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综述
多核磁共振成像在肿瘤中的研究进展
周浪萍 李天 曹颖 王晓霞 张久权

本文引用格式:周浪萍, 李天, 曹颖, 等. 多核磁共振成像在肿瘤中的研究进展[J]. 磁共振成像, 2026, 17(1): 228-234. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.01.035.


[摘要] 磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)凭借其高空间分辨率、优良软组织对比度及无电离辐射等优势,已成为肿瘤诊断、分期与分型、疗效评估和预后判断的重要工具。随着肿瘤诊疗向精准医疗不断迈进,MRI技术亦逐渐从宏观结构与功能成像,向微观细胞与代谢水平成像拓展。多核磁共振不仅能检测人体内含量最多的氢核(¹H),还可检测到磷(³¹P)、钠(²³Na)、氙(¹²⁹Xe)等多种原子核,突破了传统MRI单一成像维度的限制,从结构、功能、代谢等多方面为肿瘤诊治提供了全新的手段和视角。本文系统梳理了多核磁共振成像(multinuclear MRI, multi-NMR)在肿瘤领域的最新研究进展,总结其在揭示肿瘤代谢特征及辅助诊疗决策方面的潜力,并探讨当前存在的主要技术挑战与发展趋势,以期为肿瘤领域研究与临床转化提供参考。
[Abstract] Magnetic resonance imaging (MRI), which is recognized for its high spatial resolution, excellent soft-tissue contrast, and absence of ionizing radiation, has become an essential tool in tumor diagnosis, staging, classification, treatment response evaluation, and prognosis assessment. As oncology diagnostics and therapeutics advance toward precision medicine, MRI technology is progressively evolving from macroscopic structural and functional imaging toward imaging at the microscopic cellular and metabolic levels. Multinuclear magnetic resonance can detect not only hydrogen (¹H)-the most abundant nucleus in the human body, but also other nuclei, such as phosphorus (³¹P), sodium (²³Na), and xenon (¹²⁹Xe), thereby overcoming the limitations of conventional single-nucleus MRI. This technique provides a novel approach and perspective into tumor characterization and management by integrating structural, functional, and metabolic information. This review systematically summarizes recent advances in multinuclear MRI (multi-NMR) for oncology applications, highlights its potential in elucidating tumor metabolic features and supporting clinical decision-making, and discusses key technical challenges and future directions. It aims to serve as a valuable reference for further research and clinical translation in this field.
[关键词] 多核磁共振成像;分子成像;功能成像;肿瘤学;医学影像诊断
[Keywords] multinuclear magnetic resonance imaging;molecular imaging;functional imaging;oncology;medical imaging diagnosis

周浪萍 1, 2   李天 2   曹颖 1, 2   王晓霞 2   张久权 2*  

1 重庆大学医学院,重庆 400030

2 重庆大学附属肿瘤医院影像科,重庆 400030

通信作者:张久权,E-mail:zhangjq_radiol@163.com

作者贡献声明:张久权、王晓霞设计本研究的方案,对稿件重要内容进行了修改;周浪萍起草和撰写稿件,获取、分析和解释本研究的数据;李天、曹颖获取、分析和解释本研究的数据,对稿件重要内容进行了修改;张久权获得重庆大学附属肿瘤医院科研能力提升专项资助;王晓霞获得中央高校基本科研项目资助;李天获得了重庆市自然科学基金面上项目资助。全体作者都同意发表最后的修改稿,同意对本研究的所有方面负责,确保本研究的准确性和诚信。


基金项目: 重庆市自然科学基金面上项目 CSTB2025NSCQ-GPX0001 重庆大学附属肿瘤医院科研能力提升专项 2023nlts004 中央高校基本科研项目 2023CDJYGRH-YB04
收稿日期:2025-11-07
接受日期:2026-01-04
中图分类号:R445.2  R73 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2026.01.035
本文引用格式:周浪萍, 李天, 曹颖, 等. 多核磁共振成像在肿瘤中的研究进展[J]. 磁共振成像, 2026, 17(1): 228-234. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2026.01.035.

