基于 MAPTA 的代谢 SHIFT 试剂，用于使用 CEST MRI 检测细胞外乳酸

图一：（A，B）乳酸滴定法 （0−0.6M） 对 20mMYb-PCTA（A） 或 Eu-PCTA（B）在 pH6 和 7 下产生的 CEST效应的影响。CESTeffectat109ppm（Yb-PCTA）和14ppm（Eu-PCTA）在21μT，5s后在298K处获得。（C，D） MTRasym%包含20mMYb-PCTA（C）或Eu-PCTA（D）和40mMlactate，柠檬酸盐或乳酸盐和其他代谢物的不同组合和DMEM，pH6,298K.（E）Eu-PCTA与乳酸盐和柠檬酸盐（Lac citrate）的Omegaplot。（F）培养 48 小时后收集的 MC-38 结肠腺癌细胞生长培养基的 CEST图像，与20mMYb-PCTA或Eu-PCTA混合

代谢成像是无创可视化活体代谢分布的关键技术，尤其在肿瘤和神经疾病中可早期监测异常代谢活动（如癌细胞Warburg效应导致的乳酸堆积）。传统方法如磁共振波谱受限于空间分辨率且无法区分细胞内外代谢，而基于化学交换饱和转移（CEST）的成像技术虽能检测乳酸，却因水信号干扰难以精确定量细胞外乳酸。本研究开发了新型镧系-PCTA配体复合物（如Yb-PCTA），其通过特异性结合乳酸形成三元复合物，显著偏移乳酸羟基信号，实现高选择性细胞外乳酸检测。体外实验验证了其在血液代谢干扰下的灵敏度，体内研究证实其可安全无创成像膀胱及肿瘤微环境中的乳酸动态，且PCTA配体因高稳定性和低毒性（如FDA已批准Gd-PCTA用于临床）具备临床转化潜力。该技术为肿瘤代谢分型及微环境研究提供了精准工具，推动了代谢成像在精准医学中的应用。通过化学交换饱和转移（CEST）成像技术，系统评估了敏感试剂（SRs）检测胞外乳酸盐的可行性。实验以MC-38结肠腺癌细胞48小时常氧培养上清为样本基质，设置20 mM SRs处理组，并通过添加丙酮酸（糖酵解前体）来调控乳酸生成量，所有样本均统一调节pH至6.0以标准化检测条件。采用优化CEST参数（16 μT，5s饱和脉冲）对三组样本（细胞培养基组、20 mM乳酸标准品组和空白对照组）进行成像分析，结果显示该方法可有效区分不同乳酸浓度梯度（图一）。

图二：健康小鼠细胞外乳酸与 Yb-PCTA 的体内 MR 成像。（A） 健康 C57BL/6 小鼠在静脉注射 0.2 mmol/kg SR 盐水溶液或乳酸 1：1 混合物之前和之后 60 min 的代表性轴向解剖 （T 2 加权） 和细胞外乳酸 （CEST 109 ppm） 图像Yb-PCTA.在 14 μT 的 3 s 预饱和脉冲后，以固定偏移量 （109 ppm） 采集 CEST 图像。（B，D）定量注射 0.2 mmol/kg Yb-PCTA 1：1 乳酸 ·Yb-PCTA （D） 或盐水溶液 （B）。（C，E）在膀胱 （C） 和肌肉 （E） 中确定的 ΔM z /M 0 % 动力学的曲线下面积。数据表示为 SEM ±平均值 （n = 3）。*p < 0.05;ns，不显著（学生 t 检验）。

研究基于Ln-PCTA（镧系-PCTA配体）开发新型位移试剂（SRs），选择Eu³⁺、Yb³⁺和Pr³⁺等离子，其低纵向/横向弛豫效应（r₁<0.01 mM⁻¹s⁻¹）可减少对CEST信号的干扰。核磁共振（NMR）分析表明，Ln-PCTA与乳酸通过置换内层水分子形成三元复合物，其刚性吡啶环结构（TSD构型，[4,2,4,2]空间排布）与传统DOTA类配体的TSAP/SAP构型不同，导致结合位点部分偏离平面，产生轻微空间位阻，结合亲和力较弱（KA≤10² M⁻¹）。高温（90℃）下快速交换的NMR信号及EXSY谱交叉峰验证了复合物动态特性。

