编者按

2019年8月，中国科学院大学博士生导师、中国科学院武汉物理与数学研究所研究员周欣领导的研究团队发现了世界上具有最高场化学位移的抗磁性CEST MRI（磁共振成像）造影剂(porphyrins and chlorin)，与人体内源性的物质CEST完全没有信号重叠，并在活体肿瘤上证明了其MRI信号灵敏度的增强与持久。生物中血红素合成过程产生卟啉类代谢物，CEST成像可以提供有关卟啉病等血液代谢疾病的信息。另外，卟啉作为常用光动力学治疗的光敏剂，是一种诊疗一体化MRI探针。

来自该课题组的国科大博士生张肖肖、袁亚平将相关成果“Free-Base Porphyrins as CEST MRI Contrast Agents with Highly Upfield Shifted Labile Protons”以Rapid Communication形式发表在“Magnetic Resonance in Medicine”期刊上，被选为editor pick文章以及进行了相关采访。

该项成果的最初研究方向是如何确认的？这两位博士生在周欣课题组度过了怎样的博士研究生生活？今天，晓薇邀你一同了解。

“大概在2016年，课题组的一次组会报告中，我的同学曾庆斌展示了他最近的工作进展。其中有一页卟啉的氢谱，在-2~-3 ppm之间有一个小小的峰。当时我很好奇，就问了一下这是什么信号。组里的郭茜旎老师在这方面有丰富的经验，说这是卟啉环内氢的信号，原因是卟啉的大的共轭效应产生超强的屏蔽效应导致环内氢向高场方向偏移。后来我仔细查阅相关资料，发现许多常见卟啉内化合物的氢谱，确认了这一现象。”谈及最初确认研究方向时张肖肖说。

2017年，周欣邀请约翰霍普金斯医学院的Micheal McMahan来研究所作化学交换饱和转移成像（CEST-MRI）方面的研究报告，展示了化学交换饱和转移这一磁共振成像方法的优点与不足。张肖肖惊奇的发现他展示的相关研究的质子的化学位移都是在低场区域（化学位移大于0），而高场区域只有NOE信号。会后他就这一问题与Micheal McMahan和周欣进行了讨论，也回想起了卟啉环内氢的特征信号，意识到卟啉有可能实现第一例高场化学交换饱和转移成像。

他在了解到这一方案的可行性之后迅速去实验室找了水溶性的四羧基卟啉，配成溶液进行测试。20分钟左右，他就采集到了四羧基卟啉的完整Z-谱，其CEST信号在-10 ppm左右。这个结果甚至出乎所有人的意料。他立即去找组内的伙伴袁亚平进行讨论，随即袁亚平着重对CEST序列进行了编写和优化。

“我刚开始接触磁共振成像时，对化学交换饱和转移（CEST）这种无金属离子参与的磁共振造影方法产生兴趣，并开始着手编写和测试CEST脉冲序列。我们课题组有多个不同领域的学科交叉，张肖肖在进行样品磁共振测试时经常与我讨论磁共振造影剂的设计问题。后来他发现卟啉结构的氨基质子具有奇特的高场化学位移时，我们立刻开始了卟啉的CEST性质表征。在此过程中，我们的序列方法和图像处理也在不断完善，这是一次化学与磁共振技术的巧妙结合。”袁亚平说。

在攻读博士研究生学位期间，张肖肖和袁亚平始终保持着对科研工作的嗅觉，很多大家习以为常的小信号，对其进行重新思考后，会有新的发现和应用。不同学科领域之间的思考碰撞往往也能产生新的火花。对卟啉信号的重新审视，才有了第一个抗磁性高场CEST造影剂。

一个人的发展，更离不开支持平台。他们坦言，自己读博期间的成果离不开研究所的平台、老师的教导和同学们的帮助。谈及自己的导师周欣，他不仅是他们科研上的引路人，更是自己的人生榜样。导师的意见与见解给了他很多的启发与动力，遇到瓶颈时，老师的小小点拨有时可以让他豁然开朗。

2009年，周欣回国，从一台400M磁共振谱仪起步，逐步打造了一个较大的研究平台，人员规模也逐渐扩大至50余人。其中许多不同背景的职工和学生，涵盖了物理，生物和化学等，目的就是让不同领域的学科交叉融合，而这个课题也是在这样类似的讨论中发现和实施的。

正是因为有这样的科研平台，才能让同学们有机会去解决自己发现的问题并进行验证，导师悉心的指导，使得他们在科研路上更加得心应手。

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成果简介

化学交换饱和转移(Chemical exchange saturation transfer, CEST)是一种新型的MRI分子成像技术。CEST成像不需要借助于顺磁性的Gd3+、Fe3+或者Mn3+等重金属离子，利用抗磁性的生物有机分子就可以实现磁共振成像。CEST造影剂的主要缺点是可交换质子和水质子之间的化学位移差较小，饱和脉冲的偏共振效应会直接降低水质子的信号；并且信号易与很多内源性CEST信号重叠，有较大背景干扰。目前在这一研究领域，大部分抗磁性CEST造影剂的可交换质子都位于相对水的低场区域(化学位移大于水质子化学位移)，而其高场区域(化学位移小于水质子化学位移)的CEST信号未见报道。这项工作中我们报道了第一列高场抗磁性CEST-MRI造影剂，其化学位移分布在极少背景信号的高场区域，可以有效的提高CEST成像灵敏度。我们同时对卟啉环上取代基效应进行了研究，发现环上的取代基对可交换质子的化学位移和交换速率起着至关重要的作用。不同取代基卟啉的化学位移分布在-9至-13.5 ppm，其中血卟啉是目前报道的化学位移最大的抗磁性CEST造影剂。活体实验证明该造影剂可以很好的对肿瘤部位成像，并且可以避免背景信号的干扰，从而提高CEST检测的灵敏度。研究结果可能有助于将MRI与光医学结合起来，用于光学成像导向的手术和光动力治疗，实现多模态成像和诊疗一体化研究。

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文字整理：李振千

原标题：《大家习以为常的小信号，他们有了新发现》