0 引言

       肿瘤是仅次于心脏病的第二大死因,其高死亡率与肿瘤异质性驱动的治疗抵抗和复发密切相关[1, 2]。因此,开发能够在体、实时解析肿瘤代谢功能的技术,已成为实现动态精准治疗、直接改善患者预后的关键前提。目前,磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)因其卓越的软组织分辨能力,已成为肿瘤诊疗中不可或缺的工具。然而,临床常规MRI主要依赖于氢核(¹H)成像,其提供的T1/T2加权图像虽能精细展示解剖结构,却难以有效表征肿瘤的生物学特性,如代谢异常、细胞增殖与微环境变化,这种功能性信息的缺失,使得常规MRI在肿瘤的早期诊断、疗效评估及预后预测方面面临瓶颈,难以完全满足精准医学的需求。迫切需要发展综合代谢成像方法,精准解析肿瘤的生物学特性,为临床制订更优的治疗方案提供关键依据。

       为突破这一局限,多核磁共振成像(multinuclear MRI, multi-NMR)技术应运而生,将MRI推向更深层次的分子代谢水平成像[3]。multi-NMR通过激发与采集除¹H之外的多种核素(2H、19F、129Xe、13C、23Na、31P等)信号,能够在体定量评估肿瘤的能量代谢、细胞膜增殖、缺氧状态及细胞内pH值等关键生理病理过程,在揭示肿瘤生物学行为方面展现出独特优势[4, 5]。通过整合多种核素信号,该技术在肿瘤代谢可视化、脑能量代谢定量及心血管功能评估中展现出核心价值[3]。然而,当前该领域缺乏multi-NMR在肿瘤“全过程”管理(从早期筛查到疗效监测)中系统应用的综述,导致其在刻画肿瘤异质性、动态监测治疗反应方面的独特潜力无法被有效转化为指导个性化治疗的决策依据。

       基于此,本文将概述multi-NMR常见核素在肿瘤诊疗中的临床应用,并对比分析其相较于传统MRI的独特价值。此外,本文还将从临床视角探讨这种新型成像技术的未来挑战和机遇,以期为未来精准诊疗体系的完善提供影像学参考依据。

1 23Na-MRI在肿瘤中的研究进展

       Na是人体内重要的电解质,主要分布在细胞外液和骨骼,其同位素23Na自然丰度为100%[6]。Na离子通过调节细胞外液渗透压参与维持内环境稳态,并对细胞膜电位和体液平衡具有重要作用[7]。因此,组织和细胞中Na浓度的变化能够灵敏地反映代谢状态的改变。在肿瘤等病理条件下,钠浓度常出现异常升高,主要由于细胞膜钠钾泵功能障碍导致细胞内钠积累,或细胞外间隙扩大,从而增加总钠浓度[8]。此外,钠浓度升高与肿瘤增殖活性呈正相关,并反映血管内皮生长因子介导的血管通透性增加。放疗后瘤周钠浓度激增则标志免疫细胞浸润引发的渗透压变化[9, 10]。基于这些机制,钠离子浓度变化有望作为恶性肿瘤诊断和预后评估中的潜在生物标志物。

       23Na磁共振成像(23Na-MRI)是一种非侵入性成像技术,在脑肿瘤[11, 12, 13]、乳腺癌[9]、前列腺癌[14]的诊断中表现出良好应用前景。研究表明,在乳腺癌[9]和脑肿瘤[15, 16]等恶性肿瘤中,肿瘤组织钠浓度显著高于正常组织(P<0.001)。然而,TAN等[14]发现前列腺癌组织中钠浓度呈现独特的下降趋势,这可能与肿瘤细胞密度过高、细胞外空间被压缩,进而导致组织钠比例降低有关。

       另外,23Na-MRI通过检测肿瘤中钠离子浓度变化,可以辅助肿瘤分级与分型。例如,在脑肿瘤[17]中,研究人员发现高级别肿瘤钠浓度低于低级别胶质瘤(P<0.001)。在胶质瘤中,23Na-MRI甚至可区分异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase, IDH)突变状态,IDH突变型肿瘤通常表现出更高的总钠浓度,从而为亚型鉴别提供无创解决方案[15]

