超极化[1-13C]丙酮酸磁共振波谱成像技术无创精准定位癫痫脑区乳酸代谢异常

为解决药物难治性癫痫手术定位精度不足的临床难题，研究人员开展了基于超极化[1-13C]丙酮酸的磁共振波谱成像（HP 13C MRSI）研究。结果表明该技术可特异性检测癫痫模型中乳酸（Lac）代谢升高，为无创绘制癫痫网络提供了新方法，对提升手术疗效具有重要意义。

　　

癫痫是最常见的神经系统疾病之一，尽管现代医学不断发展，仍有约30%的患者无法通过药物有效控制发作。对于这些药物难治性癫痫患者，手术切除致痫灶是目前最有效的治疗手段。然而，手术成功率多年来并未显著提升，核心难点在于现有技术难以精准定位“癫痫起始区”和“癫痫网络”。就像在茫茫人海中寻找几个关键人物，传统影像方法往往力不从心，导致手术切除范围不精确，部分患者术后依然发作。

为什么定位如此困难？因为癫痫的本质是脑细胞异常过度放电，这种电活动背后隐藏着深刻的代谢改变。科学家们发现，癫痫脑组织存在独特的“代谢重编程”现象：神经元从高效的能量产生模式（氧化磷酸化）转变为快速但低效的糖酵解途径。这种转换会产生大量乳酸（Lactate, Lac），使得乳酸成为识别癫痫组织的一个潜在生物标志物。

虽然传统磁共振波谱（MRS）技术能够检测乳酸升高，但其灵敏度和空间分辨率有限，难以满足临床手术规划的需求。想象一下用分辨率不足的相机拍摄远处景物——细节模糊，难以辨明关键特征。正是这样的技术瓶颈，促使研究人员将目光投向了一项前沿技术：超极化碳13磁共振波谱成像（Hyperpolarized ¹³C Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging, HP ¹³C MRSI）。

这项技术的神奇之处在于它能将信号增强数万倍，使研究人员能够实时追踪注入体内的[1-¹³C]丙酮酸（Pyruvate, Pyr）如何被细胞代谢转化为乳酸。就像给代谢过程装上了“实时监控摄像头”，科学家们可以直观地看到哪些脑区正在疯狂生产乳酸——这些很可能就是癫痫活动的核心区域。

为了验证这一技术的可行性，来自美国马里兰大学的研究团队开展了一项创新性研究，成果发表在《Brain Communications》期刊上。他们通过两种经典的癫痫模型（体外低镁诱导的神经元过度兴奋模型和体内戊四氮点燃的慢性癫痫小鼠模型），系统评估了HP ¹³C MRSI检测癫痫相关乳酸代谢升高的能力。

研究团队主要运用了几项关键技术：超极化动态核极化技术（通过SPINLab系统将[1-¹³C]丙酮酸信号增强10⁵倍）；临床3T MRI扫描仪（用于体外实验）和临床前3T MRI扫描仪（用于体内实验）的波谱数据采集；螺旋化学位移成像（spiral CSI）序列实现高时空分辨率代谢成像；多电极阵列（MEA）记录神经元电活动以验证模型有效性；以及乳酸测定试剂盒对实验结果进行生化验证。

HP ¹³C MRS成功检测低镁处理后神经元超活性相关的乳酸产量升高

研究团队首先在体外培养的大鼠皮层神经元中建立了慢性癫痫模型。通过连续10天每天2小时的低镁处理，诱导神经元出现类似癫痫的持续性超兴奋状态。多电极阵列记录显示，低镁处理组的神经元爆发频率显著增加（p<0.0001），证实了模型的有效性。

第11天，研究人员使用HP ¹³C MRS技术检测了对照组和处理组细胞的代谢状态。结果清晰显示，低镁处理组的乳酸/丙酮酸信号比（Lac/Pyr ratio）比对照组高出近3倍（p=0.008）。同时，通过乳酸测定试剂盒检测细胞培养上清液，也发现低镁处理组的乳酸浓度显著高于对照组（p=0.02）。这两项独立实验的一致性结果强有力地证明：HP ¹³C MRS技术能够准确检测到癫痫样超兴奋神经元中乳酸产量的真实生物学增加。

