AQP磁共振分子成像在腫瘤中的研究進展

肖剛，胡玉川，崔光彬

水是細胞的主要組成部分，通常占細胞總量的70%～80%。不同部位水分子含量差別很大，其跨膜轉運對維持不同區域的液體平衡、內環境穩態及細胞正常代謝具有重要作用。隨著水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的發現以及近年來對其結構和功能的研究，極大提高了水分子在細胞膜上主動轉運機制的認識[1-2]。越來越多的證據表明，在某些病理情況下，特別是在腫瘤性疾病，AQPs的表達與分布亦發生了明顯變化，并與腫瘤的惡性程度密切相關[3-4]。近年來，基于AQPs理論的MR分子成像技術已成為研究熱點，其致力于快速、準確地定量評估細胞膜上AQPs的表達情況，有助于疾病的早期特異性診斷及個體化治療，在臨床應用上展示了巨大的發展前景。本文對AQP磁共振分子成像在腫瘤中的應用進展進行簡要綜述。

1 AQPs簡介

水分子作為一種不帶電荷且半徑極小的極性分子，很早被證實能通過簡單擴散的方式自由穿透脂質雙分子層，但其擴散速度非常緩慢，而在一些細胞(如紅細胞、腎小管細胞等)中水分子的擴散速率較快，難以用簡單擴散方式解釋這一現象。因此，有學者提出水通道假說，推斷細胞膜上可能存在一種允許水分子通過的蛋白，但當時并未找到并表征出這種蛋白。1988年，Preston等[5]在分離純化人紅細胞Rh抗原時意外發現了一種分子量為28 kD，含有親水性氨基酸的未知多肽，后經過一系列實驗被證實為AQPs。AQPs的發現及其結構和功能的研究，極大地提高了對水分子跨膜轉運機制的認識。

AQPs屬于主體內在膜蛋白(major intrinsic protein，MIP)超家族。近年來，利用X光晶體學、電子晶體學等技術演繹水通道蛋白的氨基酸序列，明確了其分子結構和功能位點。AQPs家族分子質量在23～31 kDa，一級結構是由兩個同向重復部分組成的單肽鏈，水通道家族的高度保守區是兩個天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala，NPA)序列，這兩個NPA高度保守位點是通透水分子的結構基礎。二級結構由5個短環(A、B、C、D、E環)連接6個親水的跨膜結構域組成，蛋白的N末端、C末端、B環和D環都在細胞內，而A環、C環、E環位于細胞外。胞內的B環和胞外的E環各自形成半個跨膜螺旋并圍繞成腔型使NPA折疊形成狹窄的水孔，從而組成AQPs特征型“沙漏樣”的三級結構。AQPs的四級結構是由4個亞基包繞而成的四聚體，四聚體結構對于維持單個亞基的位置很重要，但是每個亞基作為水通道的功能是獨立的。

迄今為止，已有200余種AQPs在不同物種中被發現，其中存在于哺乳動物體內的有13種，即AQP0-1 2。研究證實，A Q P s 家族各成員間的同源性為19%～52%。根據其基因結構、序列同源程度及轉運功能特性，將AQPs家族劃分為3個亞家族：一類為傳統水通道蛋白，包括AQP0、1、2、4、5、6、8，其在基因結構上相似，對水分子具有高度選擇性；另一類為水甘油通道蛋白，包括AQP3、7、9、10，除對水分子通透外，對尿素、甘油、嘌呤等中性小分子也具有通透性；還有超水通道蛋白，包括AQP11、12，與其他家族成員相比，同源性較低且水轉運功能尚不明確。

這些AQPs分布于全身不同的組織器官中，除了在與體液分泌、呼吸、循環和吸收密切相關的多種組織器官如腎臟、肺、腦、腺體、消化道等高度表達外，在一些組織細胞如血細胞、脂肪細胞、骨骼肌和生殖器官等處也有表達[6-9]。同時，AQPs在機體內不同器官也發揮著重要的生理功能。