       在疗效监测方面,23Na-MRI也表现出较高敏感性。多项研究报道,脑肿瘤[16]、视网膜母细胞瘤[18]患者在接受化疗或放疗后,病灶区钠信号明显增强,提示细胞死亡和坏死的发生。同时,该技术在肿瘤预后预测中也发挥重要作用,尤其在评估治疗反应、耐药性和复发风险中具有独特价值。例如,在胶质瘤中,23Na-MRI可帮助区分化疗敏感与耐药胶质瘤,从而预测治疗反应和复发风险[16]。在视网膜母细胞瘤中,钠信号变化与组织学坏死程度相关,可用于预测治疗效果和肿瘤消退情况[18]。由此可见,²³Na-MR通过无创定量监测组织钠浓度所提供的代谢信息,有效补充了传统影像的局限,为肿瘤个体化治疗提供了有力支持。

       23Na-MRI具有非侵入性、无辐射,可定量评估肿瘤组织中的钠离子浓度变化等优势,但仍面临前列腺癌钠浓度降低机制未明、空间分辨率不足致微灶漏诊,以及分级标准(如IDH阈值)缺乏多中心验证等局限。总体而言,23Na-MRI作为新兴代谢成像工具,未来需进一步探讨肿瘤内钠浓度降低机制,研发超极化探针突破信噪比瓶颈,并通过前瞻性多中心试验推动技术临床转化。

2 13C-MRI在肿瘤中的研究进展

       C是生命体的基本组成单元,占比约为体重的18%[19],参与人体的生理过程涵盖消化、肌肉收缩、神经信号传导、循环代谢、组织合成与修复,以及激素分泌等关键生命活动。在人体内,C主要以不具有磁共振活性的12C形式存在,而仅约1.1%的碳以¹³C形式存在,其自然丰度低导致磁共振信号极其微弱,难以直接检测[19]。肿瘤细胞具有不同于正常细胞的异常代谢,表现为糖酵解活性异常增强从而增强肿瘤细胞增殖和迁徙能力,这种异常的糖代谢行为被称为有氧糖酵解或Warburg效应,是肿瘤得以发病的关键因素[20]。在肿瘤中,动态监测丙酮酸向乳酸的转化速率可有效量化糖酵解通量[19, 21]。该动力学参数不仅反映Warburg效应的活跃程度,更无创揭示肿瘤在增殖驱动、抗凋亡能力及免疫抑制微环境构建等关键生物学行为上的分子特征[19, 22]。因此,丙酮酸-乳酸转化动力学使¹³C代谢成像成为评估肿瘤侵袭性与免疫微环境状态的精准影像学工具。

       ¹³C-MRI被视为无创检测代谢途径与通量的一项关键技术,然而,其固有的低检测敏感度限制了其在临床中的直接转化[19]。超极化技术通过产生并检测显著增强的磁共振信号,有效克服了传统13C-MRI敏感度不足的问题,可准确量化人体内的代谢物水平及组织灌注情况[19, 23]。临床研究中,超极化¹³C-MRI通过无创、动态示踪丙酮酸向乳酸的转化过程,已成功用于多种器官(如前列腺[19, 24]、胰腺[19]、肾脏[25]、肝脏[26]、乳腺[27]及脑部[19])的良恶性肿瘤鉴别。

       此外,13C-MRI能够依据代谢特征进一步细分肿瘤亚型。在前列腺癌中,Gleason评分系统越高的患者体内呈现出更强的超极化乳酸信号及更高的丙酮酸-乳酸转化速率常数(r=0.72,P=0.002)[28]。在胰腺癌动物模型中,基于葡萄糖代谢差异可区分高代谢与低代谢亚型(P<0.01)[29]。由于多数肿瘤治疗手段所引发的代谢改变往往早于肿瘤形态学变化,¹³C-MRI作为一种肿瘤代谢的无创成像方法,为早期评估治疗反应提供了可能[19]

