MRI 创新揭示了细胞在器官和组织中的能量活动

了生存，体内的每个细胞都会投入巨大的能量来维持水和必需电解质的适当平衡。俄勒冈健康与科学大学的研究人员已经开发出一种方法，可以使用磁共振成像 (MRI) 扫描来详细绘制人脑和其他器官中的这种活动。

脑组织半对数SDE DWI衰减到超大b值；(a) 600,000 秒/(毫米)2, (b) 70,000 秒/(毫米) 2. 在面板 a 中，黑色菱形来自醒着的人类大脑皮层 (92) 的 ROI，红色 (62) 和绿色 (60) 菱形来自麻醉的大鼠大脑 ROI，在插图中以白色框显示；分别是上层和下层。衰减基本上是完美叠加的，即使黑色和红色数据是使用 SDE 梯度 [-CT] 获取的，而绿色数据具有扩散时间 [-CG] 增量。黑色和红色面板 a 数据在面板 b 中分别放大为深灰色和红色圆圈。此外，白色圆圈是来自同一人脑 (92) 的 WM ROI 的数据，而浅灰色圆圈表示来自不同清醒、静止人脑的左扣带回的 SDECT 数据 [插图矢状图像中的红色 ROI] (74)。在非常大的 b 值处存在有意义的信号 [S]。

这项称为代谢活动扩散成像 (MADI) 的创新为检测癌症和揭示肿瘤是否对治疗有反应开辟了新的可能性。在即将进行的招募神经胶质瘤脑肿瘤受试者的临床试验中，研究人员将 MADI 与正电子发射断层扫描 (PET) 进行比较，后者使用注射的放射性物质来创建细胞能量产生率的图像。

“MADI 是一种以高空间分辨率制作器官和组织内代谢活动图像的新方法，而且它是完全无创的，”OHSU 高级成像研究中心教授、发明家 Charles Springer 博士说。“原则上，这种方法几乎可以应用于任何病理学。现在，我们正在将它推向癌症和神经科学的方向。”

在使用大鼠的动物模型中，OHSU 研究人员已经表明，MADI 可以像 PET 一样有效地检测和监测脑肿瘤，但不需要注射任何类型的示踪剂或造影剂。

“它告诉我们更多关于细胞内部在离子传输、水传输、能量生产方面发生的事情，因此我们认为它肯定对癌症和其他疾病有用，”副教授 Martin Pike 博士说。与领导神经胶质瘤研究的 OHSU 高级影像研究中心合作。

MADI 还提供比 PET 更高分辨率的图像。“它可以解决肿瘤内部代谢活动的区域，”斯普林格说。“目前用于绘制代谢活动图的临床方法都没有空间分辨率来测量除最大肿瘤外的任何代谢变化。”

OHSU 医学院放射诊断学副教授、医学博士 Ramon Barajas 正在合作开展神经胶质瘤研究，他指出，帮助弄清楚肿瘤的不同部分是如何工作的对于做出诊断非常有用。

发现分子机制

MRI 通过使用强大的磁场来创建内部器官的极其详细的视图。磁场使水分子中的氢原子核与磁场对齐。然后 MRI 扫描仪以共振频率传送无线电波脉冲。作为回应，磁化的氢核重新发射无线电波，产生信号，这些信号被 MRI 扫描仪拾取以创建图像。

MADI 建立在一种称为扩散加权 MRI 的技术之上，该技术跟踪水分子在组织中的运动。自 1990 年代以来，弥散加权 MRI 已广泛用于医学，特别是脑成像以检测中风损伤和监测治疗。该技术无需注射造影剂即可提供快速且信息丰富的结果。它还被证明对检测和研究肿瘤和其他疾病过程很有用。

但是科学家们还没有完全理解控制水分子如何穿过组织并导致变化成为弥散 MRI 中中风和肿瘤可见信号的分子机制。

Springer 和他的同事们追求细胞膜通过主动控制水分子进出细胞的运动而发挥主要作用的想法。他们的研究表明，水分子穿过细胞膜的概率在很大程度上取决于称为钠钾泵的关键酶。它们跨越细胞膜并泵出钠和泵入钾，这一过程也为水分子的运输提供动力。

“通过了解水交换与泵活动有关，我们能够意识到我们可以制作 MRI 图像来绘制钠钾泵的活动图，”Springer 说。

独立专家在一篇社论中称其为“令人信服的机制假设”，。

第一次测量细胞能量

研究人员使用数学建模和计算机模拟来生成有关水分子运动的信息，以计算和绘制钠钾泵活动。这种活动对活细胞至关重要，可以用来衡量持续使用能量的速度。

“它就像一个灯泡，一直在燃烧，告诉你细胞从葡萄糖和其他营养物质的分解中产生了多少能量，”斯普林格说。直到现在，还不可能测量生物体内的这种活动。

癌症极大地改变了细胞中的能量使用，这在使用神经胶质瘤脑肿瘤动物模型的 MADI 研究中清晰可见。“在动物身上，我们已经能够检测癌症、监测癌症和监测治疗以及 PET，”派克说。“我们希望我们也能在人类身上证明这一点。”

神经放射学家巴拉哈斯告诫说，还有很多科学研究要做。“我们真的必须验证这一点，并确保我们正在做的事情在生物学上是正确的。”

他说，一种更详细、更准确的扫描方法将大大有利于脑肿瘤患者。“如果我们弄错了并停止了实际有效的治疗，我们会将他们送到手术室进行不一定需要的手术，”他说。“当我们弄错了，肿瘤在生长，而我们说它没有生长时，我们就会阻止那个病人更快地接受新疗法。”

更快、更便宜、更易于成像

计划中的临床试验旨在招募约 12 名患有神经胶质瘤脑肿瘤的成年人。他们的大脑将使用 OHSU 的 PET/MRI 混合扫描仪进行扫描——该扫描仪于 2021 年安装在太平洋西北部地区。混合扫描仪将使直接比较 PET 与 MADI 技术在人类受试者中的表现成为可能。

如果 MADI 被证明有效，它可能会给患者带来很多好处。该过程是非侵入性的，比 PET 耗时更少，只需几分钟而不是几小时。它可能比 PET 更便宜且更广泛使用。

而且，MADI 可以使用传统的 MRI 设备来完成。

巴拉哈斯说：“PET 成像是护理标准，但患者只能在城市地区使用。” “我认为将 MADI 作为另一种标准 MRI 序列进行处理的能力将真正为更多不住在城市中心附近的患者打开这种成像的途径。”