短暫性腦缺血大鼠模型的水通道蛋白磁共振分子成像研究

邢培秋，陳秋雁，吳富淋，彭曉瀾，江敏，陳婷婷，魏鼎泰

短暫性腦缺血大鼠模型的水通道蛋白磁共振分子成像研究

邢培秋，陳秋雁，吳富淋，彭曉瀾，江敏，陳婷婷，魏鼎泰*

目的探討缺血性腦卒中大鼠模型在水通道蛋白磁共振分子成像(AQP MRI)上的改變。材料與方法31只成年雄性SD大鼠隨機分為兩組，實驗組和假手術組。實驗組經歷1 h的右側大腦中動脈栓塞建立短暫性腦缺血模型。在恢復再灌后48 h行MRI檢查采集T2 FLAIR、常規DWI及AQP MRI圖像，并行Western Blot和免疫熒光檢測AQP4的表達量。結果實驗組大鼠在T2 FLAIR上可見明顯的高信號病灶，其T2信號的差值百分比顯著高于假手術組(56.655±7.359和2.334 ±2.203，P＜0.01)；實驗組病灶的ADC值差值百分比較假手術組顯著降低(-24.491±1.924 和-0.960±3.824，P＜0.01)；AQP ADC結果顯示實驗組的AQP ADC值的差值百分比較假手術組顯著降低(-25.218±8.839和0.209±1.279，P＜0.01 )。Western Blot結果顯示實驗組患側的AQP4蛋白表達量顯著高于假手術組。將實驗組單只大鼠的AQP ADC圖像與其相應的免疫熒光結果對比顯示，AQP ADC值高的區域，AQP4陽性染色減少，而AQP ADC值低的區域，AQP4陽性染色增多。結論AQP MRI能夠在體顯示水通道蛋白的分布情況，對缺血性腦卒中的病程判斷具有重要意義。

水通道蛋白磁共振分子成像；腦缺血；水通道蛋白；腦梗塞

邢培秋, 陳秋雁, 吳富淋, 等. 短暫性腦缺血大鼠模型的水通道蛋白磁共振分子成像研究. 磁共振成像, 2017, 8(1): 51-56.

傳統的DWI建立在布朗運動基礎上，即水分子的自由擴散。但事實上，除了自由擴散外，組織內的水分子不僅能夠被動擴散，還能夠通過水通道蛋白進行主動轉運，水通道蛋白系統的提出，對傳統DWI理論提出極大的挑戰。水分子水通道蛋白磁共振分子成像(AQP MRI)技術是近年來提出的一種建立在水通道蛋白理論基礎上全新的MR分子成像技術，它在分子譜獲得數據的基礎上對其進一步處理獲得細胞膜上AQP信息[1]。AQP MRI新技術的提出使在活體上研究水通道蛋白的活性及相對定量成為了可能，但目前這一創新性技術的應用尚處于起步階段，需要更多的數據支持與論證。腦水腫是缺血性腦卒中的重要致病機制，已有大量研究表明，腦缺血后AQP4表達水平發生顯著的改變[2-7]，傳統DWI對細胞毒性水腫存在高度敏感性[8]，T2WI反映腦組織水含量，體現血管源性水腫[9]，而對于AQP MRI對缺血性腦水腫的評價價值尚未見到報道。因此，本次實驗通過建立大鼠短暫性腦缺血模型，探討AQP MRI對缺血性腦卒中的應用價值。

1 材料與方法

1.1 動物建模

雄性成年SD大鼠31只，體重180～250 g，購自上海伊萊克斯動物實驗中心。大鼠隨機分為兩組：實驗組(25只)和假手術組(6只)。

如前文所述[6，10]，應用線栓法經由右側頸內動脈插入線栓進而栓塞右側大腦中動脈來建立大鼠腦缺血模型，具體操作如下：大鼠術前24 h予禁食但不禁水，麻醉經5%異氟烷誘導，術中維持量為2～3%異氟烷。實驗組大鼠切開頸部皮膚，分離右側頸總動脈、頸外動脈及頸內動脈，于頸外動脈近端近分叉處插入預先浸泡過2%肝素的線栓(直0.26 mm)，插入線栓直至距離分叉處約1.8～2.0 cm，1 h后拔出線栓恢復再灌注，縫合切口。假手術組僅分離出頸動脈而不進行任何栓塞。術中恒溫墊保持大鼠體溫在37℃。建模過程中應用激光多普勒血流儀(PeriFlux System 5000)監測大鼠腦血流灌注，下降至75%以上為建模有效，25只大鼠最后成模15只，成功率約60%。本實驗經倫理委員會審查通過。

