磁共振技术精准捕捉细胞代谢变化！

【研究背景】

NADH 和 NAD+ 是细胞代谢过程中重要的电子供体和受体，因其在线粒体生物生成和代谢健康中的关键作用而广泛应用于生物医学研究。与传统的代谢物检测方法相比，基于磁共振波谱（MRS）的技术具有非侵入性、高灵敏度等优点，使得在人体内定量测量这些代谢物成为可能。然而，现有的 31P-MRS 方法由于 α-ATP 信号与 NADH 和 NAD+ 的共振重叠，导致其定量分析受到限制，这对代谢研究提出了挑战。

近日，来自荷兰马斯特里赫特大学医学中心Vera B. Schrauwen-Hinderling教授的研究小组在这一领域取得了新进展。该团队设计了一种新的双自旋回波改进的 z-滤波器（DEMz）序列，通过抑制 α-ATP 信号，有效地实现了 NADH 和 NAD+ 的定量测量。利用这一创新的方法，研究人员在健康志愿者中进行了验证，发现缺血条件下 NAD+ 水平显著降低，而 NADH 水平显著升高，符合预期的生理变化。

此外，该研究还对比分析了身体活动水平不同的老年人群体，发现身体活动较多的个体 NAD+ 含量显著高于久坐不动的个体，而 NADH 含量则相对较低。这一结果进一步证明了代谢健康与 NAD+/NADH 比率之间的密切关系，提示该技术在评估和监测代谢健康方面的潜在应用价值。

【表征解读】

在本文中，作者通过31P磁共振波谱（MRS）技术和新开发的双回波改良z-过滤序列（DEMz），成功检测到了肌肉中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的相对浓度变化。这一发现揭示了在缺血过程中生理变化的动态过程，并为不同代谢健康水平组别之间的生理差异提供了新的理解。

针对NAD+和NADH的检测难度，本文通过深入分析其微观机理，尤其是涉及α-ATP的J耦合现象，提出了一种有效的谱编辑方法，以抑制α-ATP的信号，从而提高NAD+和NADH的检测灵敏度。具体而言，作者在31P MRS实验中利用了耦合自旋的相位演化特性，设计了具有相位消除特性的序列，使得α-ATP的信号被有效抑制，从而实现对NAD+和NADH的准确测量。这种创新性的方法为理解细胞代谢提供了新的工具。

在此基础上，作者结合多核临床扫描仪进行了一系列实验。首先在两室模型中验证了DEMz序列的准确性，接着在健康志愿者中测试了其重现性，并进行了一项原理验证实验，以检测缺血诱导的生理变化。这些实验结果表明，DEMz序列在临床强度下能够有效地捕捉到NAD+和NADH的相对浓度变化，揭示了缺血对细胞代谢的影响，特别是在不同代谢健康状态群体中的差异。

此外，利用以上所述的表征手段，作者能够定量测量NAD+和NADH的绝对浓度，并在未来的研究中，通过确定T2弛豫时间，进行相应的T2修正，从而实现更加精确的代谢物定量分析。这一进展为作者理解细胞能量代谢、代谢疾病的发病机制提供了重要的科学依据。

设计用于抑制 α-ATP 的新编辑序列

原文详情：Mevenkamp, J., Bruls, Y.M.H., Mancilla, R. et al. Development of a 31P magnetic resonance spectroscopy technique to quantify NADH and NAD+ at 3 T. Nat Commun 15, 9159 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53292-4