面向临床前磁共振弹性成像（MRE）的多用途双线圈电磁驱动装置：从球状体/类器官到啮齿动物的设计、验证与性能评估

《NMR in Biomedicine》：A Novel MR Elastography Device for Preclinical Applications From Spheroids to Rodents: Design, Validation, and Performance Evaluation

磁共振弹性成像（magnetic resonance elastography, MRE）是一种无创评估组织生物力学的有力技术。为解析和理解组织生物力学变化相关的组织病理学与细胞特征，临床前研究仍不可或缺。然而，当前MRE临床前研究场景的特点是不同研究组设计了大量不同的硬件解决方案，且这些方案常针对单一临床前应用定制。这阻碍了学界内所获结果之间的可比性和可重复性。本研究介绍了一种新型多用途临床前MRE装置的设计、制造和验证，该装置允许检查啮齿动物、离体（ex vivo）组织样本以及球状体/类器官（spheroids/organoids）。在超声凝胶体模上进行了验证、稳定性和可重复性实验。研究人员还在啮齿动物模型和离体生物样本中展示了高度可重复的组织力学图，其与底层解剖结构高度一致。除已建立的临床前MRE应用外，该方法为小动物模型和离体标本中的多中心生物力学研究开辟了新途径，并有潜力应用于肿瘤学、再生医学和药物测试。

论文解读

研究背景：磁共振弹性成像（magnetic resonance elastography, MRE）是一种无创成像技术，用于表征组织生物力学和微结构，可提供补充常规结构磁共振（magnetic resonance, MR）序列的信息。临床上，MRE越来越多用于肝纤维化评估，其在多种器官和组织病理状况诊断、表征和随访中的潜在价值也受到广泛研究。然而，在临床环境中，组织病理学分析与所观察组织生物力学之间的相关性仍然有限。为深入理解驱动病理变化的细胞和结构机制，临床前研究不可或缺，可开展广泛相关性组织病理学分析、高度可控且可重复的实验条件以及更高空间分辨率。当前临床前MRE缺乏商业化的统一硬件解决方案，不同研究组使用大量自制装置，且装置通常针对单一应用，如啮齿动物脑或肝。这妨碍了结果的一致性、可比性和可重复性。此外，由于在小样本中诱导适当剪切波困难，用于体外组织样本以及球状体和类器官MRE定量的选择也很少。因此，研究人员设计了一种通用、多用途、由电磁（electromagnetic, EM）双线圈马达驱动的临床前MRE装置，以解决当前临床前MRE限制。该研究旨在验证系统频率纯度和低马达热耗散，并在凝胶体模、啮齿动物肝和脑等常见应用以及离体组织样本和球状体等新应用中评估数据质量、测量准确性、稳定性和可重复性。

研究人员开展并验证了该多用途装置，用于检查啮齿动物、离体组织样本和球状体/类器官。验证、稳定性和可重复性实验在超声凝胶体模上进行；在啮齿动物模型和离体生物样本中也展示高度可重复的组织力学图，并与底层解剖结构高度一致。研究结论认为，该专用MRE装置解决了当前系统的局限性，其在体模、离体组织和啮齿动物中的成功验证凸显了推进临床前模型生物力学研究的潜力，并为小动物模型和离体标本中的多中心生物力学研究以及肿瘤学、再生医学和药物测试中的潜在应用开辟新途径。

关键技术方法概述（不超过250字）：关键技术方法包括3D打印多用途MRE装置，核心为双线圈EM马达、推拉杆和可快速更换的顶单元；以超声凝胶体模评估稳定性与可重复性。MRE采集使用7 T Bruker BioSpec 70/30 USR小动物MRI、TTL（transistor–transistor logic，晶体管-晶体管逻辑）触发函数发生器和多层面多回波（multislice multiecho, MSME）序列；后处理包括相位解包、四点傅里叶变换、curl运算和Helmholtz方程反演，并评估Atot（total amplitude，总振幅）、非线性及|curl|/|div|（curl over divergence，旋度与散度之比）。样本来源：C57BL6雄性小鼠n=3和Wistar雄性大鼠n=2购自Janvier Labs；鸡坐骨神经n=5和火鸡皮肤n=1来自当地肉店；人骨髓（bone marrow, BM）来源h-MSCs（human mesenchymal stromal cells，人间充质基质细胞）来自Lariboisière Hospital全髋置换患者，经伦理批准并知情同意。统计采用Prism 10.6.0，mean±SEM（standard error of mean，均值标准误），必要时配对t检验。

研究结果：

3.1 系统与频率稳定性及可重复性

3.1.1 马达热排放：通过MRI安全温度探头置于马达盖下方，在600 Hz和1000 Hz、90–150 min扫描中监测。三次扫描平均温度分别为20.03°C±0.19°C、21.86°C±0.11°C和20.84°C±0.15°C，最大变化分别为2.49°C、1.00°C和2.00°C。结论：长时间采集下热耗散可忽略，温度升高极小。

3.1.2 频率稳定性：使用三轴加速度计在MRI扫描仪内测量250–1800 Hz、50或100 Hz增量、12 s信号。频谱显示各驱动频率有单一主峰，二次谐波较小（250 Hz 11.2%、500 Hz 11%、750 Hz 17.7%、1000 Hz 10%、1400 Hz 17.9%、1800 Hz 3.3%），无旁带。结论：产生的机械振动具有频谱纯度，最高可评估至1800 Hz，1400 Hz内数据可重复。

