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基于新型反铁磁性影像探针的高场磁共振超灵敏检测和超高分辨成像

尽管当前各种影像学技术飞速发展,组织病理学检查仍是临床上癌症等重大疾病诊断的金标准。然而,有创的组织病理学检查会给病人带来二次伤害以及潜在的并发症。因此,如何设计一种“无创”的活体成像模式替代“有创”的病理学检查手段,以实现在活体层面对生物学目标进行非侵入性精准检测,是当前临床疾病诊断的难点和挑战。超高场(≥7T)磁共振成像因具有极高的空间分辨率,可以在活体层面无创地显示生物组织的精细结构;影像探针的引入,能有效改变病灶与周围组织的水分子弛豫时间,进一步提高超高场磁共振成像的灵敏度。然而,相较于低场磁共振,超高场磁共振会诱导常规影像探针产生强的横向衰减效应,阻碍水分子的纵向弛豫并加速水分子的横向弛豫,导致水分子弛豫在超高磁场下难以调控。现有的磁共振影像探针在超高场磁共振成像中对水分子的弛豫能力均显著下降,无法实现对微小病灶的灵敏检测。因此,亟需设计制备针对超高场磁共振的新型影像探针以充分体现超高场磁共振成像的优势,在活体层面无创地对微小生物学目标进行超灵敏检测和超高分辨成像。


近日,上海交通大学凌代舜教授团队和浙江大学李方园教授团队合作,针对超高场磁共振成像需求设计制备出了一种新型反铁磁性影像探针,通过原子尺度的化学组成和结构调控,突破磁性材料磁矩空间固有取向的限制,跨越了高场磁共振诊断试剂的成像灵敏度瓶颈,巧妙地解决了上述科学难题。具体而言,在磁共振成像信号的获取中,z轴方向上的水分子T1弛豫会受到xy平面上T2衰减效应的影响,而该衰减效应与影像探针的磁化强度正相关。相比于传统的顺磁性或超顺磁性纳米影像探针,反铁磁性材料由于其内部的磁矩相互反平行排列,在超高磁场中仍具有较低的磁化强度,促进了水分子的T1弛豫(图1)。通过调控纳米探针的尺寸和内部磁矩排列方向,优化制备出的反铁磁性纳米探针在9.0 T超高场磁共振中仍具有较低的r2/r1值(~1.93)。这种反铁磁性影像探针连接RGD多肽后,在活体内展现出了优异的磁共振肿瘤成像性能。尾静脉注射该反铁磁性纳米探针后,在超高场磁共振成像中能分辨出小于0.6 mm的原位肝癌,并首次在活体内检测到小于0.2 mm的极微小癌转移灶(图2)。值得注意的是,以组织病理学检测为参考标准,反铁磁性影像探针增强的超高场磁共振成像能检测出~ 90.2%的微小癌转移灶,并且所检测出的转移灶尺寸与在组织病理学检测中得到结果的相关系数高达0.989,证明了基于反铁磁性影像探针增强的超高场磁共振成像几乎达到了组织病理学检查水平的诊断效果。

图1. 超高场磁共振影像探针设计原理。图片来源:Nat. Commun.


图2. 反铁磁性影像探针增强的超高场磁共振成像对微小癌转移灶的超灵敏检测。图片来源:Nat. Commun.


该工作为实现在组织病理学水平上对疾病的在体、实时、无创、超灵敏诊断提供了新的化学生物学工具和成像方法。这一成果近期发表在Nature Communications 上,文章第一作者是浙江大学博士研究生梁泽宇、王绮玥廖红卫


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Artificially engineered antiferromagnetic nanoprobes for ultra-sensitive histopathological level magnetic resonance imaging

Zeyu Liang, Qiyue Wang, Hongwei Liao, Meng Zhao, Jiyoung Lee, Chuang Yang, Fangyuan Li, Daishun Ling

Nat. Commun., 202112, 3840, DOI: 10.1038/s41467-021-24055-2


导师简介


凌代舜,上海交通大学变革性分子前沿科学中心/化学化工学院/转化医学研究院教授,国家海外高层次人才引进计划,国家优秀青年科学基金获得者,国家重点研发计划青年科学家项目首席,《纳米生物科技》2021年度“未来之星奖”获得者。担任Exploration副主编,J. Control Release助理主编,Adv. Drug Deliv. Rev.专刊主编和Sci. Bull.编委等。迄今,已发表SCI论文110余篇,他引>7000次,ESI高被引论文8篇,以通讯或第一作者在Nature Nanotechnol.、Nature Mater.、Nature Biomed. Eng.、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、ACS Cent. Sci.、ACS Nano、Nano Lett.等著名国际刊物上发表论文70余篇,应邀参编英文学术著作3部,授权国际和国内发明专利30余项。长期从事自组装生物材料的可控合成、化学生物学和医学应用研究,在影像探针设计、组装调控、多维度精准成像分析等方向取得了系列创新研究成果。设计开发了一系列创新性动态变构诊疗探针:包括离子特异性、高灵敏的荧光探针用于神经系统疾病的早期诊断和监测;以及根据高场磁共振设计的高性能磁性探针用于原位肿瘤、微小转移灶及其肿瘤周边血管分布情况的超高分辨成像等。


https://www.x-mol.com/university/faculty/26739 


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