[1-13C]丙酮酸核自旋弛豫极限探究：磁场、氘代、脱气及添加剂的影响

《Small Science》：Exploring Limits of [1-13C]Pyruvate Nuclear Spin Relaxation: Impact of Field, Deuteration, Degassing, and Additives

　　

有限寿命是超极化磁共振成像最突出的障碍。目前，[1-¹³C]丙酮酸是使用最广泛的代谢性超极化探针，但乳酸等代谢物的低信噪比（SNR）仍是关键挑战。由于给药后的弛豫难以调控，减少输送、纯化和给药过程中的极化损失是提高SNR的关键。为阐明控制[1-¹³C]丙酮酸T1的弛豫机制，研究人员评估了35种样品组成，磁场范围从几微特斯拉（μT）到9.4特斯拉（T），并改变溶剂和试剂的氘代程度、缓冲液类型和浓度、脱气状态及添加剂。场依赖的T1曲线揭示了每个因素的独特机制贡献，其中脱气和氘代在与临床转移条件相关的低场下影响最强。值得注意的是，缓冲液组成对T1产生了意外且显著的影响，这一发现在先前文献中基本被忽视。在优化条件下，[1-¹³C]丙酮酸在地磁场下的T1延长了近8倍，从约30秒延长至约230秒。这将20–60秒转移间隔后的极化损失降低了3.6–5.6倍，从而提高了SNR。这些发现对于丙酮酸以外的超极化探针也很重要，这些探针表现出更快的低场弛豫，并将从系统控制样品组成中获益更多。

**论文解读：系统优化[1-¹³C]丙酮酸弛豫时间的研究**

**研究背景与问题**
超极化（HP）技术能够将核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）信号增强多个数量级，但超极化态具有固有弛豫，导致信号快速衰减。目前，[1-¹³C]丙酮酸是应用最广泛的代谢超极化探针，然而在体实验中，其代谢产物（如乳酸）的信噪比（SNR）依然较低。极化损失主要发生在药物输送、纯化及给药过程中，而给药后的弛豫难以干预，因此减少这些环节的极化损失是提高SNR的关键。以往研究多关注极化技术和设备改进，但对磁场强度、样品化学组成及制备流程如何系统影响T1弛豫，缺乏全面定量分析。此外，溶解动态核极化（dDNP）产生的残留自由基、缓冲液种类、溶剂氘代、溶解氧等因素对弛豫的贡献尚不明确。为此，研究人员开展了系统的核磁弛豫色散（NMRD）研究，旨在阐明各因素对[1-¹³C]丙酮酸T1的影响机制，并优化样品配方以延长超极化寿命。该论文发表在《Small Science》。

**研究内容与主要方法**
研究人员利用磁场循环（MFC）系统耦合9.4 T高分辨率NMR，对35种不同组成的[1-¹³C]丙酮酸样品在7.8 μT至9.4 T之间的20–39个磁场点测量了T1弛豫，绘制了NMRD曲线。所有样品均处于中性pH，部分样品经脱气处理（氩气鼓泡和冻融循环）。添加物包括三苯甲基自由基（AH111501）、NaCl、EDTA、烟酰胺（NAM）、磷酸盐缓冲液（PBS）、三（羟甲基）氨基甲烷（Tris）缓冲液、HEPES缓冲液、维生素C及自由基过滤等。研究中还进行了dDNP超极化实验，验证热极化与超极化条件下T1的差异。数据分析采用双指数衰减拟合提取T1，并用梯度提升回归（GBR）机器学习模型进行成分优化。样本队列来源为实验室自行配制的35种样品组成（见表S1），以及部分经dDNP处理后的样品。

**结果与讨论**

*2.1 概览*
所有样品的NMRD曲线均呈现相似趋势：低场（7.8 μT–8 mT）T1相对平稳，中场（0.1–1 T）T1升高并出现平台，高场（9.4 T）T1下降。研究人员据此定义了低场（T1LF）、中场（T1IF）和高场（T1HF）三个区间。添加剂和溶剂变化对低场影响最大，对高场影响较小。

*2.2 水中添加剂筛选*
在水溶剂中，含261 μM三苯甲基自由基的样品T1LF最短，为27.4 s；加入PBS后T1LF增至45.7 s，增幅约50%。EDTA、Tris或二者组合能使T1LF达到45–55 s，而HEPES效果稍弱。NaCl和NAM仅小幅延长T1LF。各添加剂的T1LF与T1IF和T1HF呈正相关，但完整的NMRD才能分辨各因素贡献。

