抑制标量弛豫的Ala-[1-13C]Gly-d2-15NMe2：一种用于氨基肽酶N活性检测的超极化分子探针

本研究针对氨基肽酶N（APN）活性检测中传统探针因13C-14N键标量弛豫导致的信号衰减问题，开发了新型15N标记探针Ala-[1-13C]Gly-d2-15NMe2。通过DNP-MRI技术验证，该探针在低磁场环境下信号强度提升40倍，为肿瘤等疾病的活体酶活性成像提供了更稳定的检测工具。

　　

在肿瘤诊断领域，氨基肽酶N（APN）作为关键生物标志物，其活性检测一直面临重大挑战。传统成像技术如MRI因灵敏度不足难以捕捉酶活性动态变化，而动态核极化（DNP）增强的分子探针虽能提升检测限，却受制于¹³C-¹⁴N键引发的标量弛豫效应——当探针经过地磁场等低场环境时，信号会急剧衰减。这一瓶颈严重限制了APN活性在复杂生物体系中的应用研究。

东京大学化学与生物技术系（The University of Tokyo, Department of Chemistry and Biotechnology）的研究团队在《Chemistry Letters》发表突破性成果。他们通过同位素替换策略，将传统探针Ala-[1-¹³C]Gly-d₂-¹⁴NMe₂中的¹⁴N替换为非四极矩核¹⁵N，设计出新型探针Ala-[1-¹³C]Gly-d₂-¹⁵NMe₂（探针2）。该设计保留了原始探针三大优势：9.4T高场下31.6秒的长弛豫时间（T₁）、APN快速水解特性、以及酶解产物3.2ppm的大化学位移差，同时彻底解决了低场信号丢失问题。

研究采用三项关键技术：1）基于¹⁵N标记的阶梯式有机合成（总产率34%）；2）9.4T超导核磁共振仪测定弛豫特性；3）HyperSense?系统动态核极化实验，通过3T MRI扫描验证转运过程中的信号稳定性。

分子设计与合成

通过五步反应构建¹⁵N标记的二甲胺基团，关键步骤包括Boc保护、二甲基化和Cbz-[1-¹³C]Gly-d₂偶联。最终产物经¹H NMR确认氘代率达89%，确保有效抑制偶极-偶极弛豫（R₁^DD）。

弛豫特性分析

高场（9.4T）下探针2的T₁为31.6±2.2秒，与原始探针（30.7±0.7秒）相当，证实¹⁴N四极矩弛豫在高场中可忽略。理论计算表明标量弛豫率（R₁^SC）与¹⁴N自旋量子数成正比，这是低场信号衰减的主因。

超极化性能验证

在模拟转运实验中，探针2首扫信号面积达探针1的40倍（图2c）。尽管¹³C-¹⁵N耦合使信号分裂为双峰，但实际强度仍提升30倍。表观T₁测定显示两者在3T场下衰减曲线相似（探针1：27.4秒；探针2：28.4秒），确证信号损失主要发生于地磁场暴露阶段。

这项研究通过精巧的核素替换策略，突破了超极化分子探针临床应用的核心瓶颈。探针2无需严格避磁转运的特性，使其在需要复杂预处理的活体实验中展现出独特优势。未来研究可结合¹³C-¹⁵N去耦脉冲序列进一步优化信噪比，为肿瘤血管生成、转移等APN相关过程的动态监测开辟新途径。