2 AQPs在人體腫瘤中的表達

AQPs具有獨特的生物學特性，對水的跨膜轉運至關重要，不僅在維持機體正常生理功能中發揮著作用，在病理情況下，特別是在惡性腫瘤中，其表達和分布也發生了明顯變化。腫瘤細胞具有高代謝、高消耗的特點，對水分子的需求也明顯高于正常細胞。近年來的研究顯示AQPs參與了腫瘤細胞的增殖、遷徙和血管生成等。需要注意的是，對于某些腫瘤來說，AQPs的表達與腫瘤組織學分級密切相關，如低級別膠質瘤的AQP1表達水平有所升高，而在膠質母細胞瘤其表達顯著升高[10]。也有研究報道AQPs在腫瘤組織中表達減少，其原因可能為研究中僅僅檢測了一種AQPs，而沒有在此基礎上探討其他AQPs表達的變化。如在結直腸癌的一項研究中，AQP8表達下降，而另一項研究卻顯示AQP5表達升高[11-12]。在某些情況下，一些AQPs在正常來源細胞中沒有表達，但可以在其腫瘤細胞中表達。總之，AQPs在腫瘤中的表達呈上調趨勢，但這種表現只是一種異常現象或是在腫瘤生物學行為中發揮作用，目前尚不清楚。

在中樞神經系統中主要表達的AQPs是AQP1、4、9，其他的僅為零星表達。研究顯示，膠質瘤細胞膜上AQP4極化表達缺失，與內向整流性K+通道脫藕聯，使細胞外K+濃度升高，神經元靜息電位增高，提高了膠質瘤病人癲癇的發生率[13]。在呼吸系統中，AQP5大量表達于非小細胞肺癌組織的腫瘤血管內皮細胞，使偽足頂端內部產生滲透壓梯度，增加局部靜水壓，從而引起細胞膜突伸，促進腫瘤血管生成[14]。在乳腺浸潤性導管癌發生過程中，AQP5在腫瘤細胞中表達明顯增高，同時導管上皮細胞中AQP5表達失去極性，主要在頂端表達，通過小干擾RNA技術誘導乳腺癌細胞AQP5表達下調，可以顯著降低細胞的增殖和遷移[15]。

3 AQP表達與擴散加權成像

擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)是目前唯一能夠檢測活體組織內水分子擴散運動的無創方法，能在宏觀成像中反映活體組織中微觀擴散運動，從細胞及分子水平研究疾病病理生理狀態的一種技術，現已廣泛應用于臨床，特別是在急性腦梗死和惡性腫瘤中發揮著重要作用[16]。

生物組織中，水分子的擴散運動既有細胞內、外和跨細胞膜運動，同時也存在于微循環灌注運動。微循環毛細血管網內水分子隨血流運動可以看作無序的隨機運動，其與毛細血管網的結構及血流速度相關。為此，Le Bihan等[17]在1986年首先提出基于體素內不相干運動(intra-voxel incoherent motion，IVIM)的雙指數模型DWI，對常規單指數模型DWI技術進行了改進。隨著水分子擴散研究的不斷優化，在真實而復雜的生物組織環境中，水分子的實際擴散會逐漸偏離標準的高斯分布，表現出不同程度的非高斯性，于是一些新的更加精細的數學模型應運而生，包括拉伸指數模型(stretched-exponential model，SEM)、擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)及分數階微積分(fractional order calculus，FROC)模型[18-20]。

從常規單指數模型DWI發展到IVIM，再到非高斯模型DWI，均認為水分子的跨膜轉運方式是自由擴散。但AQPs的發現徹底改變了這一觀點，提出水分子的跨膜轉運除了自由擴散外，還可以通過AQPs主動轉運，因此DWI信號的衰減也會受到細胞膜上AQPs的影響。為了通過影像學方法獲得水分子AQPs主動轉運的擴散信息，在IVIM模型基礎上提出AQPs磁共振分子成像[21-23]。AQP磁共振分子成像通過采集多個連續b值(包括低、中及高b值)的DWI圖像，分別獲得水分子在微循環灌注、自由擴散及AQPs主動轉運的擴散信息。因此，認為多b值DWI-MR建立起來的AQP磁共振分子成像通過檢測水分子主動跨膜運動，將其作為特異性小分子探針，來間接揭示細胞膜上AQPs的分布、數量和功能狀態，開創了MRI分子影像技術研究的新路徑。

目前，已有一些將AQPs磁共振分子成像技術應用于實驗和臨床的報道。李秋菊等[24]應用乙酰唑胺作為AQPs抑制劑，對肝纖維化模型大鼠進行多b值DWI掃描，在肝臟纖維化早期，應用乙酰唑胺抑制劑前后，高b值的表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)變化與細胞膜上AQP1表達具有相關性。陳秋雁等[25]對大鼠建立不同的腦缺血模型，于灌注恢復后48 h行MRI檢查采集AQP-DWI圖像，結果顯示大鼠患側AQP4表達較健側明顯升高，且高b值ADC值患健側差值百分比與患側AQP4表達量及患健側AQP4表達量的差值百分比均呈負相關。Xueying L等[26]采用常規DWI和AQP磁共振分子成像技術檢測帕金森患者蒼白球、殼和黑質的D值、D*值、標準ADC值(standard ADC，ADCst)及極高b值ADC值(ultra-high b-values ADC，ADCuh)。結果顯示，與正常對照組相比，帕金森患者蒼白球、殼和黑質的ADCst、D值及D*值無明顯變化，而ADCuh值卻明顯下降。作者認為ADCuh值下降可能與帕金森患者基底節區AQPs表達下降有關，因此ADCuh值有可能成為帕金森病早期診斷的重要指標。