*2.3 Tris浓度对T1的影响*
Tris浓度从0 mM升至4.7 mM时，T1LF从30 s增至43 s；21.9 mM时达49 s，而200 mM时T1HF降至43 s。所有浓度下T1均高于无Tris样品。加入3.9 mM EDTA可进一步延长各场下的T1，增幅约2–10 s。

*2.4 NAM对T1的影响*
40.5 mM NAM使低场T1延长约4 s，但100 mM时T1IF和T1HF反而低于纯水，T1LF降至纯水水平。将NAM与Tris联用并未带来额外增益。

*2.5 溶剂氘代效应*
以D2O替代H2O作为溶剂，所有场下T1均显著延长：无添加剂时T1LF从30.9 s增至43.4 s，T1HF从41.8 s增至55.9 s。加入Tris和EDTA后，D2O样品T1LF达80.5 s，T1IF达74.9 s；最高T1在2 T时达到117.5 s（S15）。

*2.6 脱气与氧气影响*
对含EDTA的D2O样品进行脱气后，T1LF从81 s增至91 s；对含Tris和EDTA的D2O样品脱气，T1LF从84 s猛增至188 s。氧气引起的弛豫速率贡献（R1ΔO2）随溶剂和添加剂变化达五倍：H2O中约0.0015 s^?1，D2O中约0.0050 s^?1，D2O+Tris中约0.0065 s^?1。脱气在D2O及含Tris体系中收益最大。

*2.7 dDNP诱导杂质的影响*
仅将H2O在dDNP溶解模块中加热后，T1LF从30.9 s降至27.9 s；加入40 mM NAM可恢复至纯水水平以上。dDNP超极化样品的表观T1高于相同样品的热极化T1，归因于溶解过程中氦气取代了氧气。对溶解介质脱气并密封样品后，二者差异降至20%以下（1 T）或5%以下（9.4 T）。

*2.8 Tris的dDNP案例研究*
在真实dDNP实验中，含4.5 mM Tris的样品经15.2 s转移后极化度仅0.61%，1 T下T1为4.9 s；含40 mM Tris时，12 s转移后极化度为3.5%，1 T下T1为7.6 s。与不含自由基的热样品相比，dDNP样品的1 T T1缩短约7倍，凸显了自由基残留对超极化寿命的破坏作用。

*2.9 脱气、维生素C和自由基过滤的影响*
对dDNP后样品依次进行氩气鼓泡、添加维生素C和自由基过滤，T1LF从84.6 s逐步提高至115.6 s、108.5 s、172.2 s。然而，即使全部处理叠加，其T1LF（172.2 s）仍低于从未接触自由基和溶解模块的对照样品（188.0 s），而全氘代丙酮酸样品（S32）达224.5 s。

*2.10 分子相互作用*
基于结果提出四种可能的弛豫调控机制：缓冲剂与探针间的氢键作用（CIDER机制）；溶剂质子与13C的偶极耦合（D2O效应）；Tris、O2和丙酮酸的三方相互作用；以及微量金属阳离子的影响。其中氢键和偶极耦合有直接实验支持，而O2和金属机制仍需进一步验证。

*2.11 机器学习优化*
利用梯度提升回归模型训练11种化学特征，经差分进化优化得到各场强下的最佳配方。低场配方预测T1LF=231.6 s，与实验测得的S32（224.5 s）接近，说明当前样品已达到接近预期最大值的水平。

*2.12 局限性*
最优组成具有探针特异性，CIDER型氢键依赖添加剂与探针的匹配，其他底物需重新筛选。结果受平台和场地影响，且部分优化配方（如1.4 M NaCl）不具生物相容性，仅作为理论上限。

**总结与展望**
研究发现缓冲液组成是延长[1-¹³C]丙酮酸低场T1的关键因素，其中Tris效果最佳。通过溶剂氘代、脱气、添加EDTA及去除自由基等策略，地球场下T1可由约30 s延长至约230 s。在实践层面，优化的dDNP配方（S35）在地磁场转移30 s后可保留84%极化，而未优化的常规配方仅保留53%，对应极化损失减少三倍。研究人员建议在0.1–2 T磁场下进行样品的转移和操作，以获得最长T1。此外，溶剂氘代和去除顺磁杂质可推广至其他超极化探针及仲氢基超极化方法。临床MRI设备（1.5–3 T）的场强恰好处于T1较长区间，未来在血液和体内的实验将提供进一步验证。该研究为超极化探针的样品工程提供了系统框架，有助于提升超极化MRI的SNR和成像窗口。