磁共振水通道蛋白分子成像機制及研究進展

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理論基礎上的一種新興的分子成像技術，通過多b值水通道蛋白分子成像技術不僅可以獲得水分子的擴散信息和組織的微循環灌注信息，而且可以獲得水分子的跨膜轉運信息，從而間接反映細胞膜上AQPs的表達水平，從分子層面為疾病的診斷、治療及預后的評估提供更多的依據。近來年，隨著磁共振設備和成像技術的進步以及對 AQPs研究的不斷深入，應用這項技術進行的相關研究越來越多，尤其是在中樞神經系統疾病和腫瘤方面的應用已取得了令人鼓舞的成績，使AQPs分子成像從細胞和分子水平的基礎研究向臨床轉化成為可能。

AQPs的理論基礎

AQPs是一類具有高度選擇性的跨膜轉運蛋白，以四聚體的結構形式富集于原核及真核生物的細胞膜上，能夠顯著增加細胞膜對水的通透性，對維持細胞內外水平衡及穩定細胞微環境具有重要作用[1-3]。AQPs由13個成員組成(AQP0～AQP12)，廣泛分布于全身各種組織和器官中。根據其主要結構，可分為3個亞科：水選擇性AQP，也被稱為傳統的水通道蛋白，包括AQP0、AQP1、AQP2、AQP4、AQP5、AQP6和AQP8，其功能是專門轉運純水；水甘油通道，包括AQP3、AQP7、AQP9和AQP10，對水和一些小的非帶電溶質(如甘油、尿素和硝酸鹽等)具有滲透性[4-5]；第三個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胞內外水的平衡。

一般認為細胞膜上的水通道蛋白是處于持續開放狀態的，水分子的跨膜轉運是雙向的且不需要消耗能量。水分子通過AQPs的移動方向取決于：①細胞膜兩側液體的滲透壓， 水分子從滲透壓低的一側向高的一側移動，直至兩者達到平衡；②細胞膜上AQPs 的數量，組織或者細胞通過上調或者下調AQP的數量來維持液態穩定，如腎臟中AQP2對水的重吸收主要是通過上調AQP2的表達來刺激細胞內AQP2的質膜的轉運[7]；③AQPs 的水分子通透性，Moeller等的研究發現通過蛋白激酶C(protein kinase C，PK-C)介導的磷酸化途徑可以降低星形膠質細胞對水的通透性[8]。由于AQPs在平衡水穩態、調節細胞內信號和氧化應激反應等方面具有廣泛的病理生理功能，已被證實與多種疾病的發生有關，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分子成像的技術背景和成像機制

DWI是一種無創的MRI技術，反映了水分子的表觀擴散運動。傳統DWI技術是假設人體組織為單一、均勻的物質，水分子隨機運動造成的擴散加權信號的衰減是隨著b值的增加呈單指數衰減。然而，在活體組織內，一些其它生理變化(如血管流動和管狀流動等)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，因此單指數模型無法真實反映組織的實際成分和結構變化[12-13]。1986年，Le Bihan等[14]首次提出了基于體素內不相干運動(intra-voxel incoherent motion，IVIM)的雙指數模型，認為在每個體素中存在慢擴散池和快擴散池兩部分。與單指數模型中使用兩個標準b值不同，基于IVIM的DWI是在傳統DWI的基礎上引入一系列連續的、不同梯度的b值，獲得反映水分子在組織細胞中不同擴散運動的分子譜。IVIM雙指數模型可以將組織的微循環灌注和水分子擴散信息進行分離，從而獲得反映組織真實擴散情況的參數。然而，Bisdas等[15]認為雙指數模型也存在過于簡化的問題，該模型并未考慮到快、慢兩種擴散組分之間的交換效應及細胞膜的通透性，因此可能并不是解釋DWI信號衰減的一個令人滿意的模型。一些研究人員推測，每個體素中可能存在連續的擴散系數分布，基于靜脈內不相干運動(IVIM)理論的快、慢擴散池分別代表了細胞外、細胞內的擴散受限組分，該模型不適用于b值>1000 s/mm2的情況[16-18]，隨著b值的增高，另有一個重要的水擴散成分持續存在，這就表明水池較多的模型能更準確地反映組織中水分子的擴散運動。

