Nat Commun 北京化工大学侯毅教授团队发展心脑血管疾病诊断的超灵敏磁共振血管造影“连环计”

心脑血管疾病，包括冠心病、急性缺血性中风、动静脉血栓等，已成为世界公众健康的重大威胁。血管造影术可以提供血管结构及功能异常的可视化信息，对于血管相关疾病的早期诊断和有效治疗至关重要。磁共振血管造影术(MRA)由于具备无电离辐射、高空间分辨率以及不受限的组织穿透深度的诸多优势，已成为血管异常可视化中不可或缺的临床成像模式。目前，多种磁共振血管造影序列已经被开发，并广泛应用于心脑血管疾病的临床诊断。例如，飞行时间(TOF)和相位对比度(PC)磁共振血管造影术可以区分静止组织中快速流动的血液，从而对血管系统进行成像。然而，对于具有复杂结构或血流速度缓慢的血管系统，这些血流速度依赖的非对比增强序列所获得的血管造影图分辨率仍不理想。在这种情况下，引入外源性造影剂可以大幅增强血液磁共振信号，使复杂血管系统的可视化成为可能。

在临床诊断中，顺磁性小分子Gd螯合物是主要的磁共振T₁造影剂。然而，小分子Gd螯合物造影剂的一些缺点阻碍了其在血管造影中的应用。首先，由于流体动力学尺寸较小，这些小分子造影剂表现出相对较短的旋转相关时间(τ_R)，导致其纵向摩尔弛豫率r₁相对较低。此外，这些小分子造影剂在静脉注射后，会很快从血管内皮细胞的间隙渗出，分布在组织的细胞外空间，导致造影剂血液循环时间很短。这种情况下，血管成像必须在造影剂注射后的几秒钟到几十秒钟内快速获取，导致血管造影图像的分辨率有所不足。因此，实现高分辨率磁共振血管造影，特别是对于微小血管的准确描绘，仍然面临着巨大的挑战。

2023年10月2日，北京化工大学的侯毅教授团队与海军军医大学李威教授课题组合作，在Nature Communications发表了题为“Hypersensitive MR angiography based on interlocking stratagem for diagnosis of cardiac-cerebral vascular diseases”的研究性论文。借鉴中国古代谋略“连环计”，将临床小分子造影剂二乙三胺五乙酸钆(Gd-DTPA)通过二亚乙基三胺(DET)链接到聚丙烯酸(PAA)的侧链上，成功构建“连环战船”—金属螯合聚合物造影剂PAA-Gd (图1)。由于聚合物链的限制作用，单个Gd-DTPA分子的移动受到限制，大大延长了Gd³⁺的τ_R，使PAA-Gd的r₁高达13.9 mM⁻¹s⁻¹，是小分子Gd-DTPA的4.6倍，因此，在磁共振造影中，PAA-Gd的T₁增强效果要显著得多。同时，由于具有纳米级的流体动力学直径(~7.7 nm)，兼性离子结构电荷分布，以及近中性的总表面电位，PAA-Gd造影剂具有较长的血液半衰期和极低的免疫原性，可提供足够时长的血管造影窗口，可以在不同MRI成像序列下获得高分辨的血管成像。

图1. (a)基于“连环计”的PAA-Gd造影剂的结构和基本性质；(b)纵向弛豫率拟合；(c)&(d) PAA-Gd和前体在1× PBS (pH 7.4)中的流体力学尺寸和电泳迁移率

研究人员首先在啮齿动物身上进行了磁共振血管造影。造影结果显示，PAA-Gd造影剂可以实现啮齿类动物头、颈、胸、腹部血管系统的高分辨高灵敏成像，清晰地显示啮齿类动物不同部位复杂的微小血管，血管分辨率达到100 μm以内。临床诊断所关注的重要血管，均可以被清晰指认(图2-图4)。

