植物的磁力魔法：CEST技術讓隱形代謝現形

圖片作者：ChatGPT

想研究生物體內的即時動態，動物可以照CT、MRI，讓科學家看到牠們體內的變化，但是為什麼沒聽過植物照CT或MRI呢？是否曾經好奇過為什麼？

這是因為植物組織有許多特性，導致要幫植物照MRI會有很多困難。首先，植物的細胞間隙中存在著空氣與水。這些空氣與水因為磁化率差異大，很容易造成局部磁場扭曲。

而且，會造成磁場扭曲的，還不止是細胞間隙喔！植物有木質部、韌皮部構成的維管束，而維管束與周圍組織的磁化率不同，也會影響到解析。另外，植物的細胞壁含有纖維素與半纖維素等物質，這些物質的磁化率與細胞質也不同！

光是細胞外面的物質，就有這麼多問題，那麼細胞內呢？細胞內會有澱粉粒與油滴，這些物質與周圍細胞質的磁化率也不同！更不要提植物組織中的水分分布並不均勻，而水是影響磁共振信號的主要因素之一。

所以，因為以上的這麼多原因，造成要幫植物做MRI很不容易。過去，曾經有科學家使用所謂的「化學位移成像」（CSI，Chemical Shift Imaging）的技術來掃描植物。CSI利用不同分子在磁場中共振頻率（化學位移）不同來區分它們，可以定位代謝物，也可以定量；但是CSI需要均勻的磁場，所以要解析有許多不均勻磁場的植物就有其限制。

最近，有一個新技術，稱為CEST（化學交換飽和轉移磁共振成像，Chemical Exchange Saturation Transfer），因為CEST主要是依賴水的質子與代謝物的質子之間的交換來成像，所以對局部磁場的小變化不會像CSI那麼敏感；另外CEST可以透過累積效應把信號放大，所以能夠偵測到濃度比較低的代謝物。也因為這樣，所以與CSI相比，CEST不需要掃描那麼久，而且對空間的分辨也比較好。

更好的是，CSI需要使用「水抑制技術」，否則無法看到其他代謝物的信號，但是CEST不需要！什麼是「水抑制技術」呢？因為核磁共振要看分子在磁場中的共振頻率，但是所有生物都是水做的（體內水的含量最高），而水分子在磁場中當然也會給出信號，但是因為水的含量遠高於其他分子的含量，所以，如果不想方法來選擇性的飽和或消除水分子的信號的話，那麼其他代謝物的信號都會因為被水的信號遮蔽而無法看到了。在這樣的前提下，不需要使用「水抑制技術」的CEST當然更好囉。

所以，研究團隊使用了CEST技術掃描了玉米、大麥、豌豆、馬鈴薯、甜菜、甘蔗等作物的儲藏器官，並將它產生的影像與CSI產生的影像來比較。

結果發現，CEST可以檢測糖與胺基酸的分布，並具有較高的空間分辨率，在某些實驗中達到50-80微米。而CSI的空間分辨率通常較低，約為300微米。

另外，CEST能夠在各種作物樣本中產生清晰、可靠的代謝物分佈圖像，CEST對磁場不均勻性的影響較小，能夠在各種植物樣本中產生一致的結果。但是CSI在磁場不均勻的樣本中容易產生信號失真或圖像扭曲。

由於不需要很長的掃瞄時間，研究團隊發現他們能夠成功追蹤大麥種子生長過程中糖和胺基酸分佈的變化。他們也發現，CEST能成功應用於多種作物（玉米、大麥、豌豆、馬鈴薯、甜菜、甘蔗）的不同器官，尤其是當應用於比較複雜的樣本，如在大麥穀粒發育的中期階段，當胚胎正在生長但種子仍然包含液態胚乳時，CSI圖像顯示出明顯的信號中斷/偏差，不能準確反映代謝物的實際空間分佈。另外，在早期發育階段的玉米核中，CEST能夠清晰地顯示糖和氨基酸在活體玉米核中的分佈，而CSI卻難以提供可靠的代謝物分佈圖像。

所以，綜合這些測試，研究團隊認為CEST技術展現出了明顯的優勢，能夠提供更可靠、更高分辨率的代謝物分佈圖像。這意味著我們可以應用這個技術幫植物照MRI，窺探更多植物的秘密！

參考文獻：

Mayer, S., Rolletschek, H., Radchuk, V., Wagner, S., Ortleb, S., Gündel, A., Dehmer, K. J., Gutjahr, F. T., Jakob, P. M., & Borisjuk, L. (2024). Metabolic imaging in living plants: A promising field for chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI. Science Advances, 10(38), eadq4424. https://doi.org/10.1126/sciadv.adq4424