多核MR在心血管疾病中的应用现状与进展总结2026

多核MR在心血管疾病中的应用现状与进展总结2026目前，常规心血管MR（cardiovascularMR，CMR）以

1H为观测核，可在体系统评估心脏形态结构、功能状态以及组织学特征，然而，其对心肌代谢的解析能力有限。多核MR技术通过探测非氢原子核（如

23Na、

31P、

13C、

19F）的信号，为心血管疾病的机制研究、早期诊断及治疗监测提供全新的代谢视角

［

1］

。

23Na-MR能可视化组织钠离子分布，无创评估细胞膜完整性、钠钾交换腺苷三磷酸（adenosinetriphosphate，ATP）酶活性及组织纤维化程度，为心肌活力与水肿提供关键信息；

31P-MR波谱（MRspectroscopy，MRS）作为无创检测能量代谢的重要手段，可定量心肌ATP、磷酸肌酸（phosphocreatine，PCr）等高能磷酸化合物浓度，反映细胞能量稳态；超极化

13C-MR技术通过对比剂信号增强技术突破灵敏度限制，实时动态追踪心肌丙酮酸摄取、三羧酸循环通量等代谢途径，精准定量代谢流率；而

19F-MR利用外源性含氟纳米颗粒作为特异性示踪剂，高灵敏度监测心脏炎症细胞浸润、血栓形成等过程。综上所述，多核MR技术可通过解析离子稳态、能量代谢、分子通路及细胞活动，从而提供丰富的病理生理信息。本文聚焦

23Na、

31P、

13C与

19F多核MR在心血管疾病中的应用与进展，并探讨其未来临床转化前景。一、

23Na23Na-MR可评估心肌组织钠离子水平、图像Na信号强度等参数，综合细胞内外钠离子分布情况，间接反映细胞膜的完整性、钠钾交换ATP酶的活性以及组织水肿和纤维化程度，从而有效表征心肌存活状态。目前，在临床人类心脏研究中，通过

23Na-MR仅能评估心肌组织总体钠水平，而三量子滤波技术有望实现心肌组织细胞内外钠水平的无创测量

［

2］

。此外，

23Na-MR还可评估皮肤和肌肉中的钠含量，系统反映心力衰竭等心血管疾病中病理性钠储积情况。23Na-MR可有效可视化及定量分析缺血及梗死后心肌功能。Jansen等

［

3］

在使用移位剂处理离体大鼠心脏后，聚焦于心肌组织中细胞内钠离子Na

+

i，交替使用

23Na-MRS和

23Na化学位移成像，发现低流量灌注结束时，Na

+

i图像强度与心肌组织在缺血后的恢复能力之间存在相关性。Sandstede等

［

4］

使用

23Na表面线圈及1.5T下双角度心电图触发三维梯度回波序列对心肌梗死后亚急性期和慢性期患者进行

23Na-MR检查，发现

23Na信号强度升高区域与电影序列测得的壁运动异常区域在空间分布范围上高度一致，两者界定的病灶面积呈正相关（亚急性期

r=0.96，

P<0.001；慢性期

r=0.90，

P<0.001），表明

23Na-MR可有效显示心肌梗死后亚急性期和慢性期存在的心肌功能障碍。Ouwerkerk等

［

5］

进一步采用投影扭曲成像序列定量绝对组织钠浓度（tissuesodiumconcentration，TSC），结果发现，心肌梗死后慢性期患者梗死区域的平均绝对TSC相比于其自身的梗死远端心肌及健康男性对照组，均升高约30%，说明心肌梗死后慢性期患者

23Na信号强度升高可归因于TSC升高，增强了使用

23Na-MR表征心肌功能的可信度。钠离子是体内调节渗透压和血容量的核心离子，与高血压、心力衰竭等心血管疾病的进展密切相关，

23Na-MR可为揭示其病理性钠失衡及药物干预效应提供关键证据。Lemoine等

［

6］

通过

23Na-MR发现心力衰竭患者皮肤钠含量与血液透析患者相当（

P=0.6），但明显高于肾功能匹配的慢性肾脏病组（

P=0.005），且皮肤钠含量与尿钠排泄及容量状态相关（

P=0.04），凸显

23Na-MR指导精准容量管理的潜力。Alsouqi等

［

7］

使用

23Na-MR监测早期高血压患者的肌肉和皮肤钠含量，发现经低钠饮食或利尿剂干预后，所有干预组肌肉或皮肤钠含量均未降低，其中饮食控制组皮肤钠含量增加，脉搏波传导速度亦未改善，表明对于早期高血压患者，短期利尿治疗未能动员组织钠或改善血管功能，需针对高危人群优化干预策略。内分泌疾病所导致的钠离子紊乱也和疾病的心脏表现相关联。Christa等