图2. PAA-Gd造影剂对小鼠头胸部三维MRA及血管指认

图3. PAA-Gd造影剂对大/小鼠头部三维MRA及血管指认

图4. PAA-Gd造影剂对小鼠胸腹三维MRA及血管指认

进一步，研究人员构建了啮齿类动物动脉粥样硬化及动脉血栓模型，并以这两种模型为例，验证了PAA-Gd造影剂对心脑血管疾病高灵敏可视化诊断的能力(图5)。结果显示，通过PAA-Gd造影剂增强的血管造影，不仅可以成功定位小鼠颈动脉动脉粥样硬化斑块，还可以在溶栓治疗的全过程中，实现对动脉血栓的溶解情况进行实时监控。

图5. 基于PAA-Gd造影剂的血管造影策略对动脉粥样硬化斑块的高灵敏诊断(a-d)及动脉血栓溶栓治疗实时监控(e-h)

在此基础上，为了验证PAA-Gd造影剂的临床转化能力，研究人员在大型哺乳动物巴马猪身上进行了磁共振血管造影，造影研究在3T人磁共振成像仪器进行。结果表明，PAA-Gd在大型哺乳动物中具有更加出色的磁共振血管造影性能。仅需1/3临床常用剂量(0.03 mmol Gd/kg)，即可实现对巴马猪心脑血管动静脉的区分，以及微小血管的高灵敏造影(图6)。相比于成像时间窗口只有几十秒的临床小分子Gd造影剂，由于PAA-Gd具有更长血液半衰期，可以允许长扫描时间的血管造影序列进行扫描，从而获得更高分辨的血管造影图。这对于微血管疾病，特别是微静脉疾病的准确诊断具有重要临床意义。

图6. PAA-Gd造影剂对巴马猪的三维MRA及血管指认

作为磁共振血管造影剂，造影剂的安全性至关重要。研究人员对PAA-Gd造影剂的代谢情况及生物安全性进行了系统的评估。结果显示，健康小鼠静脉注射Gd-PAA造影剂后，造影剂的血液半衰期为73.8 min，是小分子Gd-DTPA造影剂血液半衰期的6倍以上。在注射后的24小时，PAA-Gd将会通过肾脏随着尿液排出体外。即使注射三倍剂量(0.3 mmol Gd/kg)的PAA-Gd造影剂，小鼠的各项血检指标也不会发生明显的异常变化。更重要的是，在肾衰模型大鼠体内，静脉注射临床剂量(0.1 mmol/kg)的PAA-Gd造影剂，不会造成肾脏病情的恶化，进一步证明了PAA-Gd的高生物安全性(图7)。

图7. PAA-Gd造影剂在健康小鼠中的药代动力学、药物清除和生物安全性评估(a-e)以及在肾衰大鼠模型中的生物安全性验证(f-m)

除啮齿类动物外，研究人员还在巴马猪身上验证了PAA-Gd造影剂的生物安全性。如图8所示，静脉注射PAA-Gd (0.1 mmol Gd/kg)后的一个月中，巴马猪的体重及体温均无异常，血液及血清生化指标也无异常的升高或降低。与注射前比较，各项指标均在正常范围内。组织病理学显示，各器官的细胞形态无异常变化，且没有出血、炎症或坏死。以上评价有力地证实了PAA-Gd造影剂对哺乳动物的生物安全性，为其临床应用提供了坚实的基础。

图8. PAA-Gd造影剂在巴马猪中的生物安全性评估

上述工作证明，PAA-Gd造影剂使磁共振血管造影技术有了质的飞跃。良好的血管造影性能和生物安全性，使其有望成为下一代磁共振血管造影对比剂，用于各种复杂血管和血管疾病的全面形态学研究。

北京化工大学张沛森博士、程军威硕士与加拿大多伦多大学卢轶劼博士为本文共同一作。

论文链接：Hypersensitive MR angiography based on interlocking stratagem for diagnosis of cardiac-cerebral vascular diseases, Nature Communications, 2023,14(1):6149.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41783-9