磁共振成像与波谱团队
团队介绍：
磁共振成像（MRI）作为人体内部结构成像的革命性诊断技术，2003年获诺贝尔生理学或医学奖，但肺部因水含量低（主要为气体空腔结构），一直是MRI探测的“盲区”。周欣团队以面向人民生命健康为导向，坚持核心装备技术自主研发，聚焦超灵敏磁共振国际前沿，从基础科学前沿研究为突破，成功研制出当前全球首台获批的可用于气体MRI的医疗器械—人体肺部多核磁共振成像装备。成功“点亮”肺部，实现了肺部微结构、通气和气血交换功能的定量可视化评估，解决了临床影像技术难以对肺内气体成像的难题。
该装备已获批全球首个同类医疗器械注册证进入临床应用，并在10余家三甲医院开展慢阻肺、间质性肺疾病、新冠肺炎等肺部重大疾病引起的肺功能损伤研究。除了在肺部的应用之外，团队利用超极化129Xe发展了一系列的磁共振分子影像探针和检测方法，在离体、细胞和活体中实现了对生物标志物的靶向、定量检测，并用于肺癌等疾病的高灵敏检测。成果入选“国家杰出青年科学基金25周年座谈会”十二项代表性成果、国家“十三五”科技创新成就展，获2023年度国家技术发明奖二等奖、“全国创新争先奖”、第二十二届中国国际工业博览会大奖等。
研究方向一：超灵敏MRI方法与技术研究
目前肺癌是导致人类死亡的第一大癌症。肺主要由肺泡组成，质子密度很低，因此传统的核磁共振方法不能对肺部进行成像。虽然目前CT和X射线都能够用来对肺部进行成像，但是以上两种技术都具有放射性，并且只能得到肺部的结构信息，往往检测到癌症都到了晚期。基于超极化气体的MRI，不仅能提供肺部结构信息，也能给予肺部的功能信息，例如肺组织气体交换功能等。我们掌握着超极化的核心技术，并且拥有专利多项。
本研究旨在发展超极化气体的磁共振成像医疗诊断仪器，填补目前医院MRI做肺部成像的“盲区”，满足临床医学对分析测试新方法的需求，对肺癌和肺部疾病的诊疗有重要意义，并惠及医疗诊断技术和公共医疗卫生事业。
研究方向二：超灵敏分子探针与分子影像学
129Xe MRI是近年来比较热门的分子影像学方法之一，它将超极化129Xe的高灵敏度和分子探针结合在一起，提供了探测超低浓度化学分子或癌细胞的一种非常有潜力的技术发展方向。
超极化129Xe MRI分子影像学最终能解决两个问题：第一，能探测超低浓度化学或生物分子，即拥有比所有传统MRI方法更高的灵敏度，并能检测出被检物的特定化学或生物分子的超低浓度值。第二，能够空间定位超低浓度化学分子或癌细胞的位置。
科研工作展示：
1.实现新冠出院患者的肺功能无创评估
科研团队应用自主研制成功的肺部气体磁共振成像（MRI）装备，在国际上首次实现了新冠肺炎出院患者的肺部微结构和通气、气血交换功能定量、可视化评估。研究发现，虽然普通症出院患者的肺部CT影像和吹气肺功能参数无异常，但其气体MRI影像显示通气功能有轻微损伤，气血交换功能明显受损，大部分普通症出院患者的通气和气血交换功能在第6个月的随访时有进程性改善。研究结果于2020年10月在Science Advances（Science子刊）发表，受到国际同行的高度关注。周欣研究员受约翰斯霍普金斯大学附属医院邀请，作新冠患者肺功能无损评估线上学术报告。牛津大学等机构跟进并开展相关研究，其2021年5月在Radiology发表的研究成果引用了周欣团队临床结论并表示：“气体MRI技术能够精确定位肺部生理受损部位。”
图1 三名新冠出院患者的典型肺部影像
（a）肺炎急性期时肺部CT图像；（b）出院后的肺部CT图像；（c）肺部气体MRI影像；（d）通气功能聚类（k-means map）图像；（e）不同通气功能占比
2.发现水溶液中气体磁共振信号增强新方法
科研团队首次提出水稳定性的金属有机骨架材料（MOF）——ZIF-8作为129Xe的纳米“笼”来装载129Xe，能有效提高水溶液中“笼”内129Xe的浓度，利用课题组自主研制的超极化气体磁共振科学仪器，显著增强了水溶液中“笼”内129Xe的磁共振信号，比传统分子“笼”内129Xe的磁共振信号提高了200倍，实现了超极化129Xe磁共振分子影像领域的重要突破。进一步，由于突破了“笼”内Xe信号强度的壁垒，可在生物检测中利用该信号与血液中信号之间的化学交换，放大血液中的微弱信号，从而提升血液中分子探测的灵敏度。该方法被命名为“Hyperpolarized Xe Signal Advancement by Metal-organic framework Entrapment (Hyper-SAME)”。Hyper-SAME可与作者之前发明的Hyper-SAGE技术（PNAS, 2009）相结合，进一步优化、放大129Xe的磁共振信号。这项研究显著提高了水溶液中气体磁共振的灵敏度和分辨率，代表着气体磁共振作为生物医学主要工具向着高灵敏靶向检测迈进了一大步，相关研究结果发表在美国科学院院刊（PNAS）上。
图2 利用Hyper-SAME气体磁共振信号增强新方法，水溶液中“笼”内129Xe的磁共振信号强度比传统分子“笼”内129Xe信号提高了200倍