無論是單指數模型還是雙指數模型理論，均認為水分子的跨膜轉運方式是自由擴散。1993年，Agre等[1]發現了AQPs，提出水分子的跨膜轉運包括兩種方式：自由擴散和水通道蛋白介導的主動轉運，因此DWI信號的衰減還會受到細胞膜上水通道蛋白介導的水分子轉運過程的影響。AQPs分子成像就是基于AQPs理論基礎上的一種新興的MRI技術，是在DWI的基礎上引入更多、更高的b值，b 值越高，血流灌注及水分子自由擴散引起的信號衰減越明顯，甚至可以忽略不計，此時DWI檢測的對象也越接近AQPs內轉運的水分子[19-21]?；诖死碚摶A，李佳慧等[19]提出了AQPs分子成像的三指數模型，計算公式為：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的水分子轉運過程相關的擴散系數，fAQP代表在總信號衰減中經水通道蛋白的轉運過程導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散的信息，而且可以反映水分子跨膜轉運的情況。Ling等[13]采用15個b值擬合成一個三指數模型，并采用了分段的方法，當b值<2000 s/mm2時，擴散加權信號S擬合雙指數方程，b值>2000 s/mm2時采用單指數方程擬合5個超高b值(2000、3000、3500、4000和5000 s/mm2)，獲得超高ADC(ultra-high ADC，ADCUH)，進一步提高了分析的準確性和穩定性，其計算公式為：

與雙指數模型相比，三指數模型不僅具有更好的擬合性，且可以獲得更詳細的水分子擴散運動信息，為定量檢測AQP提供了可能[22]。

MRI-AQP分子成像的臨床應用現況

AQPs作為全身多種疾病治療的關鍵分子靶點，對其數量、分布和功能的調控具有非常重要的意義。近年來，隨著對AQPs的深入研究及MRI技術的快速發展，MRI-AQP分子成像在實驗和臨床的應用取得了令人鼓舞的成績。

1.中樞神經系統

Ling等[13]使用超高b值獲得的表觀擴散系數來評估帕金森病患者的腦損傷情況，通過三指數模型擬合計算獲得標準ADC(ADCst)、真實擴散系數(D)、灌注相關擴散系數(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、殼核和黑質的上述各項參數值，結果表明PD患者的蒼白球、殼核和黑質的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計學意義(P>0.050)。超高b值的擴散信息提示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退行性疾病(如多系統萎縮)區分開來。與對照組相比，PD患者所有測量腦區的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的生物學標志物。Xue等[23]對比分析了阿爾茨海默病(alzheimer disease，AD)患者超高b值擴散加權成像和擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)的擴散特征，與ADC或DKI參數相比，ADCUH對AD的可檢測性無顯著差異，但ADCUH結合ADC或DKI參數可以獲得更高的診斷效能。

彭曉瀾等[26]建立了大腦中動脈栓塞的腦缺血模型，運用AQP分子成像技術對缺血性腦卒中進行可視化的成像，結果表明AQP-MRI可清晰顯示病變部位、范圍和梗死嚴重程度。與常規的DWI相比，其在區分解剖部位、進一步細化缺血半暗帶等方面更具有優勢[28]，且在腦缺血早期對缺血半暗帶的顯示較傳統的DWI序列更敏感。MRI-AQP能反映AQPs內轉運的水分子信息，從而更好地反映生物體內微觀結構的變化。趙寶瓊等[27]的研究結果也表明在監測超急性期腦梗死患者腦水腫的變化方面，ADCUH值優于ADCst、D*和D值。在建模后1～6h時間段ADCUH值的變化幅度最大，同時AQP表達增長幅度最大，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的定量進行、相關性分析。

MRI-AQP在腦腫瘤的分級診斷中也具有重要的應用價值。Tan等[29]比較了高級別膠質瘤及低級別膠質瘤腫瘤實體部分的ADC和ADCUH值以及瘤周水腫，并測定了AQP信使核糖核酸(mRNA)，其結果表明高級別膠質瘤的實性部分的ADC值明顯低于低級別膠質瘤，ADCUH值明顯高于低級別膠質瘤，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。由此推斷ADCUH值可能與AQP的表達有關，也是導致高級別膠質瘤與低級別膠質瘤的ADCUH值有顯著差異的原因。

DWI序列最早應用于中樞神經系統，目前是頭顱掃描的常規序列，在腦卒中、腦腫瘤及神經系統退行性疾病等方面具有重要診斷價值。隨著MRI梯度硬件的進步，更高b值的DWI在中樞神經系統的應用得以實現，b值可達4000 s/mm2，甚至可達20000 s/mm2。相對于細胞外的水分子，細胞內的水分子對組織微結構的變化更敏感，且更具有代表性，超高b值DWI技術的實現為我們研究細胞內空間與細胞膜的相互作用提供了新的路徑。

2.腹部

李秋菊等[11]在一項關于多b值水通道蛋白成像在肝臟纖維化早期診斷價值的研究中，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胞膜上AQP表達量和活性的變化。其結果表明，隨著纖維化程度的增高，ADCUH值逐漸增加，與AQP表達量D變化一致，且與傳統DWI相比，ADCUH值對纖維化分期的診斷效能更高，再聯合乙酰唑胺抑制實驗，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值的變化與肝臟細胞膜上AQP的表達水平有關，AQP分子成像技術對早期肝纖維化的診斷及分期具有重要價值。

