磁共振新技术突破：精准测量细胞代谢关键物质

磁共振新技术突破：精准测量细胞代谢关键物质

近日，荷兰马斯特里赫特大学医学中心Vera B. Schrauwen-Hinderling教授团队在磁共振波谱（MRS）技术领域取得重要突破。研究团队开发了一种新的双自旋回波改进的z-滤波器（DEMz）序列，成功解决了传统31P-MRS方法中α-ATP信号与NADH和NAD+共振重叠的问题，实现了对这两种重要代谢物的定量测量。

研究背景

NADH和NAD+是细胞代谢过程中重要的电子供体和受体，在线粒体生物生成和代谢健康中发挥着关键作用。与传统的代谢物检测方法相比，基于磁共振波谱（MRS）的技术具有非侵入性、高灵敏度等优点，使得在人体内定量测量这些代谢物成为可能。然而，现有的31P-MRS方法由于α-ATP信号与NADH和NAD+的共振重叠，导致其定量分析受到限制。

创新方法与实验验证

针对这一挑战，研究团队设计了一种新的双自旋回波改进的z-滤波器（DEMz）序列，通过抑制α-ATP信号，有效地实现了NADH和NAD+的定量测量。利用这一创新方法，研究人员在健康志愿者中进行了验证，发现缺血条件下NAD+水平显著降低，而NADH水平显著升高，符合预期的生理变化。

此外，该研究还对比分析了身体活动水平不同的老年人群体，发现身体活动较多的个体NAD+含量显著高于久坐不动的个体，而NADH含量则相对较低。这一结果进一步证明了代谢健康与NAD+/NADH比率之间的密切关系，提示该技术在评估和监测代谢健康方面的潜在应用价值。

技术细节与未来展望

在实验中，研究团队通过31P磁共振波谱（MRS）技术和新开发的双回波改良z-过滤序列（DEMz），成功检测到了肌肉中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的相对浓度变化。这一发现揭示了在缺血过程中生理变化的动态过程，并为不同代谢健康水平组别之间的生理差异提供了新的理解。

针对NAD+和NADH的检测难度，研究团队通过深入分析其微观机理，尤其是涉及α-ATP的J耦合现象，提出了一种有效的谱编辑方法，以抑制α-ATP的信号，从而提高NAD+和NADH的检测灵敏度。具体而言，研究团队在31P MRS实验中利用了耦合自旋的相位演化特性，设计了具有相位消除特性的序列，使得α-ATP的信号被有效抑制，从而实现对NAD+和NADH的准确测量。

在此基础上，研究团队结合多核临床扫描仪进行了一系列实验。首先在两室模型中验证了DEMz序列的准确性，接着在健康志愿者中测试了其重现性，并进行了一项原理验证实验，以检测缺血诱导的生理变化。这些实验结果表明，DEMz序列在临床强度下能够有效地捕捉到NAD+和NADH的相对浓度变化，揭示了缺血对细胞代谢的影响，特别是在不同代谢健康状态群体中的差异。

此外，研究团队还能够定量测量NAD+和NADH的绝对浓度，并在未来的研究中，通过确定T2弛豫时间，进行相应的T2修正，从而实现更加精确的代谢物定量分析。这一进展为理解细胞能量代谢、代谢疾病的发病机制提供了重要的科学依据。

原文信息

Mevenkamp, J., Bruls, Y.M.H., Mancilla, R. et al. Development of a 31P magnetic resonance spectroscopy technique to quantify NADH and NAD+ at 3 T. Nat Commun 15, 9159 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53292-4