       在前列腺癌[19]、颅内转移瘤[30]、胰腺癌[29]和乳腺癌[31]的疗效监测中,该技术作为早期响应指标已展现出明确的临床价值。例如,在乳腺癌动物模型中,13C-MRI通过检测乳酸通量变化,反映治疗诱导的肿瘤代谢变化[31]。在肿瘤的预后预测方面,13C-MRI通过捕捉代谢异质性,可用于评估胶质母细胞瘤[19]、颅内转移瘤[30]及前列腺癌[32, 33]及胰腺癌[29]的预后。一项针对前列腺癌的多变量分析显示,丙酮酸向乳酸转化率较低的患者,其无进展生存期与总生存期均显著延长[32]

       总之,13C-MRI技术通过无创、实时监测丙酮酸向乳酸转化等关键代谢过程,为多种肿瘤的精准诊断、代谢亚型分型、疗效早期评估及预后预测提供了关键的代谢功能信息。13C-MRI具有非侵入性、实时代谢成像和高特异性等优势,但其临床应用仍面临高成本、技术操作复杂、信号衰减快以及需使用超生理剂量13C标记底物等主要挑战。近年来,13C-MRI相关研究重点聚焦于序列优化和多探针开发,以提升分辨率和应用范围,未来有望推动肿瘤治疗进展。

3 19F-MRI在肿瘤中的研究进展

       F在人体内生理浓度极低,占比小于0.01%。F几乎无内源性背景信号,主要固定于骨骼和牙齿中,其同位素19F的自然丰度为100%[34, 35]。在正常组织中,氟不参与核心代谢过程,但在肿瘤环境中,外源性氟化剂如全氟碳化合物可通过纳米载体积累,参与肿瘤病理过程。例如,全氟己烷乳剂诱导巨噬细胞线粒体功能障碍和活性氧产生,促进肿瘤细胞铁死亡[36];Zn-Fu MNs通过协调释放Zn2+和氟尿嘧啶,协同增强肿瘤细胞DNA损伤和激活抗肿瘤免疫[37]。这些过程凸显F在肿瘤中的关键作用,可以作为外源性探针用于肿瘤成像和治疗。

       19F磁共振成像(19F-MRI)具备无内源性背景信号干扰的独特优势,大量研究表明,19F-MRI可通过氟化纳米探针实现乳腺癌[37]、胰腺癌[38]、宫颈癌[37]、结肠癌[36, 39]的特异性肿瘤成像。例如在胰腺癌[38]和乳腺癌[37]模型中,肿瘤血管内皮间隙增宽且淋巴回流缺失,通过增强渗透性和滞留效应促使纳米颗粒在肿瘤组织选择性富集,从而在19F-MRI上形成特异性“热点信号”,有效区分肿瘤与正常组织。

       在肿瘤的分期与分型方面,19F-MRI能够提供定量数据,氟浓度与信号强度线性相关,能够评估肿瘤大小和异质性。例如,在乳腺癌动物模型中通过19F信号强度可以区分肿瘤大小和阶段[37];另有研究使用全氟己烷乳剂在小鼠结肠癌模型中形成气体微泡,结合超声与19F-MRI实现肿瘤边界可视化,用于亚型鉴别(P<0.01),但该研究也提示气体微泡可能对成像造成干扰,仍需进一步技术优化[36]。对于疗效评估与预测,19F-MRI可动态监测乳腺癌[37]、胰腺癌[40]、宫颈癌[37]、结肠癌[36]的治疗效应。例如,在宫颈癌模型中,19F-MRI利用Zn-Fu金属网络探针在肿瘤酸性微环境和高ATP浓度下特异性解离,触发19F信号弛豫时间显著延长,实时量化药物释放效率,实现治疗动态监测;同时,19F信号强度变化与CD8⁺ T细胞浸润密度呈显著正相关(R2=0.82,P<0.001),通过铁死亡诱导的免疫激活预测免疫治疗疗效。

       综上,19F-MRI凭借其无背景干扰和可定量化的独特优势,已逐步成熟为肿瘤特异性成像、分级及疗效评估中的关键工具,临床转化价值日益凸显。虽然19F-MRI具有高特异性、无背景噪声、定量成像能力及诊疗一体潜力,但其临床应用仍受限于敏感度较低、硬件成本高及探针生物安全性等问题。当前,在肿瘤相关研究中,19F-MRI聚焦纳米探针设计和免疫治疗整合,未来需提高敏感度、开发临床可转化探针,并解决成本和技术瓶颈。