HP [1-¹³C]丙酮酸MRSI成功检测PTZ点燃小鼠颞叶和海马中慢性癫痫后的乳酸升高

在体内实验中，研究团队使用了戊四氮（PTZ）点燃模型来模拟人类慢性癫痫。通过隔天注射亚惊厥剂量的PTZ（35mg/kg），持续20天，成功诱导小鼠出现进行性加重的癫痫发作行为（Racine评分显著增加，p<0.0001），而对照组（注射dPBS）小鼠则未出现任何癫痫表现。

在最后一次PTZ注射48小时后（相当于癫痫发作间期），研究人员对小鼠进行了HP ¹³C MRSI扫描。结果显示，在颞叶皮层和海马区域——PTZ诱导癫痫的关键脑区——PTZ处理组的乳酸/丙酮酸信号比显著高于对照组（p=0.0307）。后续对脑组织匀浆的乳酸测定也证实了PTZ组乳酸浓度更高（p=0.041），与成像结果一致。

一个重要的考虑因素是：PTZ处理是否会破坏血脑屏障（BBB）完整性？因为血脑屏障通透性的改变可能会影响丙酮酸从血液进入脑组织的效率，从而间接影响乳酸信号。为此，研究人员额外进行了钆增强T1加权MRI实验，结果显示PTZ组和对照组在对比剂注射前后的信号变化无显著差异（p>0.05），表明PTZ处理并未显著影响血脑屏障对大分子物质的通透性，排除了这一混淆因素。

HP ¹³C MRSI乳酸测量值与真实乳酸浓度相关

为了验证HP ¹³C MRSI测量结果的准确性，研究人员还将成像得到的乳酸/丙酮酸信号比与脑组织匀浆的乳酸测定结果进行了相关性分析。结果显示两者之间存在显著正相关（r = 0.6559， R2 = 0.4302， p = 0.0042），证明HP ¹³C MRSI检测到的信号变化真实反映了脑组织中的乳酸浓度变化。

这项研究通过体外和体内实验一致证明，超极化[1-¹³C]丙酮酸磁共振波谱成像技术能够有效检测癫痫相关的乳酸代谢升高。在低镁诱导的神经元超兴奋模型中，该技术检测到近3倍的乳酸/丙酮酸信号比增加；在PTZ点燃的慢性癫痫小鼠模型中，在颞叶和海马区域观察到显著的乳酸信号升高。这些结果均得到传统生化方法的验证，且体内成像结果与真实乳酸浓度显著相关。

研究的讨论部分指出，虽然传统¹H MRS也尝试用于癫痫定位，但HP ¹³C MRSI具有潜在的空间分辨率优势（可达约1 cm3），更适合临床手术规划。此外，该技术直接检测的是乳酸脱氢酶（LDH）的活性（即乳酸生成速率），而不仅仅是乳酸堆积量，提供了更动态的代谢信息。

值得注意的是，研究人员也坦诚了研究的局限性：体外实验中细胞沉淀可能导致乳酸信号低估；体内实验中全脑半球的乳酸测定可能无法完全匹配特定脑区的成像结果；仅使用雌性小鼠可能忽略了性别差异的影响；表面线圈的使用可能带来信号接收的不均匀性等。这些都为未来研究改进指明了方向。

总之，这项研究为癫痫手术定位提供了一种全新的代谢成像方法。相较于现有技术，HP ¹³C MRSI能够更精确、更特异地识别癫痫脑组织，有望在未来帮助外科医生更准确地切除致痫灶，同时最大程度地保留正常脑功能，最终提高手术成功率和患者生活质量。研究人员建议下一步在人类切除脑组织标本上进行临床前验证，并最终开展临床试验，推动这一技术向临床转化。