李曉娟等[30]搜集了39例發現有肝臟腫塊的患者，運用多b值DWI(18個b值)擬合三指數模型獲得D、D*和ADCAQP，比較低級別與高級別肝細胞癌的這3個參數值的差異，并與病理指標AQP進行相關性分析。其研究結果顯示ADCAQP能夠有效鑒別高級別與低級別肝細胞癌，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胞癌更容易發生缺血壞死，從而導致 AQPs的數量減少，ADCAQP值降低。三指數模型AQP-MRI能從微觀結構及功能代謝方面評估肝細胞癌的特征。馬婉玲等[9]采用多種擴散加權模型分析多b值DWI，結果也證實與純擴散系數(ADCslow)和分布擴散系數相比，ADCAQP在鑒別胰腺癌與非癌胰腺組織時的診斷效能更高。

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參數值(包括D、ADCst、ADCUH)，并對腎臟AQP1、AQP2和AQP4的表達水平進行半定量分析，結果顯示糖尿病組大鼠的腎皮質、外髓和內髓的ADCUH明顯高于正常對照組，與AQP-2光密度值呈正相關，而D和ADCst值在兩組間的差異無統計學意義，表明ADCUH對于糖尿病早期腎損害的評估具有重要價值，可作為早期發現糖尿病腎病所致腎臟損害的有價值的評估指標，通過超高b值DWI可以評估腎臟AQPs水轉運情況。

腹部MR圖像的整體信噪比較低，且易出現運動偽影，因此，與單個b值的DWI比較，多b值，尤其是超高b值DWI在腹部的應用更具挑戰性。目前超高b值DWI在腹部的應用研究尚處于探索階段，開發新的成像技術、優化掃描方案，從而最大限度地提高定量參數的穩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b值(0～3000 s/mm2)進行三指數擬合計算，獲得不同年齡組健康人群前列腺的D、D*、ADCUH和f值，并評價各參數值在觀察者間和短期掃描的可重復性，結果顯示：D、ADCUH和f值具有良好的可重復性，且在高年齡組中隨著年齡的增加ADCUH值逐漸下降，可能與AQP的表達下調有關。前列腺適合進行超高b值DWI檢查，且可以提供更多的額外信息，有成為定量生物標志物的潛力。Lee等[33]研究發現在雙序列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值[34]。

4.其它

Thapa等[35]運用超高b值DWI(b值0～7500 s/mm2)對健康人群的頸髓進行成像，并與傳統DTI進行比較，結果表明超高b值DWI上灰、白質之間的對比度更佳，具有更大的擴散加權效應和更小的T2WI穿透效應，是一種有效的、可重復性高的方法，且該方法可以獲得水分子在軸突內外間隙的水分子交換信息，從而能更深入地了解頸髓白質的微觀環境。因此，超高b值DWI可作為一個影像學生物標志物來區分脊髓炎癥、脫髓鞘和軸索損傷，有巨大的臨床應用潛力。AQP-MRI在腸道腫瘤方面的應用也有相關報道[36-37]。Zhang等[37]的研究結果顯示直腸癌超高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生物標志物，從細胞或分子水平為腫瘤的治療及預后提供更詳細的信息。

AQP磁共振分子成像技術的應用前景及面臨的挑戰

迄今為止，磁共振AQP分子成像技術在基礎科學和臨床應用方面的研究已取得了巨大進展，但主要集中在中樞神經退行性疾病、腦梗死及腫瘤方面的應用，不斷優化掃描方案將其應用于更多的領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的表達水平進行定量測量，因此ADCAQP作為AQP-MRI的度量指標，與 AQPs表達之間的相關程度還需要進一步的研究進行論證；其次，組織細胞膜上AQP的種類繁多、功能復雜，ADCAQP反映的是細胞膜上AQPs表達的綜合信息，運用更復雜的數學模型獨立而又全面地研究ADCAQP與AQP表達之間的相關性也是值得進一步探討的方向。

在超高b值DWI的掃描及后處理過程中也面臨一些挑戰：首先，掃描參數需要進一步的規范化和標準化以獲得更穩健、更可靠的數據；隨著b值的增加，圖像的信噪比降低，容易發生變形和失真，需要通過改善MR的性能及提高掃描技術，如增加激勵次數、增大掃描視野等方式來進一步提高圖像信噪比；其次，采集的數據量大，數據模型的選擇較復雜，運用更優化的后處理軟件可以明顯提高分析效率，實現對AQPs的定量分析。

AQPs作為生物標志物和治療靶點具有較好的臨床應用前景，以AQPs為分子探針，可以從細胞和分子水平研究疾病的病理生理機制，為疾病的診斷、治療及預后評估奠定堅實的理論基礎。利用AQP-MRI定量參數來間接反映AQPs的表達，將結構和功能一體化，實現了從基礎向臨床的轉化，為MR分子影像學的研究開辟了新的路徑。