磁共振水通道蛋白分子成像機(jī)制及研究進(jìn)展

張志平，邢偉，陳杰

水通道蛋白(aquaporins，AQPs)磁共振分子成像是建立在AQPs理論基礎(chǔ)上的一種新興的分子成像技術(shù)，通過多b值水通道蛋白分子成像技術(shù)不僅可以獲得水分子的擴(kuò)散信息和組織的微循環(huán)灌注信息，而且可以獲得水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)信息，從而間接反映細(xì)胞膜上AQPs的表達(dá)水平，從分子層面為疾病的診斷、治療及預(yù)后的評估提供更多的依據(jù)。近來年，隨著磁共振設(shè)備和成像技術(shù)的進(jìn)步以及對 AQPs研究的不斷深入，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究越來越多，尤其是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和腫瘤方面的應(yīng)用已取得了令人鼓舞的成績，使AQPs分子成像從細(xì)胞和分子水平的基礎(chǔ)研究向臨床轉(zhuǎn)化成為可能。

AQPs的理論基礎(chǔ)

AQPs是一類具有高度選擇性的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以四聚體的結(jié)構(gòu)形式富集于原核及真核生物的細(xì)胞膜上，能夠顯著增加細(xì)胞膜對水的通透性，對維持細(xì)胞內(nèi)外水平衡及穩(wěn)定細(xì)胞微環(huán)境具有重要作用[1-3]。AQPs由13個(gè)成員組成(AQP0～AQP12)，廣泛分布于全身各種組織和器官中。根據(jù)其主要結(jié)構(gòu)，可分為3個(gè)亞科：水選擇性AQP，也被稱為傳統(tǒng)的水通道蛋白，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8，其功能是專門轉(zhuǎn)運(yùn)純水；水甘油通道，包括AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，對水和一些小的非帶電溶質(zhì)(如甘油、尿素和硝酸鹽等)具有滲透性[4-5]；第三個(gè)被稱為超水通道蛋白的亞家族，是新鑒定的亞家族成員，包括AQP11和AQP12，這2者在氨基酸水平上與其它經(jīng)典AQP的同源性較低[6]。這些分布在人體各組織器官中的不同類型的AQPs共同參與了水的分泌吸收及維持細(xì)胞內(nèi)外水的平衡。

一般認(rèn)為細(xì)胞膜上的水通道蛋白是處于持續(xù)開放狀態(tài)的，水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是雙向的且不需要消耗能量。水分子通過AQPs的移動(dòng)方向取決于：①細(xì)胞膜兩側(cè)液體的滲透壓， 水分子從滲透壓低的一側(cè)向高的一側(cè)移動(dòng)，直至兩者達(dá)到平衡；②細(xì)胞膜上AQPs 的數(shù)量，組織或者細(xì)胞通過上調(diào)或者下調(diào)AQP的數(shù)量來維持液態(tài)穩(wěn)定，如腎臟中AQP2對水的重吸收主要是通過上調(diào)AQP2的表達(dá)來刺激細(xì)胞內(nèi)AQP2的質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)[7]；③AQPs 的水分子通透性，Moeller等的研究發(fā)現(xiàn)通過蛋白激酶C(protein kinase C，PK-C)介導(dǎo)的磷酸化途徑可以降低星形膠質(zhì)細(xì)胞對水的通透性[8]。由于AQPs在平衡水穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號和氧化應(yīng)激反應(yīng)等方面具有廣泛的病理生理功能，已被證實(shí)與多種疾病的發(fā)生有關(guān)，如帕金森病、腫瘤的形成、肝臟纖維化和腎功能損傷等[7,9-11]。

