利用手性铽超位移复合物进行绝对温度映射以实现MRI温度测量

《Chemical & Biomedical Imaging》：Absolute Temperature Mapping Using Chiral Terbium Parashift Complexes for MRI Thermometry

本研究开发了基于非交换异构体化学位移差异的Parashift MRI温度成像方法，无需外部校准。通过合成Dy(III)、Tb(III)、Ho(III)、Er(III)、Tm(III)等稀土配合物，发现[EuL]?、[TbL]?等具有高温度灵敏度（最高达0.46 ppm K?1），其中[ T b L ]?在9.4 T场强下实现0.1 K温度分辨率，并成功应用于 phantom成像实验。该技术突破了传统水信号温度成像的灵敏度限制，为活体温度监测提供了新方案。

　　温度在许多生物学过程中扮演着关键角色，如细胞分裂、基因表达、酶反应和代谢等。温度的波动可能作为病理状态和功能异常的早期指标。随着对温度作为生物标志物的研究不断深入，其在免疫调节和肿瘤学中的重要性也逐渐凸显。例如，发热是机体调节体温的一种表现，而恶性组织中的温度升高则与代谢需求增加有关。此外，在图像引导的热疗领域，如超声聚焦加热、激光治疗或射频能量应用，精确的温度监测对于确保治疗效果和减少对周围健康组织的损伤至关重要。

传统的MRI方法通过检测水信号的温度依赖性频率偏移（约为0.01 ppm/K）来估计温度变化。然而，这种方法存在一些局限性，例如在脂肪组织中灵敏度不足、校准过程复杂以及易受磁场漂移和样本运动引起的伪影影响。因此，开发一种无需外部校准、能够实现高分辨率温度成像的非侵入性方法成为研究的重点。

研究团队提出了一种基于磁共振成像（MRI）分子探针的非侵入性温度成像方法，利用了单个手性稀土配合物的两个非交换异构体（SAP和TSAP）之间的化学位移差异。该方法无需外部校准即可实现绝对温度映射，为温度监测提供了一种更为便捷和精确的手段。具体而言，通过分析不同温度下[LnL]?（其中Ln代表稀土元素）配合物的核磁共振（NMR）信号，研究人员发现SAP异构体的甲基（CH?）和TSAP异构体的甲基（CH?）共振具有较大的超精细位移和较窄的谱线宽度，这使得它们成为Parashift光谱成像的理想报告信号。

在实验中，研究人员对不同稀土配合物的温度敏感性进行了评估，发现[TbL]?配合物在温度映射方面表现出最佳的性能。具体而言，[TbL]?的CH? SAP共振在9.4 T（预临床场强）下的温度系数达到0.46 ppm/K，而其归一化系数（温度位移与谱线宽度的比值）甚至高达1.7 K?1。这些数值表明[TbL]?在温度成像中具有较高的灵敏度和良好的信号分辨率，使其成为该研究中最具潜力的探针。

此外，研究人员还对这些配合物的合成方法进行了详细描述。通过调整配体的合成条件，例如使用纯水或水/甲醇混合溶剂进行配位反应，可以控制SAP和TSAP异构体的比例。在纯水中，SAP异构体的比例更高，而在水/甲醇混合溶剂中，两种异构体的比例更接近1:1。这一发现为后续的温度成像实验提供了重要的合成基础，使得能够根据实际需要调整异构体比例，从而优化温度敏感性。

在实验验证阶段，研究人员使用9.4 T的磁体对[TbL]?进行了鬼影成像实验。通过使用双梯度回波（2DGE）序列和磁共振光谱成像（MRSI），成功地将温度变化映射到不同的区域。实验中，温度范围覆盖了17.7–43.8 °C，并且每个像素的温度信息通过化学位移差值（Δδ）进行编码。在特定温度下，如41.3 °C，研究人员观察到了细微的温度梯度，表明该方法可以捕捉到生物系统中微小的温度变化。同时，实验还展示了在不同温度条件下，化学位移的变化与实际温度之间的对应关系，进一步验证了该方法的可靠性。

通过使用2DGE序列，研究人员能够在较短时间内完成温度映射。例如，1D MRSI成像仅需2.5分钟，而2DGE图像则需要6.5分钟，总成像时间约为9分钟。这一时间效率对于临床应用至关重要，因为快速的温度成像能够帮助医生实时监控治疗过程中的温度变化，从而调整治疗策略，确保最佳的治疗效果。

研究还指出，[TbL]?配合物在9.4 T下的表现优于其他配合物，主要得益于其较高的温度敏感性和良好的信号分辨率。具体来说，[TbL]?的CH? SAP共振在9.4 T下的谱线宽度较窄，从而提高了温度成像的准确性。此外，该配合物的纵向弛豫率（R?）和横向弛豫率（R?）之间的比值大于0.4，这一特性使得其在高场强下的成像性能更加优异。

该研究的创新之处在于，它利用了单个手性稀土配合物中两种非交换异构体之间的化学位移差异，从而实现了无需外部校准的绝对温度映射。这一方法不仅提高了温度监测的准确性，还减少了校准过程中的复杂性和潜在误差。同时，研究团队还通过实验验证了该方法在不同温度条件下的稳定性和灵敏度，表明其在生物医学成像中的广泛应用前景。

总的来说，这项研究为非侵入性温度成像提供了一种新的解决方案，具有重要的临床和科研价值。通过优化稀土配合物的结构和合成条件，研究人员成功开发出一种能够在高场强下实现高分辨率温度映射的分子探针。这一成果不仅有助于更精确地监测生物组织的温度变化，还为未来的热疗和疾病诊断提供了新的工具和方法。随着相关技术的进一步发展，这种方法有望在临床实践中得到更广泛的应用，为精准医疗和疾病早期诊断带来革命性的突破。