［

8］

结合

23Na-MR和

1H-CMR发现，原发性醛固酮增多症（primaryhyperaldosteronism，PHA）患者心肌相对钠信号强度（relativesodiumsignalintensities，rSSI）显著高于健康对照，表明心肌是新的钠储存点，进一步阐明PHA患者钠储积与左心室肥厚之间的联系。且经盐皮质激素拮抗治疗或肾上腺切除术后，心肌rSSI降低13%（

P=0.028），进一步证实心肌钠储积具可逆性。二、

31P心肌能量代谢改变是疾病状态下心肌代谢重塑的关键环节。

31P-MRS能够在体无创定量检测组织中多种磷酸化合物，主要包括PCr、ATP、无机磷以及细胞膜磷脂分解代谢产物如磷酸二酯等，进而得到PCr/ATP、细胞内pH等信息，并可测算肌酸激酶（creatinekinase，CK）通量反映心肌细胞的能量周转效率，有效评估心肌能量代谢

［

9］

。PCr作为能量储备化合物，可由CK催化向腺苷二磷酸输送磷酸基团以快速生成ATP，PCr/ATP比值是评估心肌能量状态和能量供需平衡的重要指标，其在临床中应用最为广泛。31P-MRS可探查各种情况下的心肌能量代谢异常。相关研究表明，在机体能量过剩的情况下，如肥胖时，可检测到静息状态下心肌组织中经CK代谢流输送ATP增多

［

10］

。此外，在高血压性

［

11］

、缺血性/非缺血性心肌病

［

12］

中，PCr/ATP比值降低，且其可预测扩张型心肌病（dilatedcardiomyopathy，DCM）的不良结局

［

13］

。心肌代谢底物选择最优化是提升心肌能量产生效率的有效途径。Watson等

［

14］

对20例非缺血性左心室射血分数降低型心力衰竭（heartfailurewithreducedejectionfraction，HFrEF）患者与10名健康志愿者进行胰岛素联合葡萄糖组合与脂肪乳剂的输注干预，结合

31P-MRS与

1H-CMR评估心肌代谢与功能，研究发现，即使在HFrEF状态下，心脏仍保留有一定的代谢灵活性。与输注胰岛素联合葡萄糖组合相比，HFrEF患者在接受脂肪乳剂后表现出更优的心肌能量代谢状况，心脏收缩和舒张功能均得到改善。此外，研究者对9例HFrEF患者于起搏器植入术中行相同输注干预，并辅以有创压力-容积环监测和动静脉血样代谢组学和脂质组学分析，结果显示输注脂肪乳剂时即使心率达到最大心率的65%，也未出现收缩功能障碍或乳酸外流现象。该研究提示，在左心室射血分数（leftventricularejectionfraction，LVEF）降低的情况下，增强非缺血性HFrEF患者心肌脂肪酸氧化可改善心肌能量供应并产生正性肌力效应，且未引发氧供需失衡所致的缺血性代谢，对传统代谢调控理论提出挑战，表明促进脂肪酸氧化可能成为一种潜在治疗策略。心肌能量代谢改善情况可作为药物心脏受益程度的评估参考。Chowdhary等

［

15］

通过

31P-MRS监测2型糖尿病（type2diabetesmellitus，T2DM）患者心肌能量代谢以评估不同药物的干预效果，发现胰高血糖素样肽-1受体激动剂利拉鲁肽治疗可显著提升无心血管疾病的T2DM患者静息和负荷状态下的PCr/ATP比值。而噻唑烷二酮类药物吡格列酮对二者均无显著影响，表明利拉鲁肽能优化T2DM患者心肌能量储备，为阐释其心血管获益的代谢机制提供关键实验依据。三、

13

C超极化

13C-MR作为具有突破性的分子影像技术，通过溶解动态核极化技术将

13C标记的代谢物MR信号增强超过10000倍，使实时动态追踪心肌代谢物成为可能

［

16］

。目前，超极化

13C丙酮酸MRS及成像应用最为广泛，其有助于从基础代谢反应角度，进一步解析心肌在病理状态下的代谢重塑。它能通过揭示心肌代谢通路的动态活性，为心血管疾病的早期诊断、机制研究、治疗靶点识别及疗效评估提供精准全面的代谢信息。超极化

