前言
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社论 | 自然·生物医学工程
使用新方法提高磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）所检测的组织或结构的对比灵敏度与分辨率将拓宽其适用性。
*该图片来自网络
MRI扫描仪本质上是一块巨大的超导磁铁，激活磁场后躺在扫描仪中人组织中水分子的氢质子的轴会与梯度线圈产生的磁场重新对齐。其中大约一半面向磁场方向，大约另一半面向相反方向。同时，每个被检查者都有一个射频线圈，靠近被扫描的身体部位。该线圈是一种无线电收发器，可以通过射频(RF)波与氢原子进行通信。这些波的频率与常见FM电台的频率接近。技术人员使用该线圈向被检查的身体部位发送射频脉冲。脉冲经过精确定时以实现氢质子的共振。质子释放出微弱的电磁能，扫描仪的梯度线圈系统将其检测、放大和数字化输出，然后对输出进行计算处理，将信号重建为组织图像。通过调整无线电和磁脉冲的强度和时间，临床 MRI 扫描仪可以分辨几毫米的组织结构。当然，实际空间分辨率还取决于磁场强度、接收线圈的特性等。
在疾病诊断或监测期间，改变MRI扫描仪的空间分辨率可能比改变对比敏感度（检测结构异常或同一组织内的其他变化）和对比分辨率（区分具有不同对比度的组织）更加容易。因为通过使用更好的线圈或更高的磁场强度来增强这两种类型的对比度，会增加系统的信噪比，需要使用不同的成像序列和协议以从成像组织中捕获更多信息（例如水扩散率），以及借助机器学习方法进行图像配准和分割等后处理方法。
两种常用的对比增强策略是多参数 MRI（即在单次扫描中获取多个互补对比源）以及使用对比剂。具体来说，MRI 可以检测质子密度以及质子纵向和横向弛豫时间的差异。它还可以通过影响相邻水质子弛豫特性的顺磁或超顺磁剂使用外源性对比源。例如，钆化合物和氧化铁纳米颗粒通常用于增强血管的对比度（因此它们可以帮助检测病变；但是，钆造影剂可能会导致患有肾脏疾病的人发生肾源性系统性纤维化)。氧化铁和氧化锰的纳米颗粒可用于检测淋巴结、肝脏和脾脏组织，以及脑和心脏组织。除了磁敏性之外，造影剂还可以设计为与特定疾病生物标志物结合，或改变其磁性以响应环境变化。
该篇社论提到了三种可能拓宽MRI适用性的研究：
在第一项研究中，Haiming Fan 及其同事报告了一种对肝细胞具有高特异性的含锰超小纳米颗粒的开发，作为肝脏和胆道系统（胆囊、胆管和胰管）成像的造影剂。纳米颗粒提高了对比剂的灵敏度和分辨率，对比剂是临床上用于肝胆 MRI 的典型对比剂 gadoxetate disodium。在兔子、猪和猕猴中，纳米颗粒可以提高早期肝肿瘤的检出率，并更准确地评估胆道阻塞。肝脏特异性 MRI 造影剂可以更好地为肝脏肿瘤的诊断提供信息，特别是对于肝硬化和肝炎患者。
Ruiliang Bai、Yingchao Liu 和合著者在另一项研究中表明，水交换动态对比可以增强 MRI——利用基于钆的造影剂检测水分子在细胞膜上的扩散——用于量化跨膜水通道蛋白 aquaporin-4 在神经胶质瘤中的表达程度。如下图所示，穿过水通道的跨膜水流出率与啮齿动物和人类神经胶质瘤中肿瘤的增殖阶段相关，因此测量的水流出率可用作该癌症的诊断和预后生物标志物。水交换动态对比增强 MRI 也可能有助于识别对治疗有抵抗力的神经胶质瘤。事实上，在随附的新闻与观点文章中，Thomas Ruan 和 Kayvan Keshari写道，水通道蛋白-4 表达的量化可能用于指导神经胶质瘤患者的治疗，因为高水流出率的肿瘤更容易接受化疗。
在另一项研究中，Alan Jasanoff 及其同事表明，通过使用专门设计的光敏纳米粒子探针，MRI 可用于绘制活体组织中光的空间分布图。探针由一个基于钆的顺磁造影剂的储库组成，该造影剂被包含光敏脂质的脂质体膜包围，入射光的光致异构化改变了顺磁分子的纵向弛豫加权对比度（通过顺磁金属之间的流体动力学交换的变化中心和周围的溶剂穿过膜）。通过将纳米粒子探针注入老鼠的大脑，作者将磁响应映射到与光刺激、光度测定和光疗相关的光照分布图。Aruna Singh 和 Michael McMahon 在之后的 News & Views 文章中强调，基于 MRI 的光映射方法“在使用光学成像表征或操纵脑回路时可能有助于规划实验程序和解释实验结果”。
当结合其他临床成像方式，特别是正电子发射断层扫描 (PET) 时，MRI 可以揭示疾病之间的相互作用，例如动脉粥样硬化和免疫紊乱（骨髓代谢的变化如何影响动脉粥样硬化斑块的水平)，正如 Zahi Fayad、Willem Mulder 与其合著者在一篇前沿展望文章中所讨论的那样：PET/MRI 实际上可以帮助指导针对动脉粥样硬化及其相关合并症的免疫调节药物的开发。
成像方式的成熟化并不会表现在其方方面面的进步。事实上，正如文章中提到的研究所揭示的那样，由于技术的不断进步，MRI 的适用范围可以继续扩大。
参考文献
1. Nat. Biomed. Eng. 6, 495–496 (2022).
2. Woolen, S. A. et al. JAMA Intern. Med. 180, 223–230 (2020).
3. Na, H. B., Song, I. C. & Hyeon, T. Adv. Mater. 21, 2133–2148 (2009).
4. Ding, B. B., Zheng, P., Ma, P. A. & Lin, J. Adv. Mater. 32, 1905823 (2020).
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编辑 | 罗虎
来源 | Nature Biomedical Engineering
审核 | 医工学人
本篇文章来源于微信公众号: 医工学人