1.2 MRI檢測

在恢復再灌注后48 h行MRI(GE，Discovery MR750)檢測，檢查采用小動物專用線圈(WK602，Magtron Inc)，采集包括冠狀位T2 FlAIR、常規DWI (b 值1000 s/mm2)、AQP MRI (6個高b值：2000、2500、3000、3500、4000、4500 s/mm2)。T2 FlAIR序列：TR 8450 ms，TE 145 ms，回波鏈長度32，矩陣256×256，視野10 cm×10 cm，層厚2 mm，間隔0，層數5，激勵次數1，反轉角111°，帶寬62.5 kHZ。AQP MRI序列掃描參數：TR 3300 ms，TE最小值，帶寬 166.7，矩陣128×128，視野10 cm×10 cm，層厚2 mm，間隔0，層數5。

1.3 數據后處理

將圖像傳輸至GE Advantage Workstation4.4工作站，應用Functool軟件進行后處理測量常規ADC值以及T2信號值，應用AQP ADC后處理軟件包得到AQP ADCmean值。ROI勾畫原則：以T2 FLAIR圖像為標準，實驗組在有病灶的層面根據病灶區域手動勾畫ROI，并鏡像勾畫出健側的相應區域，避開腦室位置，勾畫ROI工作均由同一個具有豐富神經影像診斷經驗的醫師執行，為避免手動誤差，1周后復測，取兩次平均值。單個個體間先計算出平均值。為消除由于個體差異造成的不均一性，參考其他腦功能類指標如DKI、DTI的測量方法[11]，結果以100×(患側-健側)/健側的差值百分比表示，無病灶的層面處理同假手術組。假手術組在每層的皮質區和白質區各隨機采集5個ROI，鏡像勾畫對側相應區域，結果以100×(右側-左側)/左側的差值百分比表示。

1.4 Western Blot

大鼠MRI檢測完畢后，10%水合氯醛腹腔內注射(300 mg/kg)麻醉，固定四肢，4℃預冷的PBS緩沖液經心臟沖洗，斷頭取腦,分離出右側半腦的梗塞區及健側相應的區域，加入RIPA裂解液研磨，勻漿，離心收集蛋白樣品。BCA法對蛋白進行定量。SDS一聚丙烯酰胺凝膠電泳后轉PVDF膜。經漂洗和封閉后，加入兔抗大鼠AQP4抗體(1:500；Santa Cruz Biotechnology，SC-20812)孵育，內參為兔抗大鼠β-actin (1:1000；immunoway，YT0099)加入HRP標記的山羊抗兔IgG (北京中杉，ZB-2301)，加入底物顯影后，經凝膠成像系統顯像(Chemidoc MP,Bio-rad)，采集圖像。

1.5 免疫熒光和共聚焦

麻醉大鼠，PBS和4%多聚甲醛行心臟灌注，快速斷頭取出腦組織，預冷PBS漂洗。鼠腦置于4%多聚甲醛溶液中固定4～6 h，PBS漂洗，濾紙吸干后置于30%蔗糖溶液中，標本沉底后包裹包埋劑-80℃冰箱內保存。連續冠狀切片，片厚40 um，連續5張片取1張，每一標本各取20張備用。凍存液-20℃冰箱內保存。免疫熒光法檢測缺血組大鼠AQP4表達情況，而后進行共聚焦顯微鏡觀察。

1.6 統計分析

所有結果均以平均值±標準差表示，應用SPSS 17.0進行成組設計資料的t檢驗。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 激光多普勒腦血流灌注圖

為保證實驗的一致性，對缺血性腦卒中的建模條件嚴格控制，并通過激光多普勒血流儀評判血流灌注改變情況，成模指標為栓塞后血流灌注下降75%以上。25只實驗組大鼠最終符合建模成功條件的為15只，建模成功率為60%。腦血流灌注成像圖見圖1。