MRI-AQP分子成像的技術(shù)背景和成像機(jī)制

DWI是一種無創(chuàng)的MRI技術(shù)，反映了水分子的表觀擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)DWI技術(shù)是假設(shè)人體組織為單一、均勻的物質(zhì)，水分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成的擴(kuò)散加權(quán)信號的衰減是隨著b值的增加呈單指數(shù)衰減。然而，在活體組織內(nèi)，一些其它生理變化(如血管流動(dòng)和管狀流動(dòng)等)也會影響信號的衰減，從而影響對ADC的估算，并且各組織之間的ADC值往往存在一定的重疊，因此單指數(shù)模型無法真實(shí)反映組織的實(shí)際成分和結(jié)構(gòu)變化[12-13]。1986年，Le Bihan等[14]首次提出了基于體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(intra-voxel incoherent motion，IVIM)的雙指數(shù)模型，認(rèn)為在每個(gè)體素中存在慢擴(kuò)散池和快擴(kuò)散池兩部分。與單指數(shù)模型中使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)b值不同，基于IVIM的DWI是在傳統(tǒng)DWI的基礎(chǔ)上引入一系列連續(xù)的、不同梯度的b值，獲得反映水分子在組織細(xì)胞中不同擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的分子譜。IVIM雙指數(shù)模型可以將組織的微循環(huán)灌注和水分子擴(kuò)散信息進(jìn)行分離，從而獲得反映組織真實(shí)擴(kuò)散情況的參數(shù)。然而，Bisdas等[15]認(rèn)為雙指數(shù)模型也存在過于簡化的問題，該模型并未考慮到快、慢兩種擴(kuò)散組分之間的交換效應(yīng)及細(xì)胞膜的通透性，因此可能并不是解釋DWI信號衰減的一個(gè)令人滿意的模型。一些研究人員推測，每個(gè)體素中可能存在連續(xù)的擴(kuò)散系數(shù)分布，基于靜脈內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(IVIM)理論的快、慢擴(kuò)散池分別代表了細(xì)胞外、細(xì)胞內(nèi)的擴(kuò)散受限組分，該模型不適用于b值>1000 s/mm2的情況[16-18]，隨著b值的增高，另有一個(gè)重要的水?dāng)U散成分持續(xù)存在，這就表明水池較多的模型能更準(zhǔn)確地反映組織中水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

無論是單指數(shù)模型還是雙指數(shù)模型理論，均認(rèn)為水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)方式是自由擴(kuò)散。1993年，Agre等[1]發(fā)現(xiàn)了AQPs，提出水分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)包括兩種方式：自由擴(kuò)散和水通道蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，因此DWI信號的衰減還會受到細(xì)胞膜上水通道蛋白介導(dǎo)的水分子轉(zhuǎn)運(yùn)過程的影響。AQPs分子成像就是基于AQPs理論基礎(chǔ)上的一種新興的MRI技術(shù)，是在DWI的基礎(chǔ)上引入更多、更高的b值，b 值越高，血流灌注及水分子自由擴(kuò)散引起的信號衰減越明顯，甚至可以忽略不計(jì)，此時(shí)DWI檢測的對象也越接近AQPs內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的水分子[19-21]?；诖死碚摶A(chǔ)，李佳慧等[19]提出了AQPs分子成像的三指數(shù)模型，計(jì)算公式為：Sb/S0= (1-f-fAQP)·exp(-b·ADC)+f·exp(b·D*)+fAQP·exp(-b·DAQP)。其中DAQP代表水通道蛋白介導(dǎo)的水分子轉(zhuǎn)運(yùn)過程相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)，fAQP代表在總信號衰減中經(jīng)水通道蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)過程導(dǎo)致的信號衰減所占的比例。該模型不僅包括了血流灌注和水分子自由擴(kuò)散的信息，而且可以反映水分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的情況。Ling等[13]采用15個(gè)b值擬合成一個(gè)三指數(shù)模型，并采用了分段的方法，當(dāng)b值<2000 s/mm2時(shí)，擴(kuò)散加權(quán)信號S擬合雙指數(shù)方程，b值>2000 s/mm2時(shí)采用單指數(shù)方程擬合5個(gè)超高b值(2000、3000、3500、4000和5000 s/mm2)，獲得超高ADC(ultra-high ADC，ADCUH)，進(jìn)一步提高了分析的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為：

與雙指數(shù)模型相比，三指數(shù)模型不僅具有更好的擬合性，且可以獲得更詳細(xì)的水分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)信息，為定量檢測AQP提供了可能[22]。

MRI-AQP分子成像的臨床應(yīng)用現(xiàn)況

AQPs作為全身多種疾病治療的關(guān)鍵分子靶點(diǎn)，對其數(shù)量、分布和功能的調(diào)控具有非常重要的意義。近年來，隨著對AQPs的深入研究及MRI技術(shù)的快速發(fā)展，MRI-AQP分子成像在實(shí)驗(yàn)和臨床的應(yīng)用取得了令人鼓舞的成績。

