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上海微系統所在高性能磁共振造影劑方面取得進展

2020-04-30 上海微系統與信息技術研究所
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  磁共振成像(MRI)造影劑廣泛應用于疾病臨床診斷領域,在提高腫瘤組織與正常組織間的對比度、縮短成像時間等方面起到關鍵作用,可為腫瘤等軟組織病變的早期診斷提供重要依據。衡量造影劑性能的關鍵性指標為弛豫率(r1)。目前商業釓(Gd)基造影劑的弛豫率普遍較低(如普美顯?1.5 Tr17.24 mM-1 s-1),因此在臨床應用中往往需要加大使用劑量以優化成像效果,但會增加患者患腎源系統纖維化或腦部疾病的風險。開發高弛豫率MRI造影劑不但可以提高臨床MRI成像對比度,進而提高診斷準確性,同時有助于減少MRI成像過程中Gd的使用劑量,從而大幅減小造影劑對腎臟或腦部的毒副作用。因此,高性能新型造影劑的設計是MRI領域的研究重點之一。然而,受制于Gd與水的配位能力,弛豫率高于100 mM-1 s-1的釓基造影劑仍鮮有報道。

  為了實現釓基造影劑弛豫率的突破,中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室董慧課題組、丁古巧課題組提出借助石墨烯量子點的表面局域超強酸微環境實現釓基造影劑弛豫率的突破。實驗及理論計算結果表明,石墨烯量子點表面局域超強酸微環境能顯著提高造影劑磁性中心附近的水交換速率,進而提高造影劑的弛豫率。在商用高場磁共振系統(7 T)下該造影劑弛豫率為127.0 mM-1 s-1,高于已有報道(圖A)。值得注意的是,基于超導量子點干涉器件(SQUID)的極低場磁共振(ULF MRI,磁場強度0.0001 T)技術是一種近年來新興的MRI技術,具有成像對比度高、無磁化率偽影、成本低廉等優勢。依托中科院超導電子學卓越創新中心的平臺,董慧課題組自主搭建了我國首套低溫超導ULF MRI系統。在該系統中新型造影劑的弛豫率達到210.9 mM-1 s-1,比商業造影劑在同場強下測得的弛豫率提高20倍以上。

  動物實驗表明,該造影劑能顯著提高裸鼠的腫瘤組織與正常組織間的對比度(圖B)。此外,在進行腫瘤靶向修飾后,該造影劑在保持高弛豫率的同時對腫瘤細胞靶向率可達98.3%(圖C),進而實現了MRI-熒光雙模態成像。

  該工作不但為實現釓基MRI造影劑弛豫率的提升提供了全新的結構設計思路,同時也是極低場磁共振系統應用領域的一次重要探索,即石墨烯量子點在極低場磁共振系統下的首次應用性實驗研究,為未來極低場磁共振系統相關應用的拓展提供了依據。相關工作“Enhancing the magnetic relaxivity of MRI contrast agents via the localized superacid microenvironment of graphene quantum dots”近期在線發表于生物材料領域期刊Biomaterials,第一作者為上海微系統所博士研究生李永強,通訊作者為研究員董慧、助理研究員楊思維和研究員丁古巧。相關工作得到國家自然科學基金(11874378,11804353,11774368)、上海市科委項目(18511110600,17DZ2260100,19511107100)、中國博士后科學基金(2017M621564,BX201700271)以及國家重點研發計劃(2018YFC1106100)的支持。

  論文鏈接

  A. 新型造影劑(GPG-3)與商業造影劑、近期報道新型造影劑的弛豫率對比;B. 注射造影劑前的裸鼠7T MRI;C. 注射造影劑后的裸鼠7T MRI;D. 注射造影劑前的裸鼠熒光成像;E注射造影劑后的裸鼠熒光成像。

打印 責任編輯:葉瑞優
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