2.2 T2 FLAIR、DWI及AQP MRI結果分析

從圖2中可以看到，在恢復再灌注后48 h，實驗組患側在T2 FLAIR上可見明顯的高信號，而假手術組雙側均無明顯異常信號。實驗組病灶在ADC (b=1000 s/mm2)圖像上減低，病灶的AQP ADC值亦較對側明顯減低。對比實驗組病灶在三個序列上的成像，可以看到病灶在三個序列上的分布較為一致，且從偽彩圖上對比，實驗組AQP ADC圖像上病灶與健側相應區域之間的顏色跨度差異比ADC圖大。在接下來的T2值、ADC值及AQP ADC值的差值百分比的對比(表1，圖3)中可以看到，實驗組病灶的T2信號明顯升高，顯著高于假手術組(P＜0.01)，而相應的ADC值降低(P＜0.01)；AQP ADC結果顯示實驗組的AQP ADC值較假手術組顯著降低(P＜0.01)，說明在恢復再灌注后48 h，AQP ADC亦可以反映病灶的改變。

表1 實驗組與假手術組各指標的百分比變化對比(x±s)Tab. 1 Comparison of percentage change of indexes between ischemia and sham group (x±s)

2.3 AQP4的Western Blot、免疫熒光結果及與AQP-ADC的對比

如圖4所示，Western Blot實驗組患側的AQP4蛋白表達量較假手術組顯著升高，提示AQP-ADC與AQP4的表達量可能為負相關，為進一步明確，將同一大鼠的AQP-ADC圖像與免疫熒光結果做對比，AQP ADC值高的區域，AQP4陽性染色降低，而AQP ADC值低的區域，AQP4陽性染色增多。

3 討論

水通道蛋白(AQPs)是廣泛存在于原核及真核生物細胞膜上，選擇性高效轉運水分子的特異孔道，對維持機體的水平衡及細胞微環境的穩定發揮關鍵作用，AQPs的出現徹底改變了傳統觀念上水在細胞膜擴散(被動轉運)觀念，創立了水在細胞膜主動轉運全新理論基礎[12-14]。1988年，自Agre等在人血紅細胞上分離純化獲得A0P1之后，目前已經陸續從哺乳動物組織中分離得到了13種AOPs (AQP0-AQP12)[15-16]。而根據其一級結構及轉運功能的不同，可以將AQPs分成三類：水特異性通道蛋白、水甘油通道蛋白以及超水通道蛋白。研究證實水通道蛋白廣泛分布于全身各組織器官，介導著不同類型細胞膜上水和小分子物質的跨膜轉運，對維持體內滲透壓及內穩態的平衡具有十分重要的生理意義[12]。目前，水通道蛋白已經成為包括腦卒中在內的許多疾病重要的治療靶點，對其功能的調控具有十分重要的治療意義。隨著當今技術的飛速發展，高場強MRI在腦疾病診斷中的作用日益重要[17-18]而AQP MRI技術正是建立在水通道蛋白理論基礎上一種全新的高場強MR分子成像技術。AQP MRI的提出，為實現在體、實時、定量檢測AQPs提供了可能。

圖1 激光多普勒血流儀監控腦血流灌注 圖2 假手術組(sham)及實驗組(ischemia)的多模態MRI圖像對比。實驗組患側病灶在T2 FLAIR上呈高信號(白線所示)，相應的ADC (b=1000 s/mm2)圖像上病灶信號減低，病灶的AQP ADC值亦較對側明顯減低。從偽彩圖上對比，病灶在AQP ADC上的范圍雖然與傳統ADC基本一致，但AQP ADC圖像顯然更具層次感，能夠為我們提供更多的信息，而該信息很可能就是提示了水通道蛋白的分布情況Fig. 1 Brain perfusion was monitored by Laser Doppler Flowmeter. Fig. 2 Multi-model MR imaging of sham group and ischemia group. T2 FLAIR showed signals of lesions were abnormally increased in ischemia group (depict by white line), the homologous ADC values and AQP-ADC values were both remarkably decreased. As seen in pcolor, although the range of lesions in AQP-ADC mapping were almost consistent with traditional ADC, but the color level of AQP ADC images was obviously more profuse ,which might provide us more information. This information would be likely to infer the distribution of aquaporin.

