图1: 增加碳13（13C）核的MRI信号的过程。 DNP =动态核极化，NMR =核磁共振。

图2: 丙酮酸代谢途径的示意图。

 [^1-13C] 丙酮酸被迅速吸收到细胞中，并分别通过酶乳酸脱氢酶（LDH）和丙氨酸转氨酶（ALT）在细胞溶质中代谢成 [^1-13C] 乳酸和 [^1-13C] 丙氨酸。 高度极化的[^1-13C]丙酮酸也被转运到线粒体中，并被丙酮酸脱氢酶（PDH）转化为¹³C CO₂和乙酰Co-A，CO₂与¹³C碳酸氢盐快速平衡。TCA=三羧酸。 红圈=¹³C标签的位置。

图3: 在前列腺癌的转基因腺癌小鼠模型中的超极化碳13（¹³C）MRI。 

A，在正常小鼠前列腺，早期前列腺肿瘤，晚期前列腺肿瘤和淋巴结转移中注射HP [^1-13C]丙酮酸后，代表性苏木精 - 伊红染色的病理切片和HP ¹³C光谱。在组织学检查中，正常的小鼠前列腺是腺体，腺体上有分泌的上皮细胞（箭头）。在前列腺肿瘤中，分化上皮细胞逐渐被分化较少的上皮细胞取代，直到腺体被完全消除，并且在晚期肿瘤中仅留下具有不规则细胞核的多形性细胞的间变片（箭头）。 13C光谱显示晚期肿瘤和淋巴结转移中¹³C乳酸和¹³C乳酸/丙酮酸比率增加。 

B，在T2加权图像上的轴向T2加权解剖MR图像和HP ¹³C乳酸盐图像的重叠显示在晚期肿瘤中定性高水平的乳酸。彩条的单位=信号强度的任意单位。 C，箱形图显示四个组织学定义的组中的定量13C乳酸信号，其中晚期肿瘤具有比早期肿瘤显着更高的乳酸。 SNR =信噪比。

图4：示意图显示了临床超极化碳13（¹³C）MRI研究所需的组分。 

用于制备无菌¹³C探针的药房试剂盒，具有内置质量控制单元的临床偏振器和专用MRI检测器硬件现在可商购获得。 许多快速¹³C脉冲序列和后处理工具都可以作为开源使用。 在[^1-13C]丙酮酸盐的情况下，其使用的研究性新药资源可从国家癌症研究所获得，以帮助获得美国食品和药物管理局（FDA）监管批准的临床HP MRI研究。 kPL =丙酮酸 - 乳酸转化的表观速率常数。

图5: 代表性轴向T2加权MR图像，水表观扩散系数（ADC）图像，T2加权MR图像，具有重叠的表观速率常数，用于丙酮酸（Pyr） - 乳酸（Lac）转换（kPL），及相应的超极化（HP）碳13（¹³C）光谱阵列在一名52岁患者中，患有广泛的高级别（格里森4 + 5）前列腺癌，A，治疗前和B，6周后开始雄激素切除和化疗。

在治疗前，可以看到前列腺癌区域（箭头）为T2加权和ADC图像上的低信号，在谱阵列中看到高HP乳酸（垂直轴=任意信号强度单位;水平轴=部分频率）每百万）和高kPL。

在雄激素剥夺治疗开始后6周，在光谱阵列上几乎完全消除HP乳酸峰升高并且肿瘤kPL显着降低。

值得注意的是，在T2加权MR图像上肿瘤大小的变化可忽略不计，并且ADC图像仅有适度变化，支持HP [^1-13C]丙酮酸MRI在常规图像变化之前检测早期代谢反应的效用。

与这些发现一致，患者随后实现了显着的临床反应，在治疗开始后6个月检测不到血清前列腺特异性抗原水平。

图6: 两名多形性胶质母细胞瘤患者的超极化（HP）[^1-13C]丙酮酸MR图像。

患者A（顶行）在HP研究时具有进展性肿瘤，而患者B（底行）在HP研究时具有稳定的肿瘤。 HP [^{1- 13}C]丙酮酸通过血脑屏障快速转运并转化为代谢产物乳酸和碳酸氢盐。

在正常脑中存在大量丙酮酸 - 乳酸和丙酮酸 - 碳酸氢盐转化。患有进行性肿瘤的患者A中的肿瘤（箭头）与正常脑相比显示出中度的丙酮酸盐 - 乳酸盐转化。

患有临床稳定肿瘤的患者B中的肿瘤（箭头）显示没有实质上的丙酮酸盐 - 乳酸盐转化。

两种肿瘤均显示缺乏丙酮酸 - 碳酸氢盐转化，表明线粒体氧化代谢减少。色条=代谢物比率。

颜色条的比例差异是由于用于患者A的单频带恒定翻转角激励方案和用于患者B的多频带可变翻转角激发方案。

这些初步发现支持使用HP [^1-13C ] pyruvate MRI用于研究脑肿瘤中的代谢重编程。 FLAIR =流体衰减的反转恢复，Gad =钆。

图7: 乳腺癌转移至肝脏的患者的超极化（HP）[^1-13C]丙酮酸MR图像。 

该研究使用16通道腹部碳13（¹³C）线圈阵列进行，允许覆盖整个上腹部和动态¹³C回波平面光谱成像技术，时间分辨率为2秒。 

T2加权单次快速自旋回波（SSFSE）图像（左）显示多发性肝转移。 

在T2加权SSFSE图像上叠加的kPL（每秒丙酮酸盐 - 乳酸盐转化的表观速率常数）图（右）显示具有升高的丙酮酸盐 - 乳酸盐转化的肝转移（箭头），与代谢活性一致肿瘤。