3.1.3 超声凝胶体模中的可重复性：超声凝胶体模连续三次MRE扫描250、1000和1400 Hz。非线性低于5%，|curl|/|div|高于3；剪切波振幅稳定，最大范围分别0.37、0.08和1.29 μm，生物力学参数CV（coefficient of variation，变异系数）低于5%。随频率增加，复剪切模量幅值（magnitude of the complex shear modulus, |G*|）、波速（wave speed, C_s）、剪切吸收（shear absorption, alpha）和相角（phase angle, Y）增加：C_s为1.04±0.01、1.16±0.01和1.25±0.03 m/s；|G*|为1.08±0.01、1.31±0.01和1.45±0.02 kPa；alpha为156±1.50、702±5.23和1027±23.03 1/m；Y为0.13±0.01、0.16±0.01和0.19±0.01。结论：装置在体模中数据质量高、重复性好，并反映生物力学色散。

3.2 啮齿动物应用：通过小鼠脑（500–875 Hz）和大鼠脑（250–625 Hz）MRE采集，弹性图可清晰区分胼胝体、基底节等预期解剖亚结构，显示左右半球高度对称及不同采集间可重复性。小鼠脑750 Hz三次扫描中，非线性常低于5%，|curl|/|div|高于5，诱导剪切波振幅最大范围0.6 μm，Mouse 2的CV为12.56%；小鼠皮层（bregma ±1 mm）感兴趣体积（volume of interest, VOI）参数高度可重复。小鼠肝在250–325 Hz采集，因呼吸和邻近肠运动，数据质量低于体模、脑和离体标本：非线性常低于30%，|curl|/|div|高于2.5，最大Atot范围3.06 μm，Mouse 1的CV为15.95%，但肝VOI中仍获得高度稳定生物力学参数。结论：装置适用于常见啮齿动物脑和肝应用，肝成像需考虑生理运动限制。

3.3 离体标本应用：研究人员探索离体组织样本（神经和皮肤）及球状体。鸡坐骨神经嵌入琼脂后扫描，数据质量优良，最大非线性5.92%；弹性图易识别神经，Day 1平均|G*|为29.68±1.34 kPa，Day 6降至26.06±0.99 kPa，显示对死后时间衰减的敏感性。MSC球状体嵌入胶原基质，最大非线性13.29%，周围胶原18.9%；球状体C_s为0.50±0.01–0.66±0.01 m/s，显著高于周围胶原的0.28±0.01 m/s，结论可在视觉和定量上区分球状体与背景基质。火鸡皮肤标本可见三层结构，平均非线性8.28%；位移剖面显示不同组织层波长变化，肌肉中波长较覆皮肤区域更长，提示其刚度较高。结论：装置可捕捉结构力学异质生物组织中的波传播。

讨论部分总结：讨论指出，该装置以双线圈EM马达区别于现有系统，并具从在体到离体的多用途性。双线圈设计相较压电、电声和现成EM执行器具有低热排放（温度变化不超过2.5°C且接近环境温度）、低制造成本、减少杂散场伪影、在高频下频率准确且数据可重复。装置在最高1400 Hz获得可重复数据，在1800 Hz获得高质量频谱；超过2000 Hz因标准临床前MRI梯度占空比限制和采集时间过长而不实用。该装置紧凑，使用约30 cm短刚性推拉杆置于低摩擦poly-acryl管中，减少机械屈曲。其主要在Bruker BioSpec 7 T评估，也在Bruker PharmaScan 7 T和BioSpec 9.4 T测试，提示跨扫描仪、中心和课题组获得更统一数据的潜力。后处理软件物理框架与临床弹性成像系统相似，有助于连接临床前与临床研究。多用途顶单元允许从在体啮齿动物成像扩展到组织、类器官或球状体。鼠脑应用数据可靠；肝MRE数据质量较低，归因于呼吸和肠运动，提示研究肝及腹部病理时需考虑更大生理变异性，运动门控采集可能有助于缓解。该装置使球状体、离体神经和皮肤等此前少用MRE的模型得以研究。球状体波速绝对值低，但在细胞兼容胶原构建体中与既往一致；假设密度接近水，胶原基质表观剪切模量约80 Pa，球状体约250–435 Pa，球状体较周围胶原更硬。胶原基质值略低于既往未处理3 mg/mL胶原凝胶的MRE值，可能源于胶原来源、制备方案、样本几何和培养/采集时多余培养基等方法差异，因此应解释为细胞兼容条件下的表观剪切波速，而非直接等同于块状组织刚度。未来将整合结构和其他定量MR技术（如DTI（diffusion tensor imaging，扩散张量成像）或T₁/T₂ relaxometry），并探索在1.5和3 T临床MRI系统中的应用。研究结论翻译：本研究介绍了一种用于临床前研究的专用MRE装置，解决了当前系统的局限性。其在体模、离体（ex vivo）组织和啮齿动物中的成功验证，凸显了其推进临床前模型中生物力学研究的潜力。