圖3 實驗組與假手術組各指標的百分比變化柱形圖。實驗組病灶的T2信號明顯升高，顯著高于假手術組(P＜0.01)，而相應的ADC值降低(P＜0.01)；AQP ADC結果顯示實驗組的AQP ADC值較假手術組顯著降低(P＜0.01)Fig. 3 Histogram of indexes percentage change between ischemia and sham group. The percent change of T2 values of lesions in ischemia group was much higher than that of sham group (P＜0.01), whereas the homologous ADC values were remarkably decreased (P＜0.01). The percent change of AQP ADC of ischemia group was significantly decreased than that of sham group (P＜0.01).

圖4 AQP4的Western Blot、免疫熒光結果。A: 為實驗組單只大鼠的AQP-ADC圖像。B、C: 分別為患側和健側指定區域(圖A中的白色方框)的AQP4免疫熒光染色圖，可以看到AQP ADC值高的區域，其AQP4陽性染色降低，而AQP ADC值低的區域，其AQP4陽性染色增多。D: AQP4的Western Blot結果，可以看到實驗組患側的AQP4蛋白表達量較假手術組顯著升高Fig. 4 Western blot and immunofluorescence result of AQP4. A: AQP-ADC mapping of single rat of ischemia group. B and C showed immunofluorescence of AQP4 in affected side and healthy side respectively. Areas with high AQP ADC values presented low positive staining of AQP4, and areas with low AQP ADC values presented high positive staining. D: Western blot result showed that the AQP4 expression in affected side of ischemia group was higher than that of sham group.

目前對于AQP-MRI研究多見于細胞以及肝纖維化模型[19-20]，在神經系統中已有見到PD和膠質瘤的應用報道[21-22]，但在腦缺血模型中的應用尚未見到相關報道。為實現活體上顯示AQPs的表達情況，筆者應用AQP MRI對短暫性腦缺血大鼠模型進行檢測，結果發現腦缺血病灶在AQP MRI上的分布與T2FLARI及傳統DWI上基本一致，說明AQP MRI和T2WI以及傳統DWI一樣能夠對腦梗死病灶做出準確顯像，而值得注意的是，AQPADC偽彩圖所呈現的色彩跨度較傳統ADC圖要大得多，說明由多個高b值(≥2000 s/mm2)計算得到的AQP-ADC相較于傳統ADC蘊含著更多的微觀信息。AQP-ADC是否反映的就是水通道蛋白的表達？從圖3及表1中可以看出，實驗組大鼠患側的AQP ADC值顯著較健側降低，且實驗組雙側的百分比變化較假手術組則顯著降低(P＜0.01)，Western Blot結果顯示腦缺血后AQP4表達水平升高，這與國內外研究結果一致[2-7]，該結果提示我們AQP ADC與可能與AQPs的表達有關。進一步對AQP-ADC圖像與AQP4的免疫熒光染色進行對比發現，AQP ADC值高的區域，其AQP4陽性染色降低，而AQP ADC值低的區域，AQP4陽性染色增多(圖4)，說明AQP-MRI能夠在一定程度上反映AQP4的表達情況。AOP4在腦內的表達最為豐富，屬于水特異性通道蛋白，但除此之外，大腦還表達AQP1和AQP9，本次研究只對AQP4進行了檢測，至于AQP-MRI是否反映能夠對其他兩種水通道蛋白尚不明確。AQP4在腦缺血后的作用非常復雜，首先其在腦缺血后的表達水平有升高[7]，有降低[23]，其次AQP4對水分子的轉運具有雙向性，既能夠促進細胞毒性水腫的形成[24]，但同時又抑制血管源性水 腫[25]。近來的研究表 明 ， AQP4在腦缺血后的表達水平事實上是一個動態變化的過程[26]，其水平的改變受到包括動物模型、建模方法等多種因素的影響[27]。若能在活體中實現對AQP4的實時定量分析，能夠極大幫助我們進一步探討AQPs在腦缺血中的作用機制，因此AQP MRI的出現開拓了一個全新的研究方向。在進一步明確了AQPs在腦缺血中的作用機制后，若能夠實現對AQPs的實時在體監控，這無疑能夠對將來腦卒中的臨床診療提供極大的指導意見。

