化学诱导核自旋弛豫减速（CIDER）技术突破：显著延长超极化示踪剂寿命推动代谢成像发展

为解决超极化磁共振（HMR）中示踪剂弛豫过快、信号寿命短的难题，研究人员开展了化学诱导核自旋弛豫减速（CIDER）研究。通过添加烟酰胺、尿素、甘油等氢键供体，显著延长了1?N-及13C-标记分子在低场下的T?弛豫时间，使1-1?N-烟酰胺超极化率提升至30%。该技术突破了快速弛豫分子无法用于活体代谢成像的瓶颈，为超极化磁共振技术临床应用开辟了新途径。

　　

在磁共振成像（MRI）技术飞速发展的今天，超极化磁共振（Hyperpolarized Magnetic Resonance, HMR）技术通过显著增强核自旋极化度，实现了对代谢过程的实时动态观测，为癌症早期诊断和治疗评估带来了革命性突破。然而该技术始终面临着一个致命瓶颈——超极化状态的寿命极其短暂。常规超极化示踪剂如13C-丙酮酸盐在体内的弛豫时间（T?）仅约1分钟，而1?N-葡萄糖衍生物等分子的T?甚至短至10秒左右。尤其在示踪剂从极化装置传输至检测仪器的过程中，需要经历低磁场环境，这会加速极化度的衰减，导致许多具有重要生物学意义的快速代谢分子无法有效成像。

究其根本，核自旋弛豫的加速主要源于三大机制：顺磁性杂质（如氧气、金属离子）的相互作用、化学交换效应以及分子间偶极-偶极相互作用。虽然目前已有部分缓解策略，如使用氘代溶剂、调节pH值或去除氧气等，但这些方法存在成本高昂、操作复杂或生物相容性差等局限。特别值得注意的是，像1-1?N-烟酰胺（1-1?N-NAM）这类极具潜力的代谢探针，虽然在固态动态核极化（dDNP）过程中能获得高超极化度，但在中性pH条件下其液态弛豫时间极短（7秒@1T，1秒@mT级），在传输过程中极化度几乎完全丢失，使得其无法应用于实际成像。

正是在这样的背景下，一项名为“化学诱导核自旋弛豫减速”（Chemically Induced Deceleration of Nuclear Spin Relaxation, CIDER）的创新技术应运而生。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究报道了一种前所未见的物理现象——通过添加特定的生物相容性分子，能够显著延长超极化示踪剂的弛豫时间，特别是在低磁场条件和接近分子pK_a值时效果尤为显著。

为系统验证CIDER效应，研究团队综合运用了多项先进技术：首先采用动态核极化（dDNP）技术对1?N-烟酰胺、1?N-吡啶等分子进行超极化；利用多场强核磁共振系统（0.57 T、1 T、9.4 T）检测弛豫特性；自主搭建磁场循环（MFC）系统测量7.8 μT至9.4 T范围内的弛豫色散关系；通过氢键作用分析化学位移变化验证分子间相互作用；合成甘油基树枝状分子等新型试剂探索结构-功能关系。

研究结果令人振奋：

dDNP极化实验显示CIDER剂显著提升超极化度

在1-1?N-NAM的dDNP实验中，添加0.5 M尿素使极化度从5%提升至30%，增加6倍；添加1 M烟酰胺使中性pH下的极化度从不可检测提升至1.9%。所有测试的CIDER剂（烟酰胺、尿素、甘油、树枝状分子）都显示出最佳效果当添加剂与示踪剂的NH?/OH基团比例约为25:1时。高场T?测量显示添加CIDER剂后弛豫时间变化复杂，高浓度时甚至出现缩短，但这与低场下的极化度保存效果并不矛盾。

pH、D?O和CIDER剂对1?N极化的复合影响

通过系统比较五种1?N标记分子（1-1?N-NAM、1?N-吡啶、1?N-甲硝唑、1?N-嘧啶和1?N?-尿素）在不同条件下的表现，发现CIDER效果具有分子特异性。其中1-1?N-NAM和1?N-吡啶响应最为显著，极化度提升10-70倍。特别值得注意的是，只有能够作为氢键受体的氮位点（如甲硝唑中的3-1?N位）才对CIDER剂敏感，这直接支持了氢键形成机制假说。

热极化样品验证CIDER效应（多场强T?测量）

磁场循环实验提供了最直接的证据：在7.8-120 μT极低场范围内，添加1 M烟酰胺使1-1?N-NAM的T?从1.8±0.2秒延长至4.7±0.3秒，延长2.6倍。去气处理能进一步延长T?，但与CIDER效应存在叠加关系，表明CIDER剂能有效屏蔽顺磁性杂质（如氧气）的影响。在高场区（>3 T），所有样品的T?均下降，这与化学交换机制减弱而化学位移各向异性（CSA）机制增强的理论预测完全一致。

CIDER机制探讨包含物理与化学双重维度

从物理角度看，CIDER剂通过氢键与示踪剂结合，产生三种保护效应：抑制化学交换、屏蔽顺磁性杂质、增加与弛豫源的距离。化学位移数据分析显示，添加烟酰胺和尿素分别引起1-1?N-NAM信号向低场移动0.33 ppm/M和0.15 ppm/M，这符合氢键作用的特征变化。从化学角度看，所有有效CIDER剂（烟酰胺、尿素、甘油、树枝状分子）都是良好的氢键供体，其分子结构中含有N-H或O-H基团。尿素分子能提供两个N-H供体基团，这可能是其所需浓度低于烟酰胺的原因。

研究结论与讨论部分强调了CIDER技术的革命性意义：这项研究首次发现了通过化学添加剂主动调控核自旋弛豫过程的方法，与传统的被动防护策略（如除氧、氘代等）有本质区别。CIDER技术特别适用于解决低场传输过程中的极化衰减问题，使原本因弛豫过快而被认为“不可用”的分子探针重新获得了应用价值。研究人员成功将1-1?N-烟酰胺的溶液超极化度提升至30%，创造了该分子极化度的新纪录。

该技术的优势在于：①使用生物相容性材料（如尿素、甘油）；②无需极端pH或温度条件；③效果显著（极化度提升数倍至数十倍）；④机制明确（氢键介导的保护作用）。尽管目前还存在一些应用挑战（如某些CIDER剂的热稳定性问题），但这项研究无疑为超极化磁共振技术开辟了新的发展方向。未来通过理性设计CIDER分子结构，优化添加浓度和组合方式，有望进一步扩大应用范围，甚至实现针对特定生物环境的“智能弛豫调控”，最终推动超极化磁共振技术在临床诊断和基础研究中发挥更大价值。