中科院精密测量科学与技术创新研究院周欣课题组：通过调控 MOF 的骨架结构将超灵敏磁共振图像着色
研究背景
磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）是临床上常用的检测手段之一。MRI 不使用高能量射线辐射，是一种无放射性、软组织对比度高、成像参数与对比度多、图像信息丰富的医疗诊察手段。传统 MRI 信号来源于水质子（1H），在热平衡态下，100000 个 1H 原子中只有大约 1 个对核磁共振检测信号有贡献。因此，MRI 与其他医学影像手段相比，灵敏度较低，通常只能检测到浓度达到毫摩尔（mM）的样品。
为解决磁共振的灵敏度问题，课题组历经 10 年研发出用于人体的超极化氙磁共振成像系统，获全球首个医疗器械注册证并率先实现临床应用。此系统以 129Xe 气体为信号源，利用激光光泵和自旋交换的技术将光子的角动量转移到 129Xe 原子上，使每 10 个 129Xe 原子中至少有 1 个能被核磁共振检测检出，从而将磁共振信号增强了 10000 倍以上。因此，这种增强 MRI 灵敏度的方法又被称为超灵敏磁共振（Ultrasensitive magnetic resonance imaging）。这项新技术已被应用于肺减容术前检测、肺癌检测、新冠康复病人肺功能评估(Sci. Adv., 2021, 7, eabc8180)等多种肺部相关疾病的检测研究当中。此外，Xe 还能跨过肺泡壁、溶于血液，进而被运送至各组织和器官中。脑部和肾脏的超灵敏 MRI 也得到了初步的应用研究。
129Xe 作为一种惰性气体，在生理条件下不与其他生物小分子和大分子发生化学反应，生物安全性高。但也正是因为 129Xe 的惰性，使得它无法与特定的靶标物质结合，因而无法直接用于靶向性分子影像研究。为解决这一问题，能捕获 Xe 原子的“分子笼”被引入超灵敏 MRI。在“分子笼”的可修饰位点上连接靶向性分子，所构建的分子探针一端可识别目标检测物，另一端捕获 129Xe 原子，这样，就能实现基于超灵敏 MRI 的分子影像检测。然而，基于这些“分子笼”的探针，或合成难度大，或生物兼容性和水溶性不好，或在复杂体系中的信号重现性不理想，难以应用于活体研究当中。因此，寻找简单易得、生物兼容性好的 Xe“笼子”是将超灵敏 MRI 的应用扩展至分子影像学需要解决的关键性问题。
论文详情
▲ | 图 1. 通过调控 MOF 的孔结构为被捕获的 129Xe 原子提供不同的化学微环境，然后产生可区分的超灵敏磁共振信号。 |
随着有机配体结构的延长，MOF 孔中 129Xe 原子的交换速率增加。三种 MOF 拥有各自特定的化学位移（图 2a），且任意两种 MOF 中的 129Xe 化学位移差值都超过 9 ppm，因此其磁共振信号可被单独提取，三种 MOF 的信号在 MRI 中能被完全分离（图 2b）。进一步，我们对每种 MOF 孔中的 129Xe 进行了分子模拟计算（图 2c）。结果表明，MOF 孔径的大小和孔结构中的有效电荷数造成了不同的化学微环境，在 129Xe 磁共振中表现为不同的化学位移。上述实验和理论结果说明 MOF 是一种理想的 129Xe “纳米笼”。将三种不同孔径和结构的 MOF 纳米粒子混合，我们能从所制得混合样品中测出来自于三种 MOF 的三个独特的超灵敏磁共振信号（图 2d, e），证明所开发 MOF 造影剂有望应用于混合样品中多目标物的同时检测。
总之，我们通过调控 MOF 的孔结构得到了一系列超灵敏磁共振造影剂。MOF 材料已被成功应用于活体荧光成像、光声成像、药物运载等的研究中，其生物安全性已得到较为深入的研究。因此，MOF 的引入将为超灵敏磁共振的在分子影像领域的研究提供一系列简单易得、生物兼容性好、功能性强的新工具。
▲ | 图 2. 调控 MOF 孔结构产生独特的 129Xe 磁共振信号: (a) IRMOF-1，IRMOF-8 和 IRMOF-10 在48 ppm, 17 ppm 和 26 ppm 处分别产生了一个特定的超灵敏磁共振信号；(b) IRMOF-1，IRMOF-8 和 IRMOF-10 在 48 ppm, 17 ppm 和 26 ppm 处的信号早超灵敏 MRI 中可被单独提取；(c) 分子模拟计算 MOF 孔边缘的电荷，电荷数的差异是影响化学位移的主要原因；在 IRMOF-1，IRMOF-8 和 IRMOF-10 的混合样品检测出三种 MOF 的超灵敏NMR (d) 和MRI (e) 信号。 |
论文信息
Coloring ultrasensitive MRI with tunable metal–organic frameworks
Yuqi Yang, Yingfeng Zhang, Baolong Wang, Qianni Guo, Yaping Yuan, Weiping Jiang, Lei Shi, Minghui Yang, Shizhen Chen, Xin Lou and Xin Zhou*（周欣，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院）
Chem. Sci., 2021,12, 4300-4308
http://doi.org/10.1039/D0SC06969H
作者简介
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院
本文通讯作者，波谱与原子分子物理国家重点实验室副主任，国家武汉磁共振中心常务副主任，中科院精密测量研究院副院长。基金委创新研究群体项目负责人、“国家杰出青年科学基金”、国家“特支计划”领军人才入选者。获 “中科院青年科学家奖”、2018 年度 CCTV“全国十大科技创新人物”、首届“科学探索奖”、2020 年 “全国创新争先奖”等荣誉，在 PNAS、Science 子刊等发表论文百余篇，获得发明专利 70 余件。
周欣研究员自 2009 年底从美国哈佛大学、加州大学伯克利分校全职回国工作后，从无到有的创立了超灵敏磁共振团队，十年磨一剑的专注科学研究，研发了世界上首次进入临床的“人体肺部气体 MRI 系统”。相关成果入选李克强总理主持的杰青 25 周年座谈会上展出的十二项代表性成果之一，被基金委列为 2020 年“需求牵引，突破瓶颈”的典型案例。
相关工作
近年来该团队在超灵敏磁共振领域的工作推荐：
Haidong Li et. al., Sci. Adv., 2021, 7, eabc8180.
Qingbin Zeng, et. al., PNAS, 2020, 117, 17558-17563.
Yaping Yuan, et. al., J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 5014-5018.
Huaibin Zhang et. al., Chem. Comm., 2020, 56, 3617-3620.
Ming Zhang et. al., Magn. Reson. Med., 2020, 84, 569-578.
Xiaoxiao Zhang et. al., Magn. Reson. Med., 2019, 82, 577-585.
Junshuai Xie et. al., NMR Biomed., 2019, 32, e4068.
Yuqi Yang et. al., Nano Lett., 2019, 19, 441-448.
Sa Xiao et. al., J. Mag. Reson., 2018, 290, 29-37
Qingbin Zeng et. al., Anal. Chem., 2017, 89, 2288-2295.
Qianni Guo et. al., Chem. – Eur. J, 2016, 22, 3967-3970.
Xiaolei Zhu et. al., Chem. Comm., 2015, 44, 9085-9088.
相关期刊
Chemical Science
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