利用7T场强下的向下场1H磁共振波谱（1H MRS）技术，对人类大脑中色氨酸（Tryptophan）和NAD+与水之间的质子磁化交换现象进行定量分析

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Quantification of Tryptophan and NAD+ Proton Magnetization Exchange With Water Using Downfield 1H MRS in the Human Brain at 7?T

本研究在7T磁场下，利用选择性饱和和宽带饱和恢复实验，量化了水磁化交换对色氨酸（TRP）和NAD+ T1弛豫时间的影响。通过双自旋模型建模发现，TRP的化学交换率（12.3±3.1 Hz）显著高于NAD+各峰（3.0-5.7 Hz），且宽频饱和下的T1弛豫时间平均延长至选择性饱和的9-19倍。结论指出，TRP和NAD+的磁化交换效应可通过改进的MRS实验准确量化，为代谢组学研究提供新方法。

　　这项研究聚焦于人类大脑中特定代谢物——色氨酸（tryptophan, TRP）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD?）在磁化交换（magnetization exchange）过程中的行为，以及其对纵向弛豫时间（T? relaxation time）测量的影响。研究通过7特斯拉（7T）磁场下的下场磁共振波谱（downfield ¹H MRS）技术，采用选择性饱和和宽带饱和两种实验方法，分别测量了这些代谢物的T?弛豫时间，并利用双自旋系统模型（two-spin system model）对其磁化交换速率进行了量化分析。研究结果不仅有助于理解下场代谢物在人体内的弛豫机制，也为未来的代谢物成像和定量研究提供了重要的理论依据。

### 代谢物的弛豫机制与磁化交换

在磁共振波谱（MRS）技术中，测量代谢物的弛豫时间是了解其在组织中的动态行为和生理功能的重要手段。然而，许多下场代谢物（即在水信号（>4.7 ppm）以外的区域）的弛豫特性常常受到磁化交换的影响，尤其是在没有水抑制（water suppression）的情况下。磁化交换是指代谢物中的氢核（proton）与水中的氢核之间发生的相互作用，包括化学交换（chemical exchange）和跨弛豫（cross-relaxation）。这种相互作用会导致代谢物的弛豫时间延长，从而影响其信号强度和测量精度。

色氨酸和NAD?是两种重要的下场代谢物，它们在神经元功能、能量代谢和信号传导中发挥关键作用。色氨酸在人体大脑中主要以一个单一的下场共振峰（10.1 ppm）存在，而NAD?则在9.3、9.1和8.9 ppm处表现出多个共振峰。这些共振峰的信号强度和弛豫时间不仅受到其自身的弛豫特性影响，还可能受到与水之间的磁化交换过程的影响。因此，研究这些代谢物在不同饱和条件下的弛豫行为，有助于揭示其在人体内的动态变化机制。

### 实验方法与数据采集

为了研究磁化交换对T?弛豫时间的影响，研究团队采用了两种不同的饱和实验方法：选择性饱和（selective saturation）和宽带饱和（broadband saturation）。选择性饱和是指仅对特定代谢物共振峰进行饱和处理，而宽带饱和则覆盖了整个下场区域，包括水信号。这两种方法分别用于测量不同条件下的T?弛豫时间，并通过比较两者的差异来评估磁化交换的影响。

实验对象为8名健康志愿者，年龄范围为23至42岁，其中5名男性和3名女性。所有参与者均在符合伦理规范的前提下进行扫描，并签署知情同意书。实验使用的是7T全身磁共振成像（MRI）设备，配备32通道头部线圈，以提高信号接收效率。实验过程中，通过特定的脉冲序列（如选择性脉冲和宽带脉冲）进行饱和处理，并利用不同的延迟时间（TS）来观察信号的变化。

为了准确测量代谢物的信号，研究团队还采集了非饱和条件下的基线数据，并利用这些数据进行模型拟合。此外，为了排除其他代谢物信号的干扰，研究者还采集了水信号作为参考，并通过计算线圈通道权重来进行信号重建。实验中，信号的平均次数（NEX）和延迟时间的选择，确保了数据的可靠性和信噪比（SNR）的稳定性。

### 数据处理与模型拟合

在数据处理阶段，研究团队采用了一种基于Hankel奇异值分解（HSVD）的方法，对采集到的信号进行峰拟合。这种方法能够有效地分离出各个代谢物的信号，并去除背景噪声。对于每个代谢物共振峰，研究者分别拟合了其纵向弛豫时间（T?），并使用一种基于三参数指数模型的“表观T?”（apparent T?）来评估不同饱和条件下的弛豫特性。

为了更精确地量化磁化交换速率，研究团队进一步采用了一个双自旋系统模型（two-spin system model），该模型结合了选择性饱和和宽带饱和的数据，通过拟合耦合微分方程（coupled differential equations）来计算磁化交换的速率。该模型考虑了代谢物与水之间的正向和反向磁化交换过程，并结合了T?弛豫的修正项，从而更全面地描述了代谢物的弛豫行为。

