【科研进展】化学交换饱和转移CEST基本原理

CEST(Chemical Exchange Saturation Transfer)，即化学交换饱和转移，最早在2000年，由Ward^[1]等首先获得CEST的对比成像。它是在磁化传递技术及化学交换理论基础上发展起来的一种磁共振成像新方法，成像原理是利用特定的偏共振饱和脉冲，对特定物质（比如蛋白质或多肽的酰胺质子，葡萄糖，粘多糖等）进行充分的预饱和，这种饱和通过化学交换，进一步影响自由水的信号强度，因此通过检测水的信号，可间接反映这种物质的信息。近年来，有人^[2,3]报道外源的镧系金属螯合物与水有较快速的交换性，这类对比剂上的交换点共振频率离水峰较远（一般为几十个ppm），可以制成顺磁性CEST对比剂（PARACEST agents）以加强CEST效应。小分子物质（尿素，氨水等），大分子多聚体（如聚赖氨酸）和人体主要代谢物（蛋白，多肽，肌酸等）称为抗磁性CEST对比剂（DIACEST agents），其中水的氢质子（4.7ppm）与内源性蛋白质和多肽上的酰胺基（-NH）质子（8.3ppm）化学交换速度比较快，称为氨基质子转移（amide proton transfer，APT）。

CEST原理

我们下面用双池模型来进一步解析CEST成像原理。假设有如下两池，A池代表自由水池，B池代表可交换的游离大分子池（如内源性蛋白质或者外源性对比剂等），在主磁场Bo中两者有不同的进动频率。我们首先施加选择性预饱和脉冲饱和B池信号，适当条件下（温度，pH范围）这些质子会以一定的交换速率和周围的水质子发生化学交换，进而将部分饱和转移到A池，最后双池都达到稳态后，通过采用快速成像序列EPI采集到A池的水信号可以反映出CEST效应的强弱。

图1 自旋饱和通过化学交换从B池转移到A池^[4]

双池交换理论

图2 双池交换理论^[5]

2004年，Zhou^[6]等提出来双池质子交换模型，大池为水质子（w）组成，小池由具有水交换性质的自由大分子（s）组成。双池的布洛赫方程为：

与磁化传递类似，为了消除直接水饱和，我们用Z谱来表征CEST效应，Z谱为水信号关于饱和共振偏置的函数。定义质子交换率（proton transfer ratio, PTR）为脉冲施加在水峰两侧时水信号的差异对比：

，

通过计算得到

可以看出，通过三个途径可以增大PTR（即增大CEST效应）：选择更快交换速率的可交换质子（k_sw↑），增大可交换质子浓度（M₀^s↑），减小纵向弛豫率（R_1w↓）。实际上，交换速率k_sw并不是越快越好；增大M₀^s同时，反交换k_ws同样增大；提高主磁场强度，可以降低R_1w。

CEST条件

当s池被预饱和脉冲饱和后，两池同时存在正交换（k_sw）和反交换（k_ws），交换速率应满足下式，△ω_sw / k_sw >>1，其中△ω_sw表示可交换的s池质子和水池的化学位移差（△ω_sw =ω_s -ω_w）。由于△ω_sw随着主磁场升高而升高，所以更高场强下交换速率越快。另一个需要满足的条件是k_sw≥R_1s，即正交换速率快于可交换质子的弛豫率。简而言之，交换率要快于s池质子的纵向弛豫率，以达到有效饱和，又需要小于两池共振频率之差，以保证分辨率。

此外，主磁场Bo的均匀性对CEST成像非常重要。随着主磁场不均匀性增大，相对于水零点频率的Z谱会发生漂移，从而导致CEST效应削弱，所以必须采用WASSR（water saturation shift reference）技术进行匀场校正。

科研方向

CEST作为MR新兴的重要分支，其在分子成像及对各种代谢功能成像方面具有广泛的应用前景。其科研应用方向包括标记细胞，代谢显像，报告基因，酶活性测定，金属离子测定，pH值测定，温度测定等。CEST具有选择性产生T1和T2对比及代谢显像的优点^[1]，但扫描时间长、分辨率低、对磁场要求高成为制约其在体内应用和发展的瓶颈。目前，GE公司研发的CEST序列不仅可以对多种可交换的自由大分子进行成像，而且扫描时间短，平面内分辨率高达亚毫米级别，在将来的科研和临床应用会有更广泛的应用前景。

参考文献:

[1] Ward KM, et al. A new class of contrast agents for MRI based on proton chemical exchange dependent saturation transfer (CEST)(J), J Magn Reson, 2000, 143:79-87.

[2] Aime S, et al. Paramagnetic lanthanide (III) complexes as pH-sensitive chemical exchange saturation transfer (CEST) contrast agents for MRI applications. Magn Reson Med, 2002, 47(4):639-648.

[3] Woods M, et al. Paramagnetic lanthanide complexes as PARACEST agents for medical imaging. Chemical Society reviews, 2006, 35(6):500-511.

[4] Sherry AD, et al. Chemical exchange saturation transfer contrast agents for magnetic resonance imaging. Annual review of biomedical engineering, 2008, 10:391-411.

[5] Zhou J, et al. Chemical exchange saturation transfer imaging and spectroscopy. Prog NMR Spectrom, 2006, 48:109-136.

[6] Zhou J, et al. Quantitative description of proton exchange processes between water and endogenous and exogenous agents for WEX, CEST and APT experiments. Magn Reson Med, 2004, 51(5):945-952.