动态核极化技术在检测生物标志物中的应用│NSR综述

近日，《国家科学评论》（National Science Review, NSR）在线发表了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院刘买利院士和周欣研究员等的综述文章“Detecting biomarkers by dynamic nuclear polarization enhanced magnetic resonance”（动态核极化增强磁共振检测生物标志物）。在这篇综述中，作者系统地总结了近几年动态核极化技术在肿瘤生物标志物检测中的最新研究进展。

生物标志物的精准检测在识别疾病状态、了解疾病进展以及疾病预后等方面发挥着关键作用。磁共振技术因具有非电离辐射、原子分辨率和良好的软组织对比度等优势，在生物标志物检测领域占据重要地位。然而，磁共振技术的一个重大挑战在于灵敏度相对较低。动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization, DNP）作为超极化技术之一，其磁共振灵敏度最大增强倍数可达到1H的660倍和13C的2600倍。DNP方法可用于多种原子核的超极化，克服磁共振灵敏度较低的缺陷，进而有利于开发出系列用于生物标志物检测的超极化响应型探针。本综述聚焦近期研发的DNP超极化响应型探针，对其在生物标志物（pH、金属离子、酶、活性氧等）检测中的应用进行综述，挖掘了DNP响应探针在复杂生物过程检测中的潜力。

图1. 超极化生物响应探针的磁共振功能分子影像的增强原理及检测单元

DNP是利用微波极化电子自旋，然后将其转移至原子核自旋的一种超极化技术。与传统提高磁场强度的热极化技术相比（增强倍数小于10倍），DNP使原子核自旋极化度大大增加，能增强磁共振信号强度百倍至千倍。DNP响应型探针对分子、蛋白等疾病关键标志物快速动态过程的精准检测仍然是热门研究领域。DNP响应型探针的检测机制通常依赖于肿瘤微环境响应探针化学位移、弛豫时间或信号强度的变化，使其在疾病生物标志物（pH、金属离子、酶、活性氧等）检测中充当强有力的指示器。肿瘤的发生发展经常伴随微环境的改变，如肿瘤细胞无氧糖酵解产生大量乳酸导致的间质pH降低、金属离子稳态改变、酶代谢途径波动和氧化还原稳态失衡。针对肿瘤微环境中以上四个关键特征，作者系统总结了DNP响应型探针的设计策略、探讨了相关联的DNP响应型探针在生物标志物检测中的应用，为活体生物标志动态分析、肿瘤发生发展过程监测、疾病预测和个性化治疗指导提供了一种快速、非侵入性的成像方法（图1）。DNP技术可赋予探针优异的磁共振性能，包括长弛豫时间、无背景信号干扰、宽化学位移范围、多种核素同时检测，有望应用于临床医学成像。

陈世桢研究员和张磊研究员为该文章的第一作者，周欣研究员和刘买利院士为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院的支持。