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《苏州医工所医学影像室在低成本桌面磁共振波谱仪研究中取得进展》

  • 来源专题：中国科学院亮点监测
  • 编译者： yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间：2018-10-13

  •         核磁共振波谱（NMR）技术已被广泛应用于生命科学、医学、化学、工业等领域。然而，目前NMR技术的主要应用都是基于超导磁体的高场波谱仪，其场强最高可达11T。然而由于超导磁体需要液氦冷却，其重量、体积以及维护成本等约束了NMR的使用，特别是在一些对于体积要求比较小、可移动、可实时在线检测的场景。比如部分化学合成、催化实验中需要实时监测反应结果；在工业非侵入检测质量控制中，需要高通量检测等。在这些场景下，常用的超导NMR的使用受到限制，因此桌面小型NMR的研究有广泛的开发和应用前景。

    　　目前国外对于桌面小型波谱技术开展研究比较多。2010年德国Danieli等人设计了基于HALBACH磁体的0.7 T的桌面NMR系统，其磁体均匀度可以达到0.15 ppm，并将其应用在化学反应实时监测上。2008年，哈佛大学的Lee等人成功研制了片上NMR系统，磁场强度0.5 T，用于高通量细胞分子分析。国内开展的相关研究较少，且主要集中在低场、低均匀度、驰豫测量的应用。其磁体强度小于0.5 T，均匀度高于50 ppm，谱分辨率比较低。

    　　近日，中国科学院苏州医工所医学影像室杨晓冬、郁朋等人，研究了一种基于Halbach磁体的低成本紧凑型小型核磁共振系统。该系统具有结构紧凑和场强高的优势。考虑到制造和组装磁性块的成本，系统采用3层Halbach磁体和楔形机械结构用于磁体快速组装。初始磁场强度分布的仿真和计算结果的比较表明，设计理论和实践相吻合。在使用两个磁性块和钨钢片进行无源被动匀场后，在同一区域内均匀性达到120 ppm，开发并测试了具有数字调制和解调功能的紧凑型单板数字化磁共振谱仪以实现结构紧凑和改善信噪比，并使用自制探头进行波谱实验，在直径为1.5 mm，长度为1 mm的圆柱区域内，波谱半高宽达到20 ppm，达到国内领先地位。系统紧凑的结构和低成本的优势将促进和扩展桌面核磁共振系统在个领域内的应用，具有重要的意义。

    　　相关成果发表在《Journal of Magnetic Resonance》 (二区SCI IF 2.58):

    　　PengYu，Yajie Xu，Zhongyi Wu，Yan Chang，Qiaoyan Chen， Xiaodong Yang *, A Low-cost home-built NMR using Halbach magnet, Journal of Magnetic Resonance, 21，July，2018.