盡管本研究是國內外首次應用AQP MRI對缺血性腦卒中進行成像，但目前只進行了初步探討，尚存在許多不足，所能展示的微觀信息尚十分有限，仍需要進一步的研究以明確AQPs的作用機制。例如，本次研究僅選取了48 h作為檢測點，盡管研究表明再灌注后48 h為缺血后AQP4的第二個表達高峰[7，27]，但在今后的研究中，需要應用AQP MRI進行動態檢測，以進一步發揮AQP MRI的檢測優勢。此外，目前有關AQP MRI的研究尚局限于離體研究，本次實驗為缺血性腦卒中模型的在體研究，這為AQP MRI的臨床應用轉化進一步奠定基礎，但目前還遠遠不夠，我們還需要進一步對AQP MRI與AQPs的表達進行相關性研究，以進一步明確AQP MRI的診斷價值。

綜上，AQP MRI可以在體、實時、動態的進行AQPs分子成像，有利于推動AQPs基礎研究向臨床用的轉化，具有廣闊的應用前景，但目前對該成像技術的應用研究甚少，且是否能夠對AQPs的精確定量仍需進一步的驗證。本研究也僅對AQP MRI對缺血性腦卒中的成像進行了初步探討，需要進一步開展更多的在體及相關臨床應用研究。

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Study of aquaporin magnetic resonance molecular imaging in transient cerebral ischemia rat model

XING Pei-Qiu, CHEN Qiu-yan, WU Fu-lin, PENG Xiao-lan, JIANG Min, CHEN Ting-ting, WEI Ding-tai*
Department of Radiology, Fujian Medical University Ningde Hospital, Ningde 352100, China
*

Wei DT, E-mail: wdtai83@163.com
Received 24 June 2016, Accepted 26 Nov 2016
ACKNOWLEDGMENTSThis study was supported by National Natural Science Foundation of China (NO. 81571838). Natural Science Foundation of Fujian Province (NO. 2014J01398). Medical Elite Cultivation Program of Fujian, P.R.C (NO. 2014-ZQN-JC40). Fujian medical university non-subordinate affiliated hospital scientific research development special foundation (NO. FZS13021Y). Fujian province health department youth scientific research subject (NO. 2013-2-158).

Objective:Sought to discern the changes in aquaporin magnetic resonance molecular imaging (AQP MRI) parameter after experimental stroke.Materials and Methods:Thirty-one adult SD male rats were randomly divided into two groups: ischemia group which underwent 1 h right middle cerebral artery occlusion (MCAo) and sham group. T2 FLAIR , conventional DWI and AQP MRI examination was executed 48 h after reperfusion. And AQP4 expression was detected by Western blot and immunofluorescence.Results:The percent change of T2 values of lesions in ischemia group was increased up to 56.655±7.359, which was much higher than that of sham group (vs 2.334±2.203, P＜0.01), whereas the homologous ADC values were remarkably decreased (-24.491±1.924 vs -0.960±3.824, P＜0.01). Result of AQP MRI showed that the percent change of AQP ADC of ischemia group was significantly decreased than that of sham group(-25.218±8.839 vs 0.209±1.279, P＜0.01). Western blot result showed that the AQP4 expression in affected side of ischemia group was higher than that of sham group. Contrastive analysis showed that areas with high AQP ADC values presented low positive staining of AQP4 in immunofluorescence, and areas with low AQP ADC values presented high positive staining.Conclusions:AQP MRI could display the distribution of aquaporin in vivo, which would be of great importance to assess progression of cerebral ischemia.

Aquaporin magnetic resonance molecular imaging; Brain ischemia; Aquaporin; Brain infarction

國家自然科學基金面上項目(編號：81571838)；福建省自然科學基金科技項目(編號：2014J01398)；福建省衛生系統中青年骨干人才培養項目(編號：2014-ZQN-JC40)；福建醫科大學非直屬附屬醫院科研發展專項基金(編號：FZS13021Y)；福建省衛生廳青年項目(編號：2013-2-158)

福建醫科大學附屬寧德市醫院放射科，寧德 352100

魏鼎泰，E-mail：wdtai83@163.com

2016-06-24

R445.2；R743.31

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.01.012

接受日期：2016-11-26