基于丙酮酸和乳酸温度依赖化学位移的体内超极化 13C MRSI 测温研究：开启精准医疗新视野

体温测量在医疗领域意义重大，传统方法存在局限。研究人员开展 “Temperature dependent chemical shifts of pyruvate and lactate enable in vivo hyperpolarized 13C MRSI thermometry” 研究，发现 [1-13C] 丙酮酸和 [1-13C] 乳酸化学位移与温度有关，虽人体测温有局限，但仍具重要意义。

　　在生命的奇妙旅程中，体温就像一个精准的 “健康仪表盘”，时刻反映着人体的内部状态。从古代医者凭借经验感知体温变化，到如今各种先进的体温测量技术涌现，体温监测始终在医疗领域占据着关键地位。然而，现有的体温测量方法，无论是传统的温度计，还是磁共振成像（MRI）相关的测温技术，都存在着各自的短板。传统温度计只能测量体表温度，难以反映体内深部组织的真实温度；而 MRI 常用的基于水质子共振频率的测温方法，虽然能实现无创测量，但在准确性和特异性上还有提升空间。在这样的背景下，一项旨在突破现有体温测量困境的研究应运而生。

德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich）等机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究，利用超极化（HP）13^C MRI 技术，探索 [1-13^C] 丙酮酸（PA）和 [1-13^C] 乳酸（LA）的温度依赖化学位移，实现体内测温并获取代谢信息。该研究成果发表在《npj Imaging》上，为医学领域带来了新的曙光。

为了深入探究这一课题，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们借助不同场强的磁共振设备，如 7T 和 11.7T 的 MRI 扫描仪及 500MHz 的 NMR 光谱仪，对 [1-13^C] 丙酮酸和 [1-13^C] 乳酸在不同温度、浓度下的化学位移进行精确测量。在实验样本上，使用了健康小鼠和人类志愿者的数据，通过静脉注射超极化 [1-13^C] 丙酮酸，采集并分析其代谢产物 [1-13^C] 乳酸的信号变化。在数据处理方面，利用 Python 进行复杂的数据分析，通过迭代时域拟合算法，从光谱数据中准确提取温度信息。

下面让我们详细了解一下研究的主要结果：

• 热极化校准测量：研究人员在 11.7T 磁场下，对不同温度（20 - 42℃）、浓度（5 - 600mM）的 [1-13^C] 丙酮酸、[1-13^C] 乳酸和 [13^C] 尿素（UR）的水溶液进行热极化校准测量。结果发现，随着温度升高，5mM 浓度下乳酸和丙酮酸的化学位移差异以 0.013 ± 0.002ppm/°C 的速率减小（R²=0.99），且在高浓度下，乳酸和丙酮酸的化学位移相互远离，但在体内预期的低浓度（低于 10mM）下，浓度对化学位移的影响相较于温度可忽略不计。
• 超极化体外光谱分析：在 7T 磁场下进行超极化实验，与 11.7T 的热测量结果对比。通过对含乳酸脱氢酶（LDH）的模型和血液样本实验数据的线性校准拟合，发现二者趋势相似，但血液和 LDH 实验因温度控制和浓度效应存在偏差。利用线性依赖关系，可根据乳酸和丙酮酸的化学位移差异计算绝对温度，也能根据浓度拟合函数计算特定温度下的浓度。
• 健康小鼠腹部表观温度成像：对健康小鼠进行体内二维自由感应衰减化学位移成像序列（FID-CSI）实验，在不同直肠温度（38.2℃和 34.5℃）下注射超极化丙酮酸。结果显示，小鼠腹部的表观温度绝对值高于直肠温度，但相对变化在误差范围内一致。分析多只小鼠数据发现，高温测量时，部分小鼠腹部表观温度与直肠温度在误差范围内相符；低温测量时，不同队列小鼠情况有所不同，且肾脏表观温度与直肠温度的关系也因温度而异。
• 健康小鼠脑表观温度测量：对两只小鼠进行全脑扫描，每次扫描两次，发现小鼠全脑表观温度与监测的直肠温度相关性良好（T_CSI=38.2 ± 2.4°C 和 T_rec=37.8 ± 0.3°C，n = 4） 。
• 人体 13^C MRS 表观温度测量：利用 5mM 代谢物浓度的校准函数，对健康志愿者和患者的脑部、腹部数据进行分析。结果显示，健康志愿者脑部表观温度低于生理值且个体差异大；胶质母细胞瘤（GBM）患者脑部平均表观温度高于健康志愿者，但未发现代谢活性与温度的相关性；人体腹部切片选择 MRS 数据显示，其表观温度低于生理值但略高于脑部。

在研究结论和讨论部分，该研究首次报道了 [1-13^C] 丙酮酸和 [1-13^C] 乳酸的温度依赖化学位移，并将其用于体内温度传感和代谢信息获取。研究表明，该方法在小鼠实验中能较好地反映体温变化趋势，但在人体应用中，由于组织微观结构导致的磁化率变化、光谱拟合精度、代谢物浓度差异等因素，使得测量准确的绝对温度存在困难。不过，该方法作为一种潜在的成像生物标志物仍值得深入研究，特别是对于 GBM 患者，其脑部表观温度的升高可能为疾病研究提供新的视角。此外，该研究成果对于基于 13^C成像序列的设计具有重要意义，提醒研究人员在实验中需充分考虑温度对共振频率的影响。总的来说，这项研究为医学领域的体温测量和代谢研究开辟了新方向，尽管在人体应用中面临挑战，但未来的深入研究有望进一步突破，为精准医疗带来更多可能。