13C-MR可通过对超极化

13C示踪剂下游代谢物进行动态监测，评估乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶（pyruvatedehydrogenase，PDH）、丙氨酸氨基转移酶以及三羧酸循环代谢通量，反映心肌代谢状态。Agger等

［

17］

以肺动脉结扎术构建猪右心室衰竭模型，并进行超极化［1-

13C］丙酮酸MR检查，发现16周后，相比于体重匹配的健康对照组，手术干预组左心室丙酮酸/碳酸氢盐水平明显低于对照组（

P=0.02），而其乳酸/碳酸氢盐（

P=0.02）及乳酸/丙氨酸水平（

P=0.03）明显升高，这些代谢指标变化早于超声心动图检测到的心功能异常，提示超极化

13C-MR可敏感捕捉心肌无氧代谢转变。Fuetterer等

［

18］

以猪为实验动物模型，诱导心肌梗死后，使用超极化［1-

13C］丙酮酸MR进行纵向研究，以

13C碳酸氢盐信号反映PDH活性，发现梗死区域代谢不活跃心肌的周向范围在研究过程中逐渐减小，表明基于恢复的PDH活性可识别危险区域内的存活心肌。Santos等

［

19］

采用超极化［1-

13C］丙酮酸MRS技术，评估左心室射血分数保留型心力衰竭（heartfailurewithpreservedejectionfraction，HFpEF）大鼠模型组与正常对照组的心脏代谢改变情况，发现由

1H-CMR测得两组大鼠的LVEF均正常且无明显差异，但HFpEF模型组心肌碳酸氢盐/乳酸比值低于正常对照组（

P=0.008），表明其心肌葡萄糖氧化减弱及无氧糖酵解依赖增强，为HFpEF病理状态下心肌代谢底物偏移提供直接影像证据。目前，超极化

13C丙酮酸MR多应用于临床前实验的动物模型，其在临床研究领域的应用正逐步深化，致力于从心肌代谢水平精确表征心功能失代偿。Joergensen等

［

20］

使用超极化［1-

13C］丙酮酸MR探测心力衰竭患者心肌代谢变化，研究纳入伴有心力衰竭的缺血性心脏病（ischemicheartdisease，IHD）患者、DCM患者及健康对照组。结果显示，在心力衰竭患者中，LVEF与乳酸/碳酸氢盐（

r=-0.6，

P=0.03）和乳酸/总碳信号（totalcarbon，TC）（

r=-0.7，

P=0.01）呈负相关，在IHD亚组中，这种相关性更为明显，而在DCM亚组中，这些相关性虽类似但无统计学意义。此外，对于心力衰竭患者，左心室中部周向应变值与代谢比值也存在相关性。且不同组别心力衰竭患者之间的平均代谢物水平（乳酸/TC、碳酸氢盐/TC和乳酸/碳酸氢盐）差异具有统计学意义，表明患者个体间代谢异质性，展现出超极化

13C-MR精确分析心力衰竭患者心肌代谢表型的潜力。Park等

［

21］

使用超极化［1-

13C］丙酮酸MRS衡量乳腺癌化疗药物对于女性患者的心脏毒性，研究表明，4个化疗周期后，相比于治疗前，心肌碳酸氢盐/TC水平略有下降（

P=0.037），乳酸及丙氨酸与TC的比值无明显变化，提示存在轻微线粒体损伤，为早期检测肿瘤化疗心肌损伤提供新方法，也为早期干预肿瘤治疗相关心血管不良事件提供启发。四、

19F19F-MR凭借人体

19F原子内源性背景信号缺乏以及100%的天然丰度、较高的磁旋比和灵敏度、无放射性等优势，通过将配体、多模态分子成像信号组件、药物等修饰于全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）等含氟纳米颗粒表面，可从分子水平实现对心肌炎症和血栓形成等关键病理生理过程的无创、定量监测，协助完成细胞移植追踪以及靶向药物递送等精准治疗手段

［

22,23,24］

。目前，

19F-MR分子成像应用主要集中于临床前试验，其在临床研究中的应用仍有待推进。19F-MR能够实现冠状动脉炎症和粥样硬化斑块形成发展过程无创可视化，预测心肌梗死风险。Flögel等

