生物响应性造影剂或智能造影剂（SCA）是一种能够根据局部环境的变化改变磁共振图像对比度的探针。它们对大脑生理的不同方面（如钙离子或氨基酸神经递质等）产生强烈的响应，从而极大地提高fMRI 测量的特异性。我们采用多种策略制备开发这些智能造影剂，并通过最新的尖端磁共振成像技术加以应用。经过完备的物理化学表征后，我们对其体内性能进行研究，旨在将神经元信号进行可视化，揭示大脑生理学的特异功能及重要见解。

我们正在开发以下类型的智能造影剂：

1. 钙离子响应造影剂

2. 锌离子响应造影剂

3. 神经递质响应造影剂

一些离子和分子对神经元信号传递至关重要，比如钙离子、锌离子、神经递质等，利用磁共振成像技术跟踪其波动对生物医学研究有重要意义。因此，我们开发了新型磁共振成像探针，这是一种集成了目标阳离子螯合剂和磁共振成像功能的分子。在与阳离子（钙或锌）发生选择性作用时，这些探针会交替改变其磁性，从而改变磁共振对比度 [1-2]。同样，为了开发对神经递质敏感的 SCA，我们采用了主客体化学的常用方法，以实现主SCA 与客体氨基酸神经递质分子之间的有效分子识别。为此，我们采用冠醚作为受体分子，与所需氨基酸进行相互作用[3]。

图 1. 本实验室开发的磁共振成像探针对神经信号转导（如钙离子、锌离子和氨基酸神经递质）的各个方面都有响应，在功能分子成像应用方面前景广阔。

 

我们利用不同的对比机制，记录不同核频率的磁共振信号，以便在目标阳离子或分子浓度变化时得到最大信号。除了用于传统 T1 和 T2 加权磁共振成像的 SCA 外，我们还在开发适用于基于氟的化学交换饱和转移（CEST）或超极化磁共振成像的探针 [4-6]。为了改善这些功能示踪剂的生物动力学特性并减少它们在体内的使用量，我们将它们与各种纳米尺寸和生物兼容的载体相结合，从而获得了用于fMRI 的多聚物、多对比度和多模式智能造影剂 [7-11]。

 

生物响应造影剂进行的fMRI研究

对上述提到的造影剂开展进一步的体内分子fMRI研究。新发展的fMRI技术将充分发挥其潜能，用于实现大量生物活动的可视化。我们的目标是建立具有高度特异性、可以评估神经信号各个方面的‘常规技术’。在这一阶段，上述合成开发的小分子和纳米级SCA将进一步用来开发新型功能性神经成像技术，具体研究内容如下：

a)     进行胞外钙离子和氨基酸神经递质的动态fMRI记录。外部刺激引起重要的脑内相关的生物学信号变化，此变化与载入的SCA相互作用，使不同神经活动的动态过程得以高时空分辨率地可视化。

b)    开展对不同离子的和靶向分子的浓度检测，如pH或金属阳离子。我们利用最新的MRI技术对SCA所在区域进行多次记录，实现对目标物浓度的准确定量分析。这个技术可以极大地拓宽现代神经成像领域中脑代谢和脑功能的研究。

 

从生物响应造影剂的设计到分子fMRI

在过去的研究期间，我们在开发各类磁共振成像造影剂方面都取得了显著进展。我们的专业知识经过多年的辛勤开发和积累，已经制备、分析并发表了大量具有生物响应性、目标特异性、多对比度和多模态造影剂。目前，我们拥有最大的钙离子响应磁共振成像造影剂库，也适用于质子频率和氟频率的MRI研究[1-2]。连同发表的锌离子响应的MRI造影剂[12]，这些造影剂都展现出与其他同类探针相比最高的体外MRI信号变化。此外，我们还开发了一系列对神经递质响应的MRI探针，用来探测很多氨基酸类的神经递质变化，如甘氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。[3、13-15]。

图 2. 对锌离子响应的磁共振成像探针实例，它在迄今为止所有文献报道的同类探针中表现出最佳的体外特性。 a) 探针与 Zn（II）相互作用后导致水合数增加的机理（下图），并通过记录一系列 13C NMR 光谱（上图）来证实；添加 Zn（II）后，13C 标记基团（星号标记）的宽泛和顺磁漂移信号强度恢复，并恢复到原来的化学位移。b) 两种类型实验（弛豫测定法和磁共振成像--分别为左侧和右侧）中不同浓度 Zn(II)在 HEPES、PBS 或人类血清中存在时的纵向弛豫变化（上图），以及这种相互作用在 Ca(II) 或 Mg(II) 等竞争离子存在时的影响（下图）。 注：本图中的实验是用 a) Eu(III) 和 b) Gd(III) 复合物进行的。

　　与此同时，我们利用化学合成方法修饰了已有的生物响应探针，制备了脂质体、纳米粒子、多聚体的MRI造影剂，在体外和体内实验中显示出极大优势[7-11]。这些纳米级造影剂具备良好的生物动力学性质，即较长的组织停留时间，易于进行后续修饰和功能优化等。

基于这些探针，我们进行了多项研究，以验证其在功能磁共振成像研究中的潜力。由本组合成的基于纳米粒子的钙离子响应造影剂是文献中报道的第一个能显示钙离子刺激下体内磁共振成像信号变化的探针[7]。最近，我们还利用钙离子响应磁共振成像探针研究了脑缺血性中风模型。我们的研究表明，通过分子 fMRI 方法可以早期检测和监测缺血性中风 [16]。这些研究都表明，这类造影剂对从分子和细胞层面上研究大脑功能具有无可替代的潜力和意义，更能给生物医学研究带来有价值的新见解。

图 3. a) 功能磁共振成像实验中使用的分子结构：生物响应造影剂（上图）、无响应对照造影剂（下图）以及生物响应造影剂与 Ca(II) 的相互作用机制（中图）。b) 注入磁共振造影剂后的数据分析：磁共振造影剂通过三个核磁共振切片的覆盖范围（上图），以及生物反应造影剂 T1 加权信号的 K-means 聚类图（中图）或分层聚类图（下图）。c) 使用生物响应造影剂（左）或非生物响应造影剂（右）并诱导大脑中动脉闭塞的实验（顶部）和使用生物响应造影剂（左）或非生物响应造影剂（右）但不诱导大脑中动脉闭塞的对照实验的去趋势信号。

参考文献：

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[16] T. Savić, G. Gambino, V. S. Bokharaie, H. R. Noori, N. K. Logothetis, G. Angelovski. “Early detection and monitoring of cerebral ischemia using calcium-responsive MRI probes”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2019, 116, 20666-20671.