水通道蛋白4與缺血性腦卒中的相關性及影像學研究進展

劉雪悟，唐雷，伍燕萍，翟昭華*

急性缺血性腦卒中(acute ischemic stroke，AIS)是臨床上常見的一類嚴重危害人類健康的腦血管疾病，具有較高的發病率、病死率、致殘率及復發率[1]。目前有多種影像學方法來診斷AIS 以及界定其核心梗死區與缺血半暗帶區，如CT灌注成像、磁共振波譜成像、三維動脈自旋標記序列(three-dimensional arterial spin labeling，3D-ASL)等[2]，但均有不足。水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是一類位于細胞膜上的跨膜轉運水分子的蛋白質，對水的跨膜運輸具有重要作用，改變了人們對于跨膜轉運水分子方式的認知[3]。目前已經在人體內發現13 種AQP 亞型，其中水通道蛋白4 (aquaporin 4，AQP4)主要位于中樞神經系統，國內外多項研究發現其與缺血性腦卒中后的水腫密切相關[4]。近年來，基于水通道蛋白理論的水通道蛋白磁共振成像(aquaporin MRI，AQP-MRI)技術對傳統的水分子擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)技術提出挑戰，為檢測水分子擴散運動提供了全新的方向[5]。本文對AQP4 與缺血性腦卒中的關系以及AQP-MRI在缺血性腦卒中的技術進展進行綜述。

1 AQP4的特點及功能

AQPs分布在全身各個器官，大腦內分布著9種AQPs，介導腦脊液、淋巴液、血液以及組織液的流動，其中AQP4 在腦內含量最多[6]。AQP4 主要在血管周圍的末端足突上表達，并呈極性分布，這是AQP4 在中樞神經系統分布最為顯著的特點[7]。目前研究發現AQP4 具有多種功能，最主要的功能是對腦內水含量的調控。Vindedal等[8]通過對AQP4基因敲除小鼠模型的分析，發現AQP4 的缺失會導致腦含水量的增加。這表明AQP4 可促進水從腦實質進入腦血管、腦室和蛛網膜下腔。但也有證據表明AQP4能夠使水快速進入大腦[9]。這說明AQP4是一個雙向水通道，可促進水進出大腦。除了控制大腦內的水分子運動外，AQP4 還在突觸可塑性和記憶力方面有著重要作用[10]。另外，AQP4 還能促使星形膠質細胞在轉運水分子的同時，重新攝取包括鉀離子在內的細胞外間隙溶質，與神經細胞的興奮性密切相關[11]。

2 AQP4與缺血性腦卒中

2.1 缺血性腦卒中及卒中后腦水腫

腦卒中是全球第二大致死、致殘疾病，分為出血性腦卒中、缺血性腦卒中和蛛網膜下腔出血，其中，急性缺血性腦卒中占所有腦卒中病例的87%[12]。卒中發生后早期繼發性損傷，是AIS的高致死、致殘率的主要原因。腦水腫是AIS常見的并發癥之一，可導致顱內高壓，甚至腦疝形成，與患者的預后密切相關[13]。AIS 繼發腦水腫是通過級聯方式形成以細胞毒性腦水腫、血管源性腦水腫為主要類型的水腫。AIS發生后的最初幾個小時內，細胞膜鈉鉀泵受損導致細胞內水積聚，從而表現為細胞毒性腦水腫；隨后，長時間的缺血(72～96 h)促使血腦屏障破壞及血漿蛋白外滲，表現為血管源性腦水腫[14]。

2.2 AQP4在AIS繼發腦水腫中的作用

大量研究表明，AQP4 與AIS 繼發的腦水腫聯系緊密，并且在不同時期的腦水腫中，AQP4 的表達量不同，且作用相互矛盾[15]。在AIS 早期，AQP4 的極性分布發生改變，在血管周圍末端足突的表達迅速上調，在閉塞后1 h 達到高峰，其分布與病灶中心和邊緣的早期腦腫脹相吻合。隨后AQP4 的表達逐漸降低，再逐漸升高，于48 h 后在缺血半暗帶區觀察到另一個表達高峰，并且與腦腫脹程度相關[16-17]。這提示AQP4 是腦缺血后水運動的主要通道。Farr等[18]通過使用功能化苯基苯甲酰胺抑制AQP4 以后，觀察到腦水腫減輕且改善了預后。而在以血管源性水腫為主要水腫形式的模型中，與野生型小鼠相比，敲除AQP4 使腦含水量和顱內壓的明顯增加[19]。血管源性水腫中的AQP4缺失會導致液體清除率降低，疾病進展更快[20]。因此，AQP4對于腦水腫的作用是復雜的，在不同類型的水腫中有著不同的作用，并且AQP4 在腦卒中病灶周圍的表達量也會隨著病情的發展表現出差異。