［

25］

开发了一种多靶点、多色纳米示踪技术，利用搭载不同配体且具有独特光谱特征的PFC作为靶向剂，结合

1H-CMR和多化学位移选择性

19F-MR对动脉粥样硬化小鼠模型开展纵向研究，完成心血管炎症的早期检测和心脏及肺部急性和慢性血栓形成及炎症状态可视化，在没有任何常规参数显示即将出现危险时，识别心肌梗死高风险区域，并发现肺血栓栓塞模型中此前未知的病理特征，表明该技术可应用于冠状动脉心脏病整个病理生理级联反应的连续体内成像，并能识别已充分表征的动物模型中此前未知的病理实体，具有疾病预测潜力和临床转化前景。此外，

19F-MR提供了多种方法在细胞或分子水平可视化梗死后心肌的病理状态。Ramos等

［

26］

在小鼠心肌梗死模型中，利用非侵入性多核

19F-MR和

1H-CMR技术首次实现心肌炎症和细胞外基质重塑的同时评估。研究中，予小鼠注射

19F-PFC纳米颗粒以研究炎症细胞募集，发现

19F信号与梗死区域共定位，与组织学分析测得的巨噬细胞含量呈强相关（

ρ=0.89，

P<0.0001）；此外，注射钆基弹性蛋白结合对比剂，通过T

1

mapping计算得到纵向弛豫率（T

1

relaxationrate，R1）量化细胞外基质原弹性蛋白和弹性蛋白含量以评估心肌瘢痕，R1值亦与体外免疫组化分析所得的原弹性蛋白沉积之间存在明显相关性（

ρ=0.89，

P<0.0001）。

19F信号和R1值两者结合可提高识别心肌梗死后正向心肌重塑的准确度（灵敏度75%，95%

CI

49%~100%，特异度91%，95%

CI

74%~100%）。Straub等

［

27］

则通过筛选鉴定得到特异性结合大鼠心外膜源性基质细胞（epicardium-derivedstromalcell，EpiSC）的肽段EP9，并将EP9偶联到PFC上，再由

19F-MR实现EpiSC的可视化。该方法能够有效减少单核细胞对PFC的摄取，为心肌梗死后EpiSC的体内追踪提供新途径，并为细胞特异性药物递送奠定基础。上述研究表明，

19F-MR在心血管疾病的精确治疗实现方面具有重要意义。五、多核MR综合应用23Na、

31P、超极化

13C-MR可综合应用于临床前试验和临床研究中，全面表征心肌代谢情况。肥厚型心肌病（hypertrophiccardiomyopathy，HCM）存在糖酵解与葡萄糖氧化解偶联、脂肪酸氧化减少、细胞内钠离子浓度升高和线粒体功能障碍等代谢异常。Baka等

［

28］

在HCM小鼠模型中，同时应用

23Na、

31P和超极化

13C-MRS评估钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂恩格列净的治疗潜力。研究发现，16周恩格列净治疗使得HCM小鼠心脏心肌代谢及能量状态明显改善，证实恩格列净可纠正心肌代谢异常，为HCM治疗提供新思路。Rider等

［

29］

使用超极化

13C、

31P和

1H-MRS评估健康志愿者和T2DM患者心脏代谢变化情况。结果显示，T2DM患者空腹时心脏PDH代谢通量（

P=0.013）和PCr/ATP比值（

P=0.042）均明显低于健康志愿者，而心肌甘油三酯含量明显高于健康志愿者（

P=0.026）。该研究表明，多核MRS可综合应用于无创评估人体心脏代谢变化，有助于深入了解心脏代谢变化机制，为糖尿病性心肌病等心血管疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。六、挑战：尽管如此，多核CMR的深度应用和临床转化仍面临挑战，现阶段多集中应用于基础研究与临床科研探索。首要局限在于

23Na、

31P磁旋比低，其内源性相对灵敏度分别仅为

1H的9.2%和6.6%，加之体内钠磷代谢物浓度（mmol/L）远低于水质子（mol/L），使得其常规场强下信噪比低

［

2，30］

。尤其在心脏跳动和呼吸运动影响下，生理运动伪影加大了信号获取难度；超极化

13C虽大幅提升信号，但体内［1-

13C］丙酮酸T

1弛豫时间极短，其快速衰减的特性使得成像时间窗较为狭窄，制约图像空间分辨率与信噪比

［

31,32］