莱斯大学工程师的模拟揭示了MRI扫描中使用的钆造影剂与其液体环境之间分子相互作用的细节。在这个模型中，绿色的钆被蓝色的螯合离子包围，它们本身被水包围(灰色的氧原子和红色的氢原子)。Thiago Pinheiro dos Santos/莱斯大学
2022年11月21日——你可以保持你最好的猜测。工程师们莱斯大学的乔治布朗工程学院开始确切地了解当医生将造影剂注入你的身体时发生了什么核磁共振成像扫描．
在一个新的研究这可能会导致更好的扫描，赖斯领导的团队通过分子模拟更深入地挖掘，与早期的模型不同，这种模拟完全不假设在什么时候起作用的基本机制钆药物用于突出软组织。
该研究由Rice化学和生物分子工程师领导菲利普的歌手他是前副教授Dilip Asthagiri他现在就职于橡树岭国家实验室，他的研究生蒂亚戈·皮涅罗·多斯桑托斯出现在杂志中物理化学化学物理．
它采用了赖斯大学首次为油气研究开发的复杂模型，以最终分析在核磁共振(NMR)下，氢原子核在体温下是如何“放松”的，核磁共振成像(MRI)使用的技术。
医生使用核磁共振成像通过诱导来“看到”病人的软组织状态，包括大脑磁矩在水分子的氢核中与磁场对齐，当钆剂在附近时，这个过程可以被操纵。当对准的原子核在激发后放松到热平衡时，该装置可以探测到亮点。他们放松得越快，对比就越明显。
钆分子天生具有顺磁性，对磁激发很敏感。因为它们是有毒的，它们通常是螯合造影剂的一部分。Pinheiro dos Santos说:“螯合物基本上是拥抱钆，保护你的身体不直接与金属相互作用。”“我们在问，这些分子究竟是如何行为的?”
尽管以钆为基础的造影剂每年都要成吨地注射到患者体内，但它们在分子水平上的作用机理却从未被完全理解。
“回溯到40年前，在核磁共振领域，人们认为液态水只是一堆移动的弹珠，弹珠中的偶极子随机地重新定向，”Asthagiri说。
但他说，这种假设是有局限性的。“蒂亚戈用他的显式模拟所做的是展示水网络是如何随着时间演变的，”阿斯基里说。“这些都是复杂的、计算密集型的计算。”
Rice模拟使用了高度细化的可偏振器件力场要详细地研究这一现象，那需要密集的研究GPU-accelerated计算。
该团队用合著者的实验数据验证了其分子动力学方法史蒂文Greenbaum他是哈佛大学的物理学教授亨特学院他的实验室专门从事凝聚态物质中离子和分子输运过程的核磁共振测量。
模拟结果显示，钆周围水分子的内壳和外壳对热激发的反应存在明显差异。Pinheiro dos Santos说:“内壳是由8到9个水分子围绕在钆周围组成的。”“它们强烈地附着在钆上，并在那里停留了很长时间，只有几纳秒。外层包含了所有剩余的水分子。”
研究人员发现，虽然内壳的结构在41到98.6华氏度之间没有变化，但它的动力学非常容易受到热效应的影响。他们还发现温度极大地影响self-diffusivity分子在钆-水的模拟中影响了外壳弛豫。
辛格说:“总的来说，这些发现为阐明造影剂在MRI扫描期间对人体状况的反应开辟了新的途径。”“通过更好地理解这一点，人们可以开发出新的、更安全、更敏感的造影剂，并使用模拟来增强MRI数据的解释。”
他说，未来的研究将检查更能代表细胞内部的液体中的螯合钆复合物。
欲了解更多信息:https://www.rice.edu/ ；
2023年1月23日
