为糖元照个磁共振

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

“我翻开食谱一查，这书里没有年代，歪歪斜斜的每页上都写着‘葡萄糖’三个字。我横竖睡不着，仔细看了半夜，才从字缝里看出字来，满本都写着一个字是‘吃’！”

——《吃货日记》

我们食用富含淀粉的大米、小麦补充葡萄糖，身体再把这些葡萄糖转化为糖元（glycogen），储存在身体的各个角落（器官）中，随时供细胞分解产生葡萄糖供能，因此糖元也被称作动物“淀粉”。

许多疾病会表现出身体能量（糖元）的代谢异常，包括糖尿病、肿瘤、肝病等等。正如测试血糖来帮助诊断糖尿病，糖元的检测可以帮助研究、诊断和治疗这些能量代谢异常相关的疾病。而现在，活组织检查（从身体取下细胞或组织进行检验）仍然是主要的糖元检测手段。如何无创伤检测、量化体内糖元仍是一大难点。

近期，PNAS 发表了美国约翰斯霍普金斯大学的周洋博士和Nirbhay Yadav博士等研究人员的论文（周洋是第一作者和共同通讯作者，Nirbhay Yadav 是共同通讯作者），他们发明了一种磁共振检测糖元的方法，可以无创、定位、成像体内糖元。“这种方法有望成为‘改变游戏规则的’（game changer）体内糖元成像方法。” 来自美国德克萨斯大学西南医学中心的Elena Vinogradov博士在PNAS 发表评论文章这样评价道。^[1]

磁共振成像（MRI）作为一种临床上广泛使用的医疗影像手段，主要利用人体内的氢元素（绝大部分来源于水）在强磁场中产生信号的基本原理，采集水在人体软组织分布的影像，帮助医生得到病变组织的信息。传统的磁共振成像方法对糖元的成像无能为力。研究者利用糖元中的氢原子核与水之间广泛存在的耦合效应（称为nuclear Overhauser effects，NOE），通过脉冲波（RF）来降低糖元中的氢原子核的信号，水的信号也会因这种耦合效应而降低，通过量化水信号的变化，从而量化糖元信号（图1）。研究者把这种方法命名为glycoNOE MRI。由于人体内水的氢原子核浓度是糖元中氢原子核的上千倍，这种方法利用水成功放大了糖元的信号几十到上百倍。基于这种放大机制，glycoNOE MRI使获得体内糖元的浓度分布影像（图2）成为可能。值得一提的是，化学交换饱和转移（CEST），和NOE原理异曲同工，也已经作为一种流行的磁共振信号放大机制被广泛研究和使用。

图1. glycoNOE MRI 的基本原理示意图。(A, B) 糖元与水之间的耦合效应；(C, D) 脉冲波（RF）作用于糖元，最终使水信号降低；(E) glycoNOE 信号在Z-谱的 -1 ppm 的信号。图片来源：PNAS

研究者先用体外实验验证了glycoNOE MRI信号和糖元的浓度线性相关（图2），并在小鼠体内验证了肝脏的glycoNOE MRI 信号与活体组织检查肝糖元的浓度线性相关。

图2. 体外验证。(A) 糖元中葡萄糖的链式结构；(B) 糖元的磁共振波谱（NMR）。(C) glycoNOE MRI 信号；(D) glycoNOE MRI 信号与浓度线性相关；(E) 温度和pH 不影响 glycoNOE信号。图片来源：PNAS

最后研究者展示了如何利用glycoNOE MRI 监测小鼠肝糖元浓度对饥饿（图3）和胰高血糖素（图4）的反应。

图3. 饥饿对小鼠肝糖元的影响。图片来源：PNAS

图4. 胰高血糖素注射对小鼠肝糖元的影响。图片来源：PNAS

该工作展示的糖元磁共振成像方法有望迅速转化到人体研究中。对人体能量代谢相关疾病（如糖尿病、肝硬化、癌症等）研究，临床诊断和治疗具有重要意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Magnetic resonance imaging of glycogen using its magnetic coupling with water

Yang Zhou, Peter C. M. van Zijl, Xiang Xu, Jiadi Xu, Yuguo Li, Lin Chen, Nirbhay N. Yadav

PNAS, 2020, 117, 3144-3149, DOI: 10.1073/pnas.1909921117

参考文献：

1. Vinogradov, E. MRI monitoring of energy storage in vivo using magnetization pathways. PNAS, 2020, 117, 5092-5094, DOI: 10.1073/pnas.2001048117

https://www.pnas.org/content/117/10/5092

周洋博士简介

周洋，男，1991年出生于湖北十堰市，2013年获华中科技大学学士学位，2017年获新加坡国立大学博士学位。2018年至今在美国约翰斯霍普金斯大学医学院做博士后训练。研究方向：化学交换饱和转移（CEST）磁共振成像方法的发展与应用；糖元磁共振成像方法的发展与应用。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：这项研究的想法来源于我们偶然读到一篇1991 年的文献，介绍了糖元与水的NOE耦合效应的存在。基于这种耦合效应开发出检测糖元的方法才变得顺理成章。

Q：研究过程中遇到那些挑战？

A：想法产生后，总体进展比较顺利。有一个小挑战来源于小鼠呼吸运动对肝脏成像产生的影响，后来我们选择了一种对运动不敏感的磁共振序列方法，成功克服了运动对成像的影响。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或者研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：糖元，像葡萄糖一样在我们体内无处不在，重要性不言而喻。糖元有望成为一些重要疾病的标记物（marker），包括但不限于，糖尿病，慢性肝炎，癌症，糖原贮存病等等。因此，糖元的磁共振成像有望支持这些能量代谢疾病的研究，诊断，药物开发等。而且由于glycoNOE MRI 技术有望迅速转化到人体研究中，这项成果可能有助于磁共振仪器公司的对相关技术的开发。