1.中樞神經(jīng)系統(tǒng)

Ling等[13]使用超高b值獲得的表觀擴(kuò)散系數(shù)來評估帕金森病患者的腦損傷情況，通過三指數(shù)模型擬合計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)ADC(ADCst)、真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)(D)、灌注相關(guān)擴(kuò)散系數(shù)(D*)和超高ADC(ADCUH)映射，比較了18例PD患者與18例健康對照組的蒼白球、殼核和黑質(zhì)的上述各項(xiàng)參數(shù)值，結(jié)果表明PD患者的蒼白球、殼核和黑質(zhì)的ADCUH明顯低于對照組(P<0.001)，而ADCst、D和D*值在兩組間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.050)。超高b值的擴(kuò)散信息提示ADCUH可能能更早地反映帕金森病的腦損傷情況，且ADCUH可能有助于將帕金森病與其它類型的神經(jīng)退行性疾病(如多系統(tǒng)萎縮)區(qū)分開來。與對照組相比，PD患者所有測量腦區(qū)的ADCUH值顯著降低，可能反映了AQPs的功能，ADCUH可能是一種有前途的鑒別PD的生物學(xué)標(biāo)志物。Xue等[23]對比分析了阿爾茨海默病(alzheimer disease，AD)患者超高b值擴(kuò)散加權(quán)成像和擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)的擴(kuò)散特征，與ADC或DKI參數(shù)相比，ADCUH對AD的可檢測性無顯著差異，但ADCUH結(jié)合ADC或DKI參數(shù)可以獲得更高的診斷效能。

彭曉瀾等[26]建立了大腦中動(dòng)脈栓塞的腦缺血模型，運(yùn)用AQP分子成像技術(shù)對缺血性腦卒中進(jìn)行可視化的成像，結(jié)果表明AQP-MRI可清晰顯示病變部位、范圍和梗死嚴(yán)重程度。與常規(guī)的DWI相比，其在區(qū)分解剖部位、進(jìn)一步細(xì)化缺血半暗帶等方面更具有優(yōu)勢[28]，且在腦缺血早期對缺血半暗帶的顯示較傳統(tǒng)的DWI序列更敏感。MRI-AQP能反映AQPs內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的水分子信息，從而更好地反映生物體內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化。趙寶瓊等[27]的研究結(jié)果也表明在監(jiān)測超急性期腦梗死患者腦水腫的變化方面，ADCUH值優(yōu)于ADCst、D*和D值。在建模后1～6h時(shí)間段ADCUH值的變化幅度最大，同時(shí)AQP表達(dá)增長幅度最大，ADCUH可能提供了部分水通道蛋白分子的信息，但該研究沒有對ADCUH及AQP的定量進(jìn)行、相關(guān)性分析。

MRI-AQP在腦腫瘤的分級診斷中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。Tan等[29]比較了高級別膠質(zhì)瘤及低級別膠質(zhì)瘤腫瘤實(shí)體部分的ADC和ADCUH值以及瘤周水腫，并測定了AQP信使核糖核酸(mRNA)，其結(jié)果表明高級別膠質(zhì)瘤的實(shí)性部分的ADC值明顯低于低級別膠質(zhì)瘤，ADCUH值明顯高于低級別膠質(zhì)瘤，且高級別組AQP4 mRNA明顯高于低級別組，ADCUH值與AQP4 mRNA水平呈正相關(guān)。由此推斷ADCUH值可能與AQP的表達(dá)有關(guān)，也是導(dǎo)致高級別膠質(zhì)瘤與低級別膠質(zhì)瘤的ADCUH值有顯著差異的原因。

DWI序列最早應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，目前是頭顱掃描的常規(guī)序列，在腦卒中、腦腫瘤及神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等方面具有重要診斷價(jià)值。隨著MRI梯度硬件的進(jìn)步，更高b值的DWI在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，b值可達(dá)4000 s/mm2，甚至可達(dá)20000 s/mm2。相對于細(xì)胞外的水分子，細(xì)胞內(nèi)的水分子對組織微結(jié)構(gòu)的變化更敏感，且更具有代表性，超高b值DWI技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為我們研究細(xì)胞內(nèi)空間與細(xì)胞膜的相互作用提供了新的路徑。

