磁共振成像與波譜團隊
團隊介紹：
磁共振成像（MRI）作為人體内部結構成像的革命性診斷技術，2003年獲諾貝爾生理學或醫學獎，但肺部因水含量低（主要為氣體空腔結構），一直是MRI探測的“盲區”。周欣團隊以面向人民生命健康為導向，堅持核心裝備技術自主研發，聚焦超靈敏磁共振國際前沿，從基礎科學前沿研究為突破，成功研制出當前全球首台獲批的可用于氣體MRI的醫療器械—人體肺部多核磁共振成像裝備。成功“點亮”肺部，實現了肺部微結構、通氣和氣血交換功能的定量可視化評估，解決了臨床影像技術難以對肺内氣體成像的難題。
該裝備已獲批全球首個同類醫療器械注冊證進入臨床應用，并在10餘家三甲醫院開展慢阻肺、間質性肺疾病、新冠肺炎等肺部重大疾病引起的肺功能損傷研究。除了在肺部的應用之外，團隊利用超極化129Xe發展了一系列的磁共振分子影像探針和檢測方法，在離體、細胞和活體中實現了對生物标志物的靶向、定量檢測，并用于肺癌等疾病的高靈敏檢測。成果入選“國家傑出青年科學基金25周年座談會”十二項代表性成果、國家“十三五”科技創新成就展，獲2023年度國家技術發明獎二等獎、“全國創新争先獎”、第二十二屆中國國際工業博覽會大獎等。
研究方向一：超靈敏MRI方法與技術研究
目前肺癌是導緻人類死亡的第一大癌症。肺主要由肺泡組成，質子密度很低，因此傳統的核磁共振方法不能對肺部進行成像。雖然目前CT和X射線都能夠用來對肺部進行成像，但是以上兩種技術都具有放射性，并且隻能得到肺部的結構信息，往往檢測到癌症都到了晚期。基于超極化氣體的MRI，不僅能提供肺部結構信息，也能給予肺部的功能信息，例如肺組織氣體交換功能等。我們掌握着超極化的核心技術，并且擁有專利多項。
本研究旨在發展超極化氣體的磁共振成像醫療診斷儀器，填補目前醫院MRI做肺部成像的“盲區”，滿足臨床醫學對分析測試新方法的需求，對肺癌和肺部疾病的診療有重要意義，并惠及醫療診斷技術和公共醫療衛生事業。
研究方向二：超靈敏分子探針與分子影像學
129Xe MRI是近年來比較熱門的分子影像學方法之一，它将超極化129Xe的高靈敏度和分子探針結合在一起，提供了探測超低濃度化學分子或癌細胞的一種非常有潛力的技術發展方向。
超極化129Xe MRI分子影像學最終能解決兩個問題：第一，能探測超低濃度化學或生物分子，即擁有比所有傳統MRI方法更高的靈敏度，并能檢測出被檢物的特定化學或生物分子的超低濃度值。第二，能夠空間定位超低濃度化學分子或癌細胞的位置。
科研工作展示：
1.實現新冠出院患者的肺功能無創評估
科研團隊應用自主研制成功的肺部氣體磁共振成像（MRI）裝備，在國際上首次實現了新冠肺炎出院患者的肺部微結構和通氣、氣血交換功能定量、可視化評估。研究發現，雖然普通症出院患者的肺部CT影像和吹氣肺功能參數無異常，但其氣體MRI影像顯示通氣功能有輕微損傷，氣血交換功能明顯受損，大部分普通症出院患者的通氣和氣血交換功能在第6個月的随訪時有進程性改善。研究結果于2020年10月在Science Advances（Science子刊）發表，受到國際同行的高度關注。周欣研究員受約翰斯霍普金斯大學附屬醫院邀請，作新冠患者肺功能無損評估線上學術報告。牛津大學等機構跟進并開展相關研究，其2021年5月在Radiology發表的研究成果引用了周欣團隊臨床結論并表示：“氣體MRI技術能夠精确定位肺部生理受損部位。”
圖1 三名新冠出院患者的典型肺部影像
（a）肺炎急性期時肺部CT圖像；（b）出院後的肺部CT圖像；（c）肺部氣體MRI影像；（d）通氣功能聚類（k-means map）圖像；（e）不同通氣功能占比
2.發現水溶液中氣體磁共振信号增強新方法
科研團隊首次提出水穩定性的金屬有機骨架材料（MOF）——ZIF-8作為129Xe的納米“籠”來裝載129Xe，能有效提高水溶液中“籠”内129Xe的濃度，利用課題組自主研制的超極化氣體磁共振科學儀器，顯著增強了水溶液中“籠”内129Xe的磁共振信号，比傳統分子“籠”内129Xe的磁共振信号提高了200倍，實現了超極化129Xe磁共振分子影像領域的重要突破。進一步，由于突破了“籠”内Xe信号強度的壁壘，可在生物檢測中利用該信号與血液中信号之間的化學交換，放大血液中的微弱信号，從而提升血液中分子探測的靈敏度。該方法被命名為“Hyperpolarized Xe Signal Advancement by Metal-organic framework Entrapment (Hyper-SAME)”。Hyper-SAME可與作者之前發明的Hyper-SAGE技術（PNAS, 2009）相結合，進一步優化、放大129Xe的磁共振信号。這項研究顯著提高了水溶液中氣體磁共振的靈敏度和分辨率，代表着氣體磁共振作為生物醫學主要工具向着高靈敏靶向檢測邁進了一大步，相關研究結果發表在美國科學院院刊（PNAS）上。
圖2 利用Hyper-SAME氣體磁共振信号增強新方法，水溶液中“籠”内129Xe的磁共振信号強度比傳統分子“籠”内129Xe信号提高了200倍