3 水通道蛋白磁共振分子成像技術

3.1 傳統水分子擴散加權成像

水分子DWI 以其能夠無創、快速地檢測人體組織細胞水分子運動特征信息的優勢，成為了基礎科研和臨床診斷常用序列。但傳統的擴散加權成像以單指數模型作為基礎，不能區分血液流動與微循環灌注引起純水分子擴散與假擴散。因此，Le 等[21]引入了具有多個b 值并且基于在每個體素中具有慢擴散池和快速擴散池的雙指數模型，即體素內不相干運動(intra-voxel incoherent motion，IVIM)，并已逐步用于臨床研究。然而IVIM 模型沒有考慮到快慢擴散池之間的交換效應以及水通道蛋白對膜通透性的影響。

3.2 水通道蛋白磁共振分子成像

水通道蛋白的發現讓人們認識到水分子跨膜轉運的另一個途徑，對傳統擴散加權成像理論提出了巨大挑戰。鑒于水分子跨膜轉運的實際運動情況，一些學者提出運用增強擴散加權成像(enhance diffusion-weighted imaging，eDWI)來檢測水分子經由水通道蛋白主動轉運的過程[22]。eDWI技術是在擴散加權成像過程中通過采用連續、多個不同梯度的b 值獲得水分子通過不同方式進行跨膜運動的具體信息。由于水分子的轉運速率與b 值呈倒數關系，水分子經由AQP4 的轉運速率(0.40×10-3mm2/s)取倒數后恰好符合eDWI 高b 值(b＞1700 s/mm2)范圍。因此，AQP-MRI技術通過采用一系列高b值來檢測由AQP4 通道引起的水分子擴散運動受限，在分子層面評估與水分子擴散運動密切相關的疾病，如AIS、各種腫瘤、腎病等，具有重大臨床及科研潛力。

3.3 AQP-MRI在基礎實驗及部分臨床疾病中的研究現狀

Mukherjee等[23]證實AQP4過表達時，可以通過增加水的轉運產生信號，從而被MRI檢測到。一些學者認為，使用超高b值計算ADC (ADCuh)可能有助于代表AQP 的表達。李加慧等[5]提取大鼠的血液，制作成全血、血漿以及單純紅細胞成分。使用乙酰唑胺抑制紅細胞膜上的水通道蛋白，采用18 個連續、多個不同梯度的b 值(0～4500 s/mm2)對不同組織成分進行DWI多b 值分子成像，獲得了組織細胞中不同分子譜的信息。實驗結果表明，低b 值(0～200 s/mm2)能夠準確地鑒別組織成分，高b 值(＞1700 s/mm2)能夠獲取水通道蛋白分子信息，從而達到水通道蛋白成像的目的。Tan 等[24]對一共40 例低級別(15 例)和高級別(25 例)星形膠質細胞瘤的實體部位和瘤周水腫測量其ADC 值以及水通道蛋白表觀擴散系數(aquaporin-apparent diffusion coefficient，ADCaqp)值，采用Spearman 相關分析評估AQP mRNA 與各參數的相關性，證實了AQP 表達與超高b 值DWI 獲得的ADC 值之間具有相關性，并且得出AQP-MRI對腦膠質瘤的分期優于傳統DWI檢查的結論。Guang 等[25]對直腸癌病變的ADCaqp 值基于直方圖特征分析后認為，直腸癌超高b 值DWI 的ADCaqp 值可能作為一種新的、特異的、無創的成像標志物來反映AQP1 的表達和直腸癌的惡性程度。另外，AQP-MRI在糖尿病腎病、前列腺病變、卵巢病變等均有研究[26-28]。