2.腹部

李秋菊等[11]在一項(xiàng)關(guān)于多b值水通道蛋白成像在肝臟纖維化早期診斷價(jià)值的研究中，比較了不同纖維化分期大鼠肝臟在低、中、高b值DWI獲得的ADC值及同一分期大鼠乙酰脞胺抑制前后細(xì)胞膜上AQP表達(dá)量和活性的變化。其結(jié)果表明，隨著纖維化程度的增高，ADCUH值逐漸增加，與AQP表達(dá)量D變化一致，且與傳統(tǒng)DWI相比，ADCUH值對纖維化分期的診斷效能更高，再聯(lián)合乙酰唑胺抑制實(shí)驗(yàn)，能夠更早期地反映肝纖維化的程度及其變化。因此，高b值DWI獲得的ADC值的變化與肝臟細(xì)胞膜上AQP的表達(dá)水平有關(guān)，AQP分子成像技術(shù)對早期肝纖維化的診斷及分期具有重要價(jià)值。

李曉娟等[30]搜集了39例發(fā)現(xiàn)有肝臟腫塊的患者，運(yùn)用多b值DWI(18個(gè)b值)擬合三指數(shù)模型獲得D、D*和ADCAQP，比較低級別與高級別肝細(xì)胞癌的這3個(gè)參數(shù)值的差異，并與病理指標(biāo)AQP進(jìn)行相關(guān)性分析。其研究結(jié)果顯示ADCAQP能夠有效鑒別高級別與低級別肝細(xì)胞癌，具有較高的診斷效能。高級別組ADCAQP明顯低于低級別組，考慮原因可能是高級別肝細(xì)胞癌更容易發(fā)生缺血壞死，從而導(dǎo)致 AQPs的數(shù)量減少，ADCAQP值降低。三指數(shù)模型AQP-MRI能從微觀結(jié)構(gòu)及功能代謝方面評估肝細(xì)胞癌的特征。馬婉玲等[9]采用多種擴(kuò)散加權(quán)模型分析多b值DWI，結(jié)果也證實(shí)與純擴(kuò)散系數(shù)(ADCslow)和分布擴(kuò)散系數(shù)相比，ADCAQP在鑒別胰腺癌與非癌胰腺組織時(shí)的診斷效能更高。

Wang等[31]建立了大鼠糖尿病模型，比較糖尿病組和對照組的各DWI參數(shù)值(包括D、ADCst、ADCUH)，并對腎臟AQP1、AQP2和AQP4的表達(dá)水平進(jìn)行半定量分析，結(jié)果顯示糖尿病組大鼠的腎皮質(zhì)、外髓和內(nèi)髓的ADCUH明顯高于正常對照組，與AQP-2光密度值呈正相關(guān)，而D和ADCst值在兩組間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明ADCUH對于糖尿病早期腎損害的評估具有重要價(jià)值，可作為早期發(fā)現(xiàn)糖尿病腎病所致腎臟損害的有價(jià)值的評估指標(biāo)，通過超高b值DWI可以評估腎臟AQPs水轉(zhuǎn)運(yùn)情況。

腹部MR圖像的整體信噪比較低，且易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，因此，與單個(gè)b值的DWI比較，多b值，尤其是超高b值DWI在腹部的應(yīng)用更具挑戰(zhàn)性。目前超高b值DWI在腹部的應(yīng)用研究尚處于探索階段，開發(fā)新的成像技術(shù)、優(yōu)化掃描方案，從而最大限度地提高定量參數(shù)的穩(wěn)定性和精確性是未來研究的方向之一。

