脉冲式SABRE-SHEATH技术高效实现[15N3]甲硝唑抗生素的15N超极化及其在缺氧检测中的应用潜力

本研究针对传统核磁共振超极化技术效率低、设备复杂的问题，开发了脉冲式SABRE-SHEATH技术，通过微特斯拉磁场矩形脉冲序列，在80秒内实现[15N3]甲硝唑18.5%的15N极化率，较静态场方法提升1.32倍。该技术首次证实了脉冲场条件下自旋接力极化转移的可行性，为生物分子超极化及缺氧成像提供了新策略。

　　

在医学影像领域，如何突破传统核磁共振（NMR）检测灵敏度的限制，一直是科学家们攻坚的难题。超极化技术能够将核自旋极化度提升数万倍，为低浓度代谢物成像带来曙光，但现有方法如动态核极化（d-DNP）和自旋交换光泵（SEOP）存在设备复杂、成本高昂的瓶颈。其中，基于仲氢（pH₂）的可逆交换信号放大（SABRE）技术因其无需化学修饰的优势备受关注，但其异核极化效率仍有提升空间。

美国杜克大学（Duke University）的研究团队在《Journal of Magnetic Resonance Open》发表创新成果，将脉冲磁场引入SABRE-SHEATH（Shield Enables Alignment Transfer to Heteronuclei）技术体系。研究人员以临床常用抗生素[¹⁵N₃]甲硝唑为模型，通过优化微特斯拉磁场的"开-关"脉冲序列（τ_LOW=4 ms，τ_HIGH=2.4 ms），实现了三重¹⁵N位点同步极化，最高极化度达18.5%，较静态场方法提升32%。更引人注目的是，该研究首次在脉冲场条件下验证了通过¹⁵N-¹⁵N自旋耦合网络（J_NN=1.45-1.65 Hz）的接力极化转移机制，为多标记生物分子的超极化开辟了新途径。

关键技术方法包括：1）在双层μ金属屏蔽装置中构建脉冲磁场环境（B_LOW<40 nT，B_HIGH=-28 μT）；2）使用IrCl(COD)(IMes)催化剂在CD₃OD溶液中活化[¹⁵N₃]甲硝唑；3）通过1.4 T台式NMR定量¹⁵N极化率；4）采用磁通门磁强计精确校准脉冲参数。

研究结果显示：

1. 极化动力学：通过场强（0.8 μT）和温度（17-18°C）优化，发现脉冲序列中低场持续时间与催化剂交换速率匹配是关键。模拟计算证实4 ms脉冲周期与[¹⁵N]乙腈体系相似，提示该参数可能普适于含氮杂环化合物。
2. 自旋接力转移：尽管脉冲序列仅针对结合位点¹⁵N₃设计，但通过J耦合网络（¹⁵N₁-¹⁵NO₂）使三个¹⁵N位点获得相近极化度，证实脉冲场下自旋接力仍高效。
3. 弛豫特性：脉冲法虽加速极化衰减（T_d较静态场缩短），但1.4 T下仍保持9分钟超长T₁，满足活体检测需求。对比地球磁场（50 μT）和0.8 μT静态场的衰减数据，揭示去相位是低场弛豫主因。

这项研究的意义在于：技术上，脉冲SABRE-SHEATH将[¹⁵N₃]甲硝唑极化度提升至d-DNP的3倍以上；理论上，阐明脉冲场下多核自旋系统的极化传递规律；应用上，为缺氧相关疾病（如肿瘤）的分子影像提供新型¹⁵N探针。该团队指出，未来可通过"智能化"脉冲序列选择性抑制质子弛豫通道，进一步提升极化效率。这种无需低温、可重复进行的超极化方法，或将推动SABRE技术在临床转化中迈出关键一步。