综述：探索诊断潜力：磁粒子成像在脑部疾病中的应用

这篇综述系统阐述了磁粒子成像（MPI）技术在脑部疾病诊断中的前沿进展。文章从MPI的三大核心技术——成像探针（SPIONs）、硬件系统和重建算法切入，重点分析了其在脑肿瘤（如胶质瘤）、脑血管疾病（如卒中）和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中的应用潜力，并探讨了多对比度MPI和人体尺度设备开发的未来方向。MPI凭借超高灵敏度（可检测pg级铁浓度）、毫秒级时间分辨率和无电离辐射的特性，为脑部疾病的早期诊断提供了革命性工具。

　　

背景

作为神经系统的核心，大脑通过神经血管单元（由神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞等组成）精密调控生理病理过程。脑部疾病具有高发病率、高致残率和高死亡率的特点，但其早期症状隐匿，传统诊断方法面临巨大挑战。磁粒子成像（MPI）作为一种新兴功能成像技术，利用超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的非线性磁化响应，能以高灵敏度（检测限达200个标记细胞）、高时间分辨率（>2000帧/秒）和无背景干扰的优势，实现脑部病变的三维可视化。

MPI原理

MPI的成像质量依赖于三大关键技术：

成像探针
SPIONs由磁性核心（如Fe₃O₄）和生物相容性涂层（如聚乙二醇）构成。商用探针如VivoTrax和经FDA批准的Ferumoxytol已应用于临床前研究。通过调控核心尺寸（20-30 nm最佳）、形状及合金成分（如ZnFe₂O₄/C），可显著提升信号强度。例如，FeCo@C纳米颗粒的MPI信号强度达VivoTrax的15倍，在脑肿瘤模型中展现出卓越成像性能。

硬件系统
典型MPI系统包含选择场线圈（产生场自由区域FFR）、驱动场线圈和接收线圈。FFR以场自由点（FFP）或场自由线（FFL）形式扫描视野，仅FFR内的SPIONs产生可检测信号。最新超导MPI系统已实现4 Hz帧率和5 mm空间分辨率，为人体脑部应用奠定基础。

重建算法
X-space方法无需复杂校准，可直接从时域信号快速重建图像，较传统系统矩阵法提速显著。深度学习技术的引入进一步优化了分辨率提升和定量预测。

脑部疾病应用探索

肿瘤性疾病
MPI通过血脑屏障（BBB）渗漏效应或主动靶向（如乳铁蛋白修饰SPIONs）实现胶质瘤特异性成像。在异种移植小鼠模型中，多模态纳米探针使MPI信号增强17.1倍，且能同步指导磁热疗（如FFL精准控温）。相较于MRI，MPI对微小转移灶（如<2 mm）的检测灵敏度提升3个数量级。

脑血管疾病
MPI在卒中诊疗中展现出独特价值：

• 缺血性卒中：46帧/秒的成像速度可实时捕捉脑灌注缺损，定位精度达0.5 mm
• 脑出血：多对比度MPI能在3分钟内区分活动性出血与凝血区，定量范围0.003-0.06 μl/s
• 血管介入：SPIONs标记的导管在MPI引导下实现辐射-free血管成形术模拟

神经退行性疾病
功能MPI（fMPI）监测脑血容量（CBV）变化时，对比噪声比（CNR）较功能MRI（fMRI）提高2-6倍。理论模拟表明，磁电纳米颗粒（MENs）未来或可捕捉神经元电活动，为阿尔茨海默病等疾病的电生理研究开辟新途径。

未来方向

多对比度MPI
通过SPIONs弛豫时间差异实现粘度映射（如肿瘤微环境监测）和多重靶标同步成像，有望突破单参数检测局限。

人体尺度设备
当前挑战在于平衡孔径尺寸（>70 cm）与性能指标：

• 灵敏度目标：<10细胞检测限
• 分辨率目标：亚毫米级
• 安全性：规避外周神经刺激（PNS）风险

结论

MPI凭借其"热点"成像特性、定量精准性和生物安全性，有望成为脑部疾病诊断的新标准。随着超导线圈技术和靶向探针的突破，MPI将从实验室走向临床，为神经外科、重症监护和个性化医疗提供全新解决方案。