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相关报告

  • 《苏州医工所高山课题组在前列腺癌新致癌基因的研究中取得进展》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-08-01
    •         前列腺癌是男性最常见的恶性肿瘤，也是导致癌症患者死亡的主要原因之一。全世界每年有超过110万的新增前列腺癌患者，有超过25万人因前列腺癌而死亡。我国前列腺癌的发病率远低于西方国家，但由于生活方式西化、人口老龄化等原因，近年来前列腺癌的发病率呈逐年上升的态势。 　　中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医学检验技术研究室高山、杨晓辉等人的研究发现了一种新的可能作为前列腺癌诊断和治疗靶标的基因，科研人员将其命名为PCSEAT。PCSEAT在前列腺癌组织中的表达显著升高，以PCSEAT的表达作为区分正常前列腺组织与前列腺癌组织的方法具有非常高的特异性和敏感性，并显示出了相当大的预测意义。 　　增加PCSEAT可以促进人前列腺癌细胞系的增殖、迁移能力，而抑制PCSEAT的效果正相反。研究者发现PCSEAT可以通过竞争结合microRNA(微小RNA) miR-143-3P和miR-24-2-5P,正向调控靶基因EZH2的表达，进而调控相关表型。EZH2是一种组蛋白甲基转移酶，其的突变和高表达存在于多种恶性肿瘤中，并且与多种人类癌症的不良预后相关，它可能广泛参与癌症的发展和进展。因此，EZH2一直被认为是癌症的相关治疗靶点。此外，该研究也证明了抑制PCSEAT可以增强前列腺癌细胞对EZH2抑制剂的抗性，并且PCSEAT能经由外泌体分泌至细胞外，并被临近受体细胞吸收，进而促进相应受体细胞的增殖、迁移能力。 　　该研究工作的意义不仅仅在于发现了一种潜在的可用于前列腺癌诊断、治疗的生物标志物，并揭示了一个促进肿瘤发生的基因的相关功能。更重要的是，该研究工作第一次揭示了PCSEAT的相关作用机制，并验证了PCSEAT作为EZH2抑制剂的生物标志物、作为前列腺癌中外泌体给药的生物标志物的可能性。相关成果并发表在BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS (SCI IF 2.466): 　　Xiaohui Yang, Liang Wang, Rong Li, Yuhui Zhao, Yinmin Gu, Siying Liu, Tianyou Cheng, Kuohsiang Huang, Yi Yuan, Dalong Song, Shan Gao*. The long non-coding RNA PCSEAT exhibits an oncogenic property in prostate cancer and functions as a competing endogenous RNA that associates with EZH2, May.4, 2018 (Published online). 　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006291X18312282。 　　此外，相关成果已申请专利：人前列腺癌早期诊断用长链非编码RNA序列及其应用。专利申请号：201710992491.6，目前已申请公布。 　　基于PCSEAT的表达作为区分正常前列腺组织与前列腺癌组织的方法具有非常高的特异性和敏感性，该项专利具有非常高的应用前景，其应用能显著提高前列腺癌诊断的精准度，降低前列腺癌患者诊治费用。 　　该研究工作获得了中国科学院相关人才计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家重点研发计划和国家自然基金的资助。
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  • 《中国科大在水溶液环境中实现单个生物分子磁共振谱探测》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-10-17
    •         中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领衔的研究团队运用量子技术首次在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱，从而向运用单分子磁共振研究生物分子在生理环境中的构像和分子间相互作用迈出了重要一步。该工作发表在2018年9月出版的《自然-方法》上[Nature Methods 15, 697–699 (2018)]，并被选为五篇封面标题文章之一。 　　磁共振技术能够在溶液环境准确无损地获取物质的组成和结构信息，是目前研究生物分子结构和动力学的最有效的工具之一。然而，传统的磁共振技术受限于探测灵敏度，其研究对象通常为数十亿分子的宏观体系，无法实现单分子的研究。杜江峰团队利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子传感器（以下简称“钻石传感器”），它在绿色激光和特定频率微波脉冲的调制下，形成对磁信号敏感的量子干涉仪，将微弱的磁信号放大为量子相位信号，并利用光学手段进行读出。同时，由于钻石传感器的尺寸在原子量级，可以实现纳米尺度的空间分辨能力。因此，钻石传感器可以实现单个分子探测，并能通过磁共振谱学解析其结构和动力学等信息。 　　杜江峰团队此前的研究已经表明，基于钻石传感器能够探测单个蛋白质分子的磁共振谱[Science 347, 1135–1138 (2015)]，实现了单分子磁共振的首次突破。该实验中的蛋白质分子被生物胶固定在钻石表面。然而，水溶液环境是生物分子保持生物活性并进行生命活动所必须的环境，在水溶液环境中进行单分子的磁共振探测是研究其生物功能的必经之路。杜江峰团队与南加州大学教授覃智峰合作，以双链DNA分子作为探测对象，此DNA分子被放置在钻石表面并填充水溶液以保持其生理状态。首先，为了防止DNA分子在溶液中的扩散，该团队设计了一套化学反应流程，将DNA分子的一条链（下图红色虚线示意）一端通过氨基修饰，化学键合“拴”在钻石表面，这也保证了DNA分子在钻石表面的均匀分布；同时将一种常用的氮氧自由基顺磁标签标记到DNA的另一条链（下图蓝色实线示意），其可以在水溶液中与键合链自由地复合-解链。其次，得益于钻石微纳技术的发展，加工得到钻石纳米柱，同时改进微波操控技术，使得探测效率大幅提升，能够快速测得单分子磁共振谱，信号获取时间从小时量级缩短到数分钟。最终，该团队成功地获取了水溶液环境下单个DNA分子的磁共振谱，并通过谱分析得到其动力学和环境特征信息。通过谱线展宽和仿真计算得到该DNA分子自由基的运动特征时间信息；通过谱线超精细分裂大小得到该DNA分子所处的疏水性环境信息。 　　该工作为在水溶液环境中研究单个生物分子的结构和功能提供一种新的技术方法，是朝向细胞原位单分子研究迈出的重要一步。以此为基础，和扫描探针、梯度磁场等技术相结合，未来可将该技术应用于生命科学领域的单分子成像、结构解析和动力学检测，从单分子层面理解生物特性和生命功能，具有广泛的应用前景。审稿人评述该工作：“单分子技术是当代生命科学的发展至关重要的一项技术，实现单个DNA分子的探测及其动力学行为研究将引起相关领域科学家很大的兴趣”。 　　中国科学院微观磁共振重点实验室石发展、孔飞和赵鹏举为该论文并列第一作者，杜江峰和覃智峰为该文通讯作者。此项研究得到科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。
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