3.盆腔

Shi等[32]采用15個(gè)b值(0～3000 s/mm2)進(jìn)行三指數(shù)擬合計(jì)算，獲得不同年齡組健康人群前列腺的D、D*、ADCUH和f值，并評價(jià)各參數(shù)值在觀察者間和短期掃描的可重復(fù)性，結(jié)果顯示：D、ADCUH和f值具有良好的可重復(fù)性，且在高年齡組中隨著年齡的增加ADCUH值逐漸下降，可能與AQP的表達(dá)下調(diào)有關(guān)。前列腺適合進(jìn)行超高b值DWI檢查，且可以提供更多的額外信息，有成為定量生物標(biāo)志物的潛力。Lee等[33]研究發(fā)現(xiàn)在雙序列MRI(T2WI和b值為1000 s/mm2的DWI)檢查中加入b值為1800 s/mm2的DWI序列，可以提高對前列腺癌的診斷準(zhǔn)確性和檢出率，且在b值為1800 s/mm2的DWI圖像上病變與背景信號的差異顯著，有利于病變的識別。也有研究表明超高b值DWI在前列腺癌的定量分析方面也具有重要價(jià)值[34]。

4.其它

Thapa等[35]運(yùn)用超高b值DWI(b值0～7500 s/mm2)對健康人群的頸髓進(jìn)行成像，并與傳統(tǒng)DTI進(jìn)行比較，結(jié)果表明超高b值DWI上灰、白質(zhì)之間的對比度更佳，具有更大的擴(kuò)散加權(quán)效應(yīng)和更小的T2WI穿透效應(yīng)，是一種有效的、可重復(fù)性高的方法，且該方法可以獲得水分子在軸突內(nèi)外間隙的水分子交換信息，從而能更深入地了解頸髓白質(zhì)的微觀環(huán)境。因此，超高b值DWI可作為一個(gè)影像學(xué)生物標(biāo)志物來區(qū)分脊髓炎癥、脫髓鞘和軸索損傷，有巨大的臨床應(yīng)用潛力。AQP-MRI在腸道腫瘤方面的應(yīng)用也有相關(guān)報(bào)道[36-37]。Zhang等[37]的研究結(jié)果顯示直腸癌超高b值DWI檢查獲得的ADCAQP值可以反映AQP1的表達(dá)水平及直腸癌的惡性程度，ADCAQP有可能成為一種新的診斷直腸癌的影像學(xué)生物標(biāo)志物，從細(xì)胞或分子水平為腫瘤的治療及預(yù)后提供更詳細(xì)的信息。

AQP磁共振分子成像技術(shù)的應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)

迄今為止，磁共振AQP分子成像技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)和臨床應(yīng)用方面的研究已取得了巨大進(jìn)展，但主要集中在中樞神經(jīng)退行性疾病、腦梗死及腫瘤方面的應(yīng)用，不斷優(yōu)化掃描方案將其應(yīng)用于更多的領(lǐng)域是未來努力的方向之一；另外，目前的大部分研究中沒有對AQPs的表達(dá)水平進(jìn)行定量測量，因此ADCAQP作為AQP-MRI的度量指標(biāo)，與 AQPs表達(dá)之間的相關(guān)程度還需要進(jìn)一步的研究進(jìn)行論證；其次，組織細(xì)胞膜上AQP的種類繁多、功能復(fù)雜，ADCAQP反映的是細(xì)胞膜上AQPs表達(dá)的綜合信息，運(yùn)用更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型獨(dú)立而又全面地研究ADCAQP與AQP表達(dá)之間的相關(guān)性也是值得進(jìn)一步探討的方向。

在超高b值DWI的掃描及后處理過程中也面臨一些挑戰(zhàn)：首先，掃描參數(shù)需要進(jìn)一步的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化以獲得更穩(wěn)健、更可靠的數(shù)據(jù)；隨著b值的增加，圖像的信噪比降低，容易發(fā)生變形和失真，需要通過改善MR的性能及提高掃描技術(shù)，如增加激勵(lì)次數(shù)、增大掃描視野等方式來進(jìn)一步提高圖像信噪比；其次，采集的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)模型的選擇較復(fù)雜，運(yùn)用更優(yōu)化的后處理軟件可以明顯提高分析效率，實(shí)現(xiàn)對AQPs的定量分析。

AQPs作為生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)具有較好的臨床應(yīng)用前景，以AQPs為分子探針，可以從細(xì)胞和分子水平研究疾病的病理生理機(jī)制，為疾病的診斷、治療及預(yù)后評估奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。利用AQP-MRI定量參數(shù)來間接反映AQPs的表達(dá)，將結(jié)構(gòu)和功能一體化，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)向臨床的轉(zhuǎn)化，為MR分子影像學(xué)的研究開辟了新的路徑。