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摘 要：采用超极化动态13C核磁共振技术成功监测了大鼠胎盘的代谢状况，从而开创了利用微创技术动态监测胎盘生理机能的历史，并有望应用于临床，对胎盘源妊娠疾病做出早期诊断和治疗。
关键词：13C核磁共振生物探针 胎盘源妊娠疾病
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。
另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。
本研究分别将超极化13C-bicarbonate、13C-urea和[1-13C]pyruvate通过尾静脉注射妊娠期E17-E20的大鼠体内，旨在通过这种新型的微创技术探究代谢废物CO2和尿素在母胎界面的动态转运情况以及丙酮酸在胎盘细胞中的代谢情况
妊娠大鼠的超极化13C-碳酸氢盐检测
在生物体内，碳酸氢盐通过CO2/HCO3-缓冲体系维持机体酸碱平衡。为缓解由胎儿呼吸产生的二氧化碳酸性副产物的影响，经由胎盘转运二氧化碳和碳酸氢盐是维持孕体酸碱平衡的重要途径。二氧化碳可以自由穿过胎盘滋养层细胞膜，而与之不同的是，带负电荷的HCO3-需要通过阴离子交换转运蛋白家族主动转运。为研究这一生理过程，实验人员将3mL的100mM 超极化13C-碳酸氢盐（HP 13C-bicarbonate）通过尾静脉注射E17-E20妊娠大鼠（n = 7）。图中所示的动态13C影像显示了原始的HP 13C-碳酸氢盐变化结果：13C信号能被清晰捕捉到的时间约持续16秒。在母体动脉中，超极化碳酸氢盐信号最强且持续时间最长。该信号也可在胎盘中观察到，但在胎儿器官中检测不到。当把碳酸钠替换成信号更为敏感的碳酸铯时，情况也是如此。同时，胎盘和母体动脉均表现出强烈的13C-碳酸氢盐信号，并经历单调衰减。这些结果说明，胎盘可能是一个HCO3-库，用以维持该区域的酸碱平衡。
原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，I值为1/2的核在外磁场作用下 只有两种取向，各相当于m=1/2 和m=-1/2，这两种状态之间的能量差ΔE值为
ΔE=γhB0/2π
一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收ΔE的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频 率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核 吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当频率为ν射的射频照射自旋体系时，由于该射频的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的条件为
hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0） ①
目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振 （Proton Magnetic Resonance），简称 PMR，也表示为1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）简称 CMR，也表示为13C-NMR。
结论
无创监测胎盘功能是妇产科临床前诊断领域的一项重大挑战。通过HP MRI和MRSI手段监测注射入啮齿类动物体内13C标记代谢物的变化为在体研究胎盘代谢及生理学功能提供了便利。同时，胎盘丰富的血流灌注并具有相当程度的物质穿透特性都有助于这些超极化标记物在胎盘局部快速定位。此外，PE动物模型揭示了尿素摄入和[1-13C]丙酮酸转化为乳酸的差异，这也提示这种技术在正常发育和异常发育胎盘之间可以做出明确的区分。因此未来可将这种微创技术应用于临床的诊断与研究。
尽管本研究开创了采用微创技术监测胎盘生理功能的新篇章，但其應用还具有很大的局限性，比如绘制不同胎儿器官的代谢图谱和在体实时测定胎盘的pH动态变化尚无法实现。如何更加详细地表征PE动物模型中所观察到的各种代谢物变化也无法做到。这些目标的实现还需要通过联合超极化、弥散加权和造影剂灌注的磁共振成像等更复杂的检测手段。
参考文献
[1]Overhauser AW. Polarization of nuclei in metals. PhysRev， 1953， 92（2）： 411-415.
[2]Ardenkjaer-Larsen JH， Fridlund B， Gram A， Hansson G， Hansson L， Lerche MH， Servin R， Thaning M & Golman K. Increase insignal-to-noise ratio of > 10，000 times in liquid-state NMR. Proc Natl Acad Sci USA. 2003， 100（18）：10158-63.
[3]Hurd RE， Yen YF， Chen A & Ardenkjaer-Larsen JH. Hyperpolarized 13Cmetabolic imaging using dissolution dynamic nuclear polarization. JMagn Reson Imaging. 2012， 36（6）：1314-28.Dec;36（6）：1314-28.
[4]Comment A & Merritt ME. Hyperpolarizedmagnetic resonance as a sensitive detector of metabolic function. Biochemistry. 2014， 53（47）：7333-57.
[5]Keshari KR & Wilson DM. Chemistry andbiochemistry of 13C hyperpolarized magnetic resonance using dynamicnuclear polarization.ChemSoc Rev. 2014， 43（5）：1627-59.
[6] Siddiqui S， Kadlecek S， Pourfathi M， Xin Y， Mannherz W， Hamedani H， Drachman N， Ruppert K， Clapp J & Rizi R. The use ofhyperpolarized carbon-13 magnetic resonance for molecular imaging. AdvDrug Deliv Rev. 2017， 113：3-23.
[7]Marleau AM， Greenwood JD， Wei Q， Singh B & Croy BA. Chimerism of murine fetal bone marrow by maternal cells occurs in late gestation and persists into adulthood. Lab Invest. 2003， 83（5）：673-81.