4 129Xe-MRI在肿瘤中的研究进展

       Xe是一种惰性气体,其同位素129Xe的自然丰度为26.4%[41]。Xe在人体内天然含量极低,占比小于0.01%,但作为外源性超极化对比剂吸入后,可用于MRI评估肺功能[42, 43]。在正常肺组织中,129Xe参与气体交换过程,如通气和灌注,反映肺泡-毛细血管屏障的氧合和代谢废物清除[44]。在肿瘤组织(如肺癌),129Xe-MRI检测的通气缺陷与气体交换受损直接揭示肿瘤恶性行为存在直接关联[45]。其中通气障碍破坏肺泡-毛细血管血气屏障,促进肿瘤细胞跨内皮迁移;气体交换障碍引发的持续性缺氧微环境驱动促血管生成因子表达,加速肿瘤增殖与侵袭。这些动态病理参数使129Xe-MRI成为无创评估肿瘤增殖侵袭性、转移潜力及免疫微环境特征的关键影像学技术[44]

       129Xe磁共振成像(129Xe-MRI)通过定量通气缺陷百分比(ventilation defect percentage, VDP)和气体交换参数,可辅助肺部肿瘤诊断。RADADIA等[46]在肺癌患者中比较了锝气体SPECT与超极化129Xe-MRI在评估VDP方面的能力,结果显示两者VDP值呈显著正相关(r=0.48~0.63,P<0.01),但129Xe-MRI具备更高的空间分辨率且无电离辐射,能够更敏感地检测患者通气异常。另一项研究进一步在肺癌切除患者中证实,129Xe-MRI测得的VDP与术后并发症发生率相关,如术后肺炎、持续性气胸、呼吸衰竭,其预测价值优于传统肺功能指标[45]。同时,129Xe-MRI在肿瘤分期与亚型分型方面也展现出潜力。对小鼠肺癌模型的研究表明,129Xe气体交换参数在1个月(肺泡上皮增生)和3个月(腺瘤形成)阶段持续下降,早于形态学变化[44]

       在治疗反应检测方面,研究利用129Xe-MRI监测铁死亡过程,发现在肺癌细胞中129Xe信号变化与肿瘤侵袭性相关,并可区分免疫治疗响应亚型,进一步扩展了129Xe-MRI在治疗监测中的应用[47]。另有研究在肺癌患者治疗期间,通过129Xe-MRI结合靶向探针,在肺癌细胞水平上提供分子特异性、空间分布及动态变化的三维功能信息,进一步验证了其对治疗反应监测的重要价值[48]

       总体而言,129Xe-MRI技术通过定量测量VDP等参数,为肺部肿瘤的精准诊断、分级分型及疗效评估提供了丰富的功能学信息。129Xe-MRI凭借其无电离辐射、高敏感度及无创性等优势,已成为肺癌精准诊疗体系中的重要工具,由于技术复杂性、信号寿命短、运动伪影敏感等缺陷限制其在临床中的应用。近年来,研究前沿聚焦超极化129Xe成像技术,以实现对多代谢通路的同步监测,然而129Xe-MRI当前应用仍集中于肺部肿瘤,且处于临床研究阶段。综上,129Xe-MRI在肿瘤诊断、分期和治疗响应评估中展现出潜力,但需进一步技术优化和多中心临床试验验证。

5 DMI在肿瘤中的研究进展

       2H是氢的稳定同位素,在人体中自然丰度仅为0.011 5%,通过口服或静脉注射2H标记底物,可增强磁共振信号,用于追踪代谢过程[49]。在正常组织中,2H参与葡萄糖代谢,产生氘化水、谷氨酸/谷氨酰胺等产物,反映氧化代谢和神经递质合成[50]。在肿瘤组织中,由于Warburg效应,糖酵解增强,2H标记的葡萄糖优先转化为氘化乳酸,该过程不仅体现糖酵解重编程,还通过乳酸介导的酸性微环境促进细胞增殖、抑制凋亡,并削弱细胞毒性T细胞功能,从而支持免疫逃逸[51]。这些过程突出了2H在区分正常与肿瘤代谢中的价值,为代谢成像提供了基础。