需要關注的是，除了AQP磁共振分子成像外，正電子發射斷層掃描(positron emission tomography，PET)在揭示人體細胞膜AQPs的分布、數量和功能狀態上也具有一定的發展潛力。Suzuki等[27]利用放射性核素11C標記AQP4特異性抑制劑TGN-020(2-nicotinamido-1，3，4-thiadiazole)，合成分子探針[11C]TGN-020，并利用該探針在健康人腦內進行PET成像。結果顯示，在軟腦膜及血管周圍膠質細胞足突有明顯放射性濃聚，這與AQP4在顱內分布區一致；另外，脈絡叢也顯示放射性攝取，而脈絡叢除了AQP4的表達，尚有AQP1的表達。

4 AQP-DWI在腫瘤中的應用

隨著分子生物學技術的進步，AQPs與腫瘤相關基礎研究已較為深入和成熟，其在多個器官的腫瘤組織中異常表達，對腫瘤生物學行為有著多重影響。因此，通過AQP磁共振分子成像獲得腫瘤細胞中AQPs的分布和活性，對于腫瘤的早期診斷、病理分型及療效預測具有潛在價值。

Stefan等[28]為了評估腦膜瘤不同DWI參數與AQP4表達的相關性，對23例Ⅰ型腦膜瘤患者行多b值DWI掃描，獲得最小ADC值(minimal ADC，ADCmin)、平均ADC值(mean ADC，ADCmean)、最大ADC值(maximal ADC，ADCmax)及D值，并對每一位患者AQP4表達水平進行評分。結果顯示，腦膜瘤患者AQP4表達水平與ADCmax值之間具有明確相關性，AQP4表達水平越高，其ADCmax值越大，而AQP4表達水平與ADCmean、ADCmin及D值無顯著相關性。

Fu等[29]對33例晚期宮頸癌患者新輔助化療前后行多b值DWI掃描，同時獲取宮頸癌標本中AQP1陽性表達水平。結果顯示，治療有效組的ADCmax值明顯高于化療前，同時AQP1的表達水平也明顯下降。作者認為AQP1水平的下降可能與化療后細胞凋亡引起的細胞膜結構破壞和解體有關，而ADCmax值可以作為晚期宮頸癌新輔助化療療效評估的早期影像學指標。

Hu等[30]對比分析了極高b值與常規DWI對腦膠質瘤的分級診斷效能，對109例膠質瘤患者行多b值DWI掃描，獲得ADCuh、分布擴散系數(distributed diffusion coefficient，DDC)、水分子擴散異質性指數(water diffusion heterogeneity index，α)及常規ADC值，發現高級別膠質瘤中常規ADC、DDC、α值及ADCuh值均低于低級別膠質瘤，其中ADCuh值診斷效能最高。同時，作者注意到三指數模型測得的ADCuh值均明顯低于常規ADC值，分析原因可能與細胞膜上與水擴散相關的AQPs有關，因此高、低級別膠質瘤ADCuh值的差異可能會反映腫瘤細胞膜上AQPs的表達水平。

迄今為止，AQPs相關基礎研究已取得巨大進展，AQPs參與細胞的增殖、遷移和血管生成，提示其在腫瘤的發生、生長過程中發揮著重要作用。目前，基于多b值建立起來AQP磁共振分子成像已可以通過檢測不同運動速度的水分子來間接揭示AQPs的分布、數量和功能狀態，從而為腫瘤的術前診斷和生物學行為評估提供更加準確的信息，有助于指導臨床治療和預后評估，也進一步拓展了多b值DWI技術的應用前景。但需要注意的是，ADCuh值與AQPs表達水平之間相關性原理尚存在一定的爭議，同時b值過多影響掃描時間，b值過高影響圖像質量，使得AQP磁共振分子成像應用于臨床尚需一定時間。相信隨著AQPs基礎研究的深入和分子影像學技術的發展，AQP磁共振分子成像在指導腫瘤個體化治療領域能展現出更多的優越性，同時也為進一步實現水甘油通道磁共振分子成像、AQP特異性分子靶向藥物治療奠定堅實的基礎。

利益沖突：無。