4 AQP-MRI在缺血性腦卒中的研究

4.1 AQP-MRI與缺血性腦卒中

DWI 檢查對AIS 急性期的病變有較高的診斷價值，表現為病灶區高度的水分子擴散受限，在臨床上廣泛應用[29]。雖然其對缺血性損傷高度敏感，但其在診斷梗死核心區方面的特異性受到質疑。另外，傳統DWI 掃描會對部分患者呈現假陰性的結果。Edlow 等[30]分析了3236 例急性缺血性腦卒中患者的DWI 圖像及臨床特點后發現，部分患者DWI 掃描呈陰性，并且后循環缺血性腦卒中患者更易發生DWI 陰性結果。AQP-MRI的提出使定量檢測AQPs成為可能，結合AIS后繼發腦水腫的含量演變規律，有望成為更加準確的診斷方法。邢培秋等[31]對25 只大鼠右側大腦中動脈短暫性栓塞，建立了腦缺血模型，并在恢復再灌注后48 h 行MRI 檢查，采集了T2-FLAIR、常規DWI以及含6個高b值的AQP-MRI圖像，并經過圖像后處理獲取T2 信號值、常規ADC 值以及ADCaqp 值。再使用免疫熒光法檢測大鼠AQP4的表達情況，并與ADCaqp值進行對比。實驗結果發現，手術組大鼠病灶ADCaqp 值顯著降低，病灶周圍的AQP4 表達量相較對照組相同區域明顯增高，這與AQP4在48 h的表達量變化一致；同一大鼠的ADCaqp圖像與免疫熒光結果對比分析，ADCaqp 值與AQP4 的陽性染色呈負相關。實驗表明AQP-MRI 與傳統DWI 及T2-FLAIR 均能夠準確顯像梗死灶，并且能夠通過ADCaqp 值可視化AQP4 的分布情況，對缺血性腦卒中的病灶以及病情進展判斷具有重要意義，這與該課題組之前的實驗結果一致[32]。彭曉瀾等[33]使用25只大鼠制作短暫性大腦中動脈腦缺血模型行MRI 檢測，獲得T2-FLAIR、DWI 及AQP-MRI 序列，測量各序列MR 上病灶的相對面積，選擇6 個高b 值(＞2000 s/mm2)，獲取ADCaqp 值。課題組發現，與傳統DWI檢查相比，AQP-MRI會顯示更大、更多層次的病灶范圍，AQP-ADC 偽彩圖能直觀顯示多層次，提示AQP-ADC 能夠顯示病灶內部微觀信息。AIS 發生后1～6 h，病灶外周ADCaqp 值較對側相同區域增高，這可能提示側支循環的形成。另外課題組發現，AQP-MRI偽彩圖能夠可視化皮層與基底節區的信號差異，快速判斷病變范圍和損傷程度，而常規的DWI 序列對于腦灰白質缺乏對比。有研究認為解剖定位有助于細化缺血半暗帶和改善功能結局[34]。

4.2 AQP-MRI與缺血半暗帶

缺血半暗帶區是AIS發生后，缺血的腦組織尚可通過及時的再灌注治療而挽救的區域。急性期確定缺血半暗帶的范圍，拯救缺血半暗帶是影響AIS預后的一大重要因素。彭曉瀾等[33]首次定義AQP-MRI 與T2-FLAIR 面積差為“水通道蛋白分子半暗帶”。研究發現，腦缺血早期，AQP-MRI對缺血半暗帶的顯示較DWI 更具有敏感性；與DWI/T2-FLAIR 不匹配面積作為缺血半暗帶的方法相比，AQP-MRI 不僅具有顯示半暗帶的能力，還能夠顯示更大的半暗帶范圍。之后彭曉瀾等[35]再對AQP-MRI對腦缺血半暗帶的應用價值進行了研究。該課題組使用隨機區組設計，按再灌注時間不同，將30 只大鼠分為缺血組25 只和對照組5 只。經過MRI 檢查，獲取多b 值DWI 序列、3D-ASL、常規DWI序列以及T2-FLAIR序列。通過圖像后處理獲得動脈自旋標記腦血流量以及ADCaqp 偽彩圖，同時測量各個序列每一層面病灶的相對面積后，課題組得出與之前相同結論，即AQP-MRI 具有更加優越的顯示半暗帶的能力，并且與使用ASL方法檢測半暗帶相比，AQP-MRI 不會高估半暗帶區面積?？傊?，AQP-MRI 展現了準確診斷AIS 的潛力，可視化的特點也能為臨床醫生評估缺血梗死灶的范圍、損傷程度及半暗帶范圍提供巨大幫助。另外，由于AIS 后腦水腫的發展與AQP4 的含量密切相關，AQP-MRI 能夠準確判斷AQP4 的含量及分布情況，對AIS的病情進展判斷具有重要意義。

5 展望

AQP-MRI作為一項全新的水分子擴散加權檢查技術，目前研究已證明其可實時、動態地進行AQP4 分子成像，具有重要的科研及臨床應用前景。但目前關于AQP-MRI 的研究較少，多應用于腫瘤，有關缺血性腦卒中的研究更少，且多為離體動物實驗，需要進一步開展更多的在體及臨床應用研究。另外，高b值的DWI序列往往伴隨圖像信噪比的降低，這就要求更高的掃描設備的性能[36]。并且隨著掃描序列增多，掃描時間較常規MRI掃描延長，這對于AIS患者是一個不利因素。盡管如此，憑借AQP-MRI 對微小病變以及半暗帶的敏感性，隨著MRI設備的不斷進步，以及基礎及臨床試驗的不斷研究，AQP-MRI有望成為影像診斷缺血性腦卒中的有效技術。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。