       氘代谢成像(deuterium metabolic imaging, DMI)通过追踪2H标记底物在特定代谢通路中的转化过程,能够特异性识别肿瘤细胞的异常代谢表型,进而有助于识别肿瘤边界及其内部异质性。该技术已为脑肿瘤[2]、黑色素瘤[52]、胰腺癌[53]和肾癌[54]诊断提供了重要的影像学依据。例如,在胰腺癌模型中,DMI利用²H标记的葡萄糖显示恶性病变中乳酸信号升高,而急性胰腺炎则无此表现[53];另有研究发现,DMI可通过揭示肿瘤代谢异质性与侵袭性相关性,如在乳腺癌中基于乳酸和胆碱信号差异,区分不同分子亚型[55]

       同时,DMI通过量化代谢物(如乳酸、胆碱)的空间分布,为脑肿瘤[50]分级和肾细胞癌[54]的分型提供了非侵入性工具。在疗效评估与预测方面,DMI能早期监测脑肿瘤[52]、黑色素瘤[52]、淋巴瘤[52]、乳腺癌[56]、胰腺癌[57]、肾癌[58]的治疗反应。例如,在黑色素瘤治疗后,DMI可早于解剖结构变化检测到乳酸信号的降低[52]。在淋巴瘤模型中,化疗后氘化富马酸盐向苹果酸盐的转化提示细胞死亡,标志着治疗有效[57]。值得注意的是,DMI在监测免疫治疗响应方面也显示出潜力,如乳酸积累与肿瘤进展正相关(P<0.01),并通过酸化环境诱导免疫抑制[56]

       综上所述,DMI作为一种能够无创定量检测乳酸、胆碱等关键代谢物的技术,已成为揭示肿瘤异质性、辅助精准诊疗的重要工具。DMI具有无放射性、安全性高、能提供动态代谢通量信息以及支持多底物灵活标记等优势,表明其是一种稳健的代谢成像技术。然而,其敏感度较低、空间分辨率有限、易受运动伪影影响以及数据解析复杂等因素,仍在一定程度上制约其临床推广。作为近年来新兴的代谢成像工具,DMI通过氘标记底物实现肿瘤糖酵解与氧化代谢的可视化,在诊断、分型、疗效监测及预后中展现出显著的转化潜力,有望成为临床肿瘤学的重要补充。未来需优化序列设计、提高敏感度及标准化协议以促进广泛应用。

6 31P-MRI在肿瘤中的研究进展

       P在人体中广泛分布,主要参与能量代谢(如ATP和磷酸肌酸)和膜代谢,其同位素31P的自然丰度为100%[59]。在正常组织中,这些代谢物维持细胞能量稳态和膜完整性[60];而在肿瘤中,31P-MRI检测到的磷酸肌酸水平下降与ATP消耗加速,直接反映癌细胞为维持异常增殖引发的能量代谢重编程[61]。同时,磷酸单酯异常升高与磷酸二酯降解加剧则揭示膜磷脂代谢的致癌性失调[60, 62]。这些代谢参数的动态变化,使31P-MRI成为无创评估肿瘤能量稳态失衡与膜代谢紊乱的关键技术。

       31P磁共振成像(31P-MRI)在肿瘤临床应用中涵盖多个方面。基于该技术衍生的31P磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS),能够通过识别特征性代谢物谱峰,实现对肿瘤代谢过程的定量分析及空间定位。研究表明,31P磁共振波谱(31P-MRS)可借助代谢物比率有效区分肿瘤组织与正常组织,已在胶质母细胞瘤[60]、乳腺癌[63]及前列腺癌[64]等疾病中得到验证。另有研究指出,31P-MRI通过监测能量代谢和膜代谢变化,为肿瘤分期和分型提供非侵入性生物标志物。例如,WALCHHOFER等[65]通过显示增强区域与周边组织在pH值及Mg2+浓度等方面的代谢差异,成功识别出胶质母细胞瘤代谢异质性区域及其侵袭性特征。SCHMITZ等[63]则进一步整合31P-MRS与动态增强MRI信息,将肿瘤大小与代谢特征相结合,使乳腺癌术前分期准确率提高至96%,凸显其在个体化治疗规划中的重要价值。