研究发现，宽带饱和条件下的T?弛豫时间显著长于选择性饱和条件下的时间。对于色氨酸而言，其宽带T?是选择性T?的19倍，而对于NAD?的三个共振峰（H2、H6、H4），其宽带T?分别是选择性T?的9倍、8倍和6倍。这一差异表明，色氨酸与水之间的磁化交换效应比NAD?更为显著。进一步的统计分析（如方差分析和Tukey HSD后处理）也支持这一结论，即色氨酸的磁化交换速率显著高于NAD?的各个共振峰。

### 实验结果与讨论

研究结果显示，色氨酸和NAD?在7T磁场下的弛豫特性存在显著差异。色氨酸的磁化交换速率约为12.3 Hz，而NAD?的H2、H6和H4共振峰的磁化交换速率分别为5.7 Hz、3.3 Hz和3.0 Hz。这一发现表明，色氨酸的磁化交换过程更活跃，可能与其与水之间的化学交换特性有关，而NAD?的磁化交换则主要依赖于跨弛豫机制。

在讨论部分，研究者指出，这种差异可能与代谢物的结构和化学性质有关。色氨酸的10.1 ppm共振峰来源于其氨基（NH）基团，而该基团的氢核与水之间存在直接的化学交换过程。相比之下，NAD?的三个共振峰均来自非活泼氢核，这些氢核主要通过跨弛豫（如偶极-偶极相互作用）与水发生相互作用。这种跨弛豫过程的效率通常依赖于分子间的距离（r）和分子相关时间（correlation time），而色氨酸的化学交换则可能受到pH值和温度等环境因素的影响。

此外，研究还指出，尽管色氨酸在体外显示出显著的化学交换效应，但在生理浓度（<0.2 mM）下，其在体内是否仍能表现出类似的效应尚需进一步验证。这表明，未来的实验需要在更广泛的浓度范围内进行，以全面评估这些代谢物的磁化交换特性。

### 实验局限与未来方向

尽管该研究提供了关于色氨酸和NAD?磁化交换的详细数据，但也存在一些局限性。首先，饱和射频脉冲（RF pulse）对B₁场强不均匀性（B₁ inhomogeneity）非常敏感，尤其是在超高场强（如7T）下，这可能导致饱和效率的降低。为了克服这一问题，研究者在模型中引入了饱和效率参数，但这种方法仍然存在一定的局限性，因为饱和效率可能在较大的扫描体积中发生变化。

其次，实验中采用的平均次数（64次）相对较低，导致部分受试者的信号信噪比（SNR）不足，从而影响了色氨酸信号的拟合精度。为了提高数据质量，未来的研究可以考虑增加平均次数，或者采用更高效的信号采集方法，如基于EPSI的编码技术，以缩短扫描时间并提高SNR。

此外，研究中使用的较大扫描体积（40 mm厚）使得无法区分不同脑区或组织的磁化交换特性。虽然化学移位成像（chemical shift imaging）可以提供更精细的空间分辨率，但目前该技术在NAD?和色氨酸的检测中仍面临信噪比不足的问题。因此，未来的研究可以探索更小的扫描体积，或者结合B₁映射技术来校正空间B₁场强的变化，从而提高测量的准确性。

最后，研究团队还提到，由于NAD?的多个共振峰可能受到其他代谢物信号的干扰，未来的研究可以进一步优化饱和方案，以减少交叉干扰。例如，可以选择仅测量NAD?的H2共振峰，以提高模型的鲁棒性和可靠性。此外，利用更先进的拟合方法（如LCModel）可能有助于更准确地分离出NAD?的信号，并减少因信号重叠带来的误差。

### 结论

这项研究首次在人体内通过下场磁共振波谱技术，量化了色氨酸和NAD?在磁化交换过程中的行为。结果表明，色氨酸的磁化交换速率显著高于NAD?的各个共振峰，这可能是由于其与水之间的化学交换机制更为活跃。同时，NAD?的跨弛豫速率也因不同的氢核位置而存在差异，其中H6和H4共振峰的速率较低，可能与其分子结构和环境因素有关。

研究还强调，磁化交换不仅影响代谢物的弛豫时间，还可能反映其与细胞微环境之间的相互作用。因此，对这些代谢物的磁化交换特性的深入研究，有助于更全面地理解其在健康和疾病状态下的行为。此外，磁化交换速率的测量结果可以作为潜在的生物标志物，用于评估不同疾病状态下细胞微环境的变化，例如pH值的改变或代谢物结合能力的差异。

总之，这项研究为下场代谢物的弛豫机制提供了新的视角，并为未来的代谢物成像和定量研究奠定了基础。通过进一步优化实验方法和技术，有望在更高场强下更精确地测量这些代谢物的磁化交换特性，从而推动磁共振波谱在临床和基础研究中的应用。