在7T MRI下，Yb-PCTA和Eu-PCTA分别使乳酸羟基信号偏移至109 ppm和14 ppm（pH 6.7），MTRasym%信号强度与乳酸浓度线性相关（R²>0.95）。Pr-PCTA因质子交换速率过快（kex>3.5×10³ s⁻¹）超出慢交换阈值（Δδ>kex），未检测到有效信号。Yb/Eu-PCTA在pH 6时kex最低（约1000 s⁻¹），支持低饱和功率（B₁<12 μT）检测，利于活体应用。血清中乳酸滴定实验显示检测限低至2 mM，且与酶法结果高度一致（误差<10%），证实其生物样本适用性（图一）。在含竞争代谢物（柠檬酸、碳酸氢盐、磷酸盐）及细胞培养基（DMEM）的复杂体系中，Yb-PCTA对乳酸检测保持高特异性（109 ppm信号无干扰）。Eu-PCTA虽对柠檬酸敏感（CEST信号增强），但血液中柠檬酸浓度（0.1-0.3 mM）远低于乳酸（2-12.9 mM），临床干扰风险低。磷酸盐（血清1.1-1.2 mM）对两者均无显著影响，凸显探针在肿瘤微环境（TME）中乳酸检测的可靠性。

人工膜渗透实验（PAMPA）显示Ln-PCTA细胞膜穿透率极低（<9.5%），细胞孵育后BMS-NMR检测证实其95%以上滞留于胞外。体外细胞毒性实验表明，Ln-PCTA在毫摩尔浓度下与临床对比剂（Gd-DOTA）安全性相当，且Zn²⁺/Ca²⁺存在下稳定性无变化（T₁弛豫率波动<1%），满足活体应用要求。如图二健康小鼠静脉注射Yb-PCTA（0.2 mmol/kg）后，膀胱区域CEST信号于20分钟显影，50分钟达峰值（ΔMz/M₀%≈15%），证实探针经肾排泄路径及乳酸动态监测能力。在MC-38结肠癌移植瘤模型中，1 mmol/kg剂量下肿瘤区域呈现异质性CEST信号，与乳酸空间分布及微环境灌注差异一致，而肌肉组织无信号。该技术首次实现TME细胞外乳酸无创成像，克服传统MRS无法区分胞内/外代谢的局限。在另一项体内实验中，作者采用相同的动态CEST MRI方案对荷瘤小鼠进行了研究。通过皮下接种MC-38结肠腺癌细胞建立荷瘤模型后，考虑到肿瘤组织灌注率降低的特性，将Yb-PCTA的注射剂量提高至1 mmol/kg。实验结果显示出显著的肿瘤特异性对比增强：在注射后即刻即可在瘤区检测到CEST信号（图三）。

PCTA配体复合物具备高动力学惰性（半衰期数小时）与热力学稳定性（log KML=18.15-20.63），且FDA已批准同类Gd-PCTA（gadopiclenol）用于临床，加速其转化进程。未来需优化成像序列（如运动伪影抑制）及探索双探针（放射性/非放射性标记）定量策略，进一步提升肿瘤代谢分型的精准度。

图三：MC-38 荷瘤小鼠细胞外乳酸与 Yb-PCTA 的体内 MR 成像。（A） 在推注 1.0 mmol/kg Yb PCTA 之前（基线）和之后 15 分钟获得的代表性轴向解剖（T 加权）和细胞外乳酸 （CEST 109 ppm） 图像。（B） 解剖图像（顶部）和 CEST 图像（底部）中肿瘤内水肿点（黑色箭头）的放大视图。（C） 注射前（前）和注射后（后）肿瘤和肌肉组织中 CEST 效应的量化（n = 4;平均 ± SEM）

本研究通过高分辨率NMR验证了Yb-PCTA和Eu-PCTA与乳酸结合后仅形成单一TSD构型异构体，并在多温度条件下保持结构稳定性。体外实验显示，两种探针在乳酸存在时产生显著且特异的CEST信号（Yb-PCTA：109 ppm，Eu-PCTA：14 ppm），其结合亲和力（KA≤10² M⁻¹）确保生理乳酸水平在血液中保持稳定，避免探针干扰代谢稳态。细胞实验证实探针膜渗透率低于9.5%，且与临床剂量钆基造影剂（0.2 mmol/kg）安全性相当。活体实验中，Yb-PCTA可精准检测膀胱排泄路径及肿瘤微环境中的细胞外乳酸，但肿瘤区域信号受灌注异质性影响需更高剂量（1 mmol/kg）。未来需通过优化CEST序列（如降低饱和功率、提升信噪比）及探针动力学参数（kex、KA），在保障生物安全性的前提下推动临床转化。该工作为基于镧系-PCTA配体的代谢成像探针开发提供了关键证据，结合CEST MRI技术有望实现肿瘤代谢分型及微环境动态监测的精准化。

原文doi：https://doi.org/10.1021/jacsau.4c01020