       在疗效评估与预测方面,31P-MRI通过监测代谢变化展现出从基础研究向临床应用的递进潜力。例如,在前列腺癌异种移植模型中,药物治疗后磷酸肌酸与ATP比率显著降低(P<0.001),增强了放疗敏感性[61]。另一项研究在黑色素瘤模型中发现,BRAF/MEK抑制剂治疗后乳酸水平下降、氧化磷酸化功能改善,通过31P-MRS监测的乳酸/丙酮酸比率变化可预测治疗反应,为个体化疗法提供依据[66]

       综上所述,31P-MRI通过无创定量监测与肿瘤增殖、能量状态及膜代谢密切相关的特定代谢物,为实现肿瘤的精准诊断、早期疗效评估和预后预测提供了独特的代谢功能信息。31P-MRI及其衍生技术31P-MRS具有非侵入性成像及提供功能代谢信息的独特优势,但其临床推广仍面临空间分辨率较低、采集时间较长以及对高场强(如7.0 T)设备的依赖以及肿瘤异质性等挑战。通过持续的技术优化与方法标准化,并结合深度学习或多模态融合策略,该技术有望进一步增强其临床转化能力,为肿瘤精准医疗的发展提供重要支持。

7 multi-NMR临床转化面临的核心挑战与机遇

       多种核素在multi-NMR中的关键物理参数及其在不同肿瘤类型中的具体临床应用见表1。multi-NMR能够实时测肿瘤代谢变化、精准解析并提供相关分子结构信息,在肿瘤临床应用中潜力显著,但其临床转化面临三大核心挑战。

       第一,敏感度低是核心瓶颈,主要源于非质子核素的自然丰度低且旋磁比小,导致信号微弱,难以在低浓度代谢物检测中达到临床需求[3]。第二,技术复杂性高,要求硬件上配备专用的多核射频线圈与调谐系统以匹配不同核素的共振频率,脉冲序列也需针对各核素独特的弛豫时间进行专门设计,增加了技术门槛[60]。第三,临床转化障碍显著,现有临床MRI设备主要针对¹H核优化,缺乏其他核素标准化扫描方案与后处理流程,导致不同中心结果可比性差;此外,对特定代谢物生理意义的解读及其与疾病关联的数据库尚不完善,阻碍了其成为常规诊断工具[56]。这些挑战共同制约了多核磁共振在肿瘤临床中的广泛应用。

       针对上述挑战,未来研究聚焦于三方面。首先,提升敏感度,可通过发展高场强系统(如7.0 T和9.4 T)结合超极化技术实现,例如超极化13C标记化合物的信号增强可超过10 000倍,可实时观测体内代谢[3]。其次,简化技术复杂性,需创新硬件与序列,如开发高密度射频线圈和低成本成像方法,以优化信噪比并降低设备依赖[39]。最后,促进临床转化,应推动多模态融合和人工智能辅助分析,通过标准化协议和智能算法提高诊断效率与可重复性。同时,建立大规模、多中心临床研究联盟以制定统一的扫描、定量与解读标准,是推动其从科研走向广泛临床应用的基础[56]。这些方向协同推进,将系统性地解决multi-NMR面临的关键问题,推动其从科研工具向临床常规应用的跨越。

表1  不同核素物理参数及对应MRI在肿瘤中的应用
Tab. 1  Physical parameters of different nuclides and their corresponding applications in MRI for tumors

8 小结及展望

       multi-NMR技术通过整合¹³C、³¹P、²³Na等多种核素的成像能力,突破了传统单核磁共振在代谢评估中的局限。该技术能够从分子层面实时监测肿瘤代谢动态,为肿瘤早期诊断、精准分型、疗效及预后评估提供了全新视角。未来,随着高场强系统、超极化技术、硬件创新及多模态融合的进一步优化,multi-NMR有望在肿瘤精准诊疗中发挥更广泛作用,为肿瘤精准诊疗体系的完善提供有力支持。

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