关键词：13C核磁共振生物探针 胎盘源妊娠疾病
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年代以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。
另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯尔于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用他的设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊地内部结构图像。
本研究分别将超极化13C-bicarbonate、13C-urea和[1-13C]pyruvate通过尾静脉注射妊娠期E17-E20的大鼠体内，旨在通过这种新型的微创技术探究代谢废物CO2和尿素在母胎界面的动态转运情况以及丙酮酸在胎盘细胞中的代谢情况
妊娠大鼠的超极化13C-碳酸氢盐检测
在生物体内，碳酸氢盐通过CO2/HCO3-缓冲体系维持机体酸碱平衡。为缓解由胎儿呼吸产生的二氧化碳酸性副产物的影响，经由胎盘转运二氧化碳和碳酸氢盐是维持孕体酸碱平衡的重要途径。二氧化碳可以自由穿过胎盘滋养层细胞膜，而与之不同的是，带负电荷的HCO3-需要通过阴离子交换转运蛋白家族主动转运。为研究这一生理过程，实验人员将3mL的100mM 超极化13C-碳酸氢盐（HP 13C-bicarbonate）通过尾静脉注射E17-E20妊娠大鼠（n = 7）。图中所示的动态13C影像显示了原始的HP 13C-碳酸氢盐变化结果：13C信号能被清晰捕捉到的时间约持续16秒。在母体动脉中，超极化碳酸氢盐信号最强且持续时间最长。该信号也可在胎盘中观察到，但在胎儿器官中检测不到。当把碳酸钠替换成信号更为敏感的碳酸铯时，情况也是如此。同时，胎盘和母体动脉均表现出强烈的13C-碳酸氢盐信号，并经历单调衰减。这些结果说明，胎盘可能是一个HCO3-库，用以维持该区域的酸碱平衡。
原子核的每一种取向都代表了核在该磁场中的一种能量状态，I值为1/2的核在外磁场作用下 只有两种取向，各相当于m=1/2 和m=-1/2，这两种状态之间的能量差ΔE值为
ΔE=γhB0/2π
一个核要从低能态跃迁到高能态，必须吸收ΔE的能量。让处于外磁场中的自旋核接受一定频 率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核 吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。当频率为ν射的射频照射自旋体系时，由于该射频的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的条件为
hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0） ①
目前研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振称为质子磁共振 （Proton Magnetic Resonance），简称 PMR，也表示为1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）简称 CMR，也表示为13C-NMR。
结论
无创监测胎盘功能是妇产科临床前诊断领域的一项重大挑战。通过HP MRI和MRSI手段监测注射入啮齿类动物体内13C标记代谢物的变化为在体研究胎盘代谢及生理学功能提供了便利。同时，胎盘丰富的血流灌注并具有相当程度的物质穿透特性都有助于这些超极化标记物在胎盘局部快速定位。此外，PE动物模型揭示了尿素摄入和[1-13C]丙酮酸转化为乳酸的差异，这也提示这种技术在正常发育和异常发育胎盘之间可以做出明确的区分。因此未来可将这种微创技术应用于临床的诊断与研究。
尽管本研究开创了采用微创技术监测胎盘生理功能的新篇章，但其應用还具有很大的局限性，比如绘制不同胎儿器官的代谢图谱和在体实时测定胎盘的pH动态变化尚无法实现。如何更加详细地表征PE动物模型中所观察到的各种代谢物变化也无法做到。这些目标的实现还需要通过联合超极化、弥散加权和造影剂灌注的磁共振成像等更复杂的检测手段。
参考文献
[1]Overhauser AW. Polarization of nuclei in metals. PhysRev， 1953， 92（2）： 411-415.
[2]Ardenkjaer-Larsen JH， Fridlund B， Gram A， Hansson G， Hansson L， Lerche MH， Servin R， Thaning M & Golman K. Increase insignal-to-noise ratio of > 10，000 times in liquid-state NMR. Proc Natl Acad Sci USA. 2003， 100（18）：10158-63.
[3]Hurd RE， Yen YF， Chen A & Ardenkjaer-Larsen JH. Hyperpolarized 13Cmetabolic imaging using dissolution dynamic nuclear polarization. JMagn Reson Imaging. 2012， 36（6）：1314-28.Dec;36（6）：1314-28.
[4]Comment A & Merritt ME. Hyperpolarizedmagnetic resonance as a sensitive detector of metabolic function. Biochemistry. 2014， 53（47）：7333-57.
[5]Keshari KR & Wilson DM. Chemistry andbiochemistry of 13C hyperpolarized magnetic resonance using dynamicnuclear polarization.ChemSoc Rev. 2014， 43（5）：1627-59.
[6] Siddiqui S， Kadlecek S， Pourfathi M， Xin Y， Mannherz W， Hamedani H， Drachman N， Ruppert K， Clapp J & Rizi R. The use ofhyperpolarized carbon-13 magnetic resonance for molecular imaging. AdvDrug Deliv Rev. 2017， 113：3-23.
[7]Marleau AM， Greenwood JD， Wei Q， Singh B & Croy BA. Chimerism of murine fetal bone marrow by maternal cells occurs in late gestation and persists into adulthood. Lab Invest. 2003， 83（5）：673-81.