)用于評(píng)估禁食實(shí)驗(yàn)期間肝臟的代謝變化
在OGTT實(shí)驗(yàn)中，SSE-CEST連續(xù)監(jiān)測(cè)至服葡萄糖后51分鐘，肝臟MTRasym（2.1 ppm）信號(hào)在30分鐘左右達(dá)到平臺(tái)期，而T2變化不顯著，證明了SSE-CEST對(duì)葡萄糖代謝的特異性檢測(cè)能力（圖5）。
圖5.SSE-CEST技術(shù)在OGTT實(shí)驗(yàn)中用于動(dòng)態(tài)葡萄糖成像
在HCC患者中，活性病灶在0.7 μT的LD圖上呈現(xiàn)顯著高信號(hào)（酰胺CEST、脂肪族NOE、糖原NOE均較壞死組織顯著升高，p均<0.01）；而壞死灶在所有對(duì)比中均為低信號(hào)（圖6）。APTw（2 μT）未能顯示顯著差異，提示小B1多池LD分析更具特異性。SSE-CEST代謝圖與FDG-PET/CT熱區(qū)高度匹配，展現(xiàn)出“無(wú)標(biāo)記、無(wú)輻射”監(jiān)測(cè)治療反應(yīng)的潛力（圖7）。
圖6.SSE-CEST技術(shù)對(duì)肝細(xì)胞癌病灶及壞死病灶的三維肝臟代謝圖譜分析
圖7.一位HCC患者的SSE-CEST代謝圖與FDG-PET圖像的對(duì)比，該患者在治療后10個(gè)月進(jìn)行掃描
研究首次實(shí)現(xiàn)了單次屏氣、3D全肝覆蓋、無(wú)外源性標(biāo)記的CEST代謝MRI，成功克服了腹部CEST長(zhǎng)期存在的呼吸運(yùn)動(dòng)敏感與掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)兩大臨床障礙。SSE-CEST可同時(shí)探測(cè)多種內(nèi)源性代謝物，在肝癌活性病灶與治療后壞死的鑒別中表現(xiàn)優(yōu)異，并與PET/CT結(jié)果高度一致。該技術(shù)有望成為肝臟及腹部疾病無(wú)創(chuàng)代謝成像的新范式。
研究成果以“單次屏息三維腹部代謝磁共振成像可實(shí)現(xiàn)肝癌的無(wú)標(biāo)記診斷”（Single-breath-hold 3D abdominal metabolic MRI enables label-free diagnosis of liver cancer）為題，于3月31日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)生醫(yī)工程學(xué)院2022級(jí)博士生劉礎(chǔ)雨為論文第一作者、2023級(jí)博士生高楠為論文共同第一作者。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授宋小磊為論文通訊作者。西北大學(xué)賀小偉教授團(tuán)隊(duì)為文章數(shù)據(jù)分析作出了重要貢獻(xiàn)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-71124-5
供稿：生醫(yī)工程學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
