AQP磁共振分子成像在肿瘤中的研究进展

肖刚，胡玉川，崔光彬

水是细胞的主要组成部分，通常占细胞总量的70%～80%。不同部位水分子含量差别很大，其跨膜转运对维持不同区域的液体平衡、内环境稳态及细胞正常代谢具有重要作用。随着水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的发现以及近年来对其结构和功能的研究，极大提高了水分子在细胞膜上主动转运机制的认识[1-2]。越来越多的证据表明，在某些病理情况下，特别是在肿瘤性疾病，AQPs的表达与分布亦发生了明显变化，并与肿瘤的恶性程度密切相关[3-4]。近年来，基于AQPs理论的MR分子成像技术已成为研究热点，其致力于快速、准确地定量评估细胞膜上AQPs的表达情况，有助于疾病的早期特异性诊断及个体化治疗，在临床应用上展示了巨大的发展前景。本文对AQP磁共振分子成像在肿瘤中的应用进展进行简要综述。

1 AQPs简介

水分子作为一种不带电荷且半径极小的极性分子，很早被证实能通过简单扩散的方式自由穿透脂质双分子层，但其扩散速度非常缓慢，而在一些细胞(如红细胞、肾小管细胞等)中水分子的扩散速率较快，难以用简单扩散方式解释这一现象。因此，有学者提出水通道假说，推断细胞膜上可能存在一种允许水分子通过的蛋白，但当时并未找到并表征出这种蛋白。1988年，Preston等[5]在分离纯化人红细胞Rh抗原时意外发现了一种分子量为28 kD，含有亲水性氨基酸的未知多肽，后经过一系列实验被证实为AQPs。AQPs的发现及其结构和功能的研究，极大地提高了对水分子跨膜转运机制的认识。

AQPs属于主体内在膜蛋白(major intrinsic protein，MIP)超家族。近年来，利用X光晶体学、电子晶体学等技术演绎水通道蛋白的氨基酸序列，明确了其分子结构和功能位点。AQPs家族分子质量在23～31 kDa，一级结构是由两个同向重复部分组成的单肽链，水通道家族的高度保守区是两个天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸(Asn-Pro-Ala，NPA)序列，这两个NPA高度保守位点是通透水分子的结构基础。二级结构由5个短环(A、B、C、D、E环)连接6个亲水的跨膜结构域组成，蛋白的N末端、C末端、B环和D环都在细胞内，而A环、C环、E环位于细胞外。胞内的B环和胞外的E环各自形成半个跨膜螺旋并围绕成腔型使NPA折叠形成狭窄的水孔，从而组成AQPs特征型“沙漏样”的三级结构。AQPs的四级结构是由4个亚基包绕而成的四聚体，四聚体结构对于维持单个亚基的位置很重要，但是每个亚基作为水通道的功能是独立的。

迄今为止，已有200余种AQPs在不同物种中被发现，其中存在于哺乳动物体内的有13种，即AQP0-1 2。研究证实，A Q P s 家族各成员间的同源性为19%～52%。根据其基因结构、序列同源程度及转运功能特性，将AQPs家族划分为3个亚家族：一类为传统水通道蛋白，包括AQP0、1、2、4、5、6、8，其在基因结构上相似，对水分子具有高度选择性；另一类为水甘油通道蛋白，包括AQP3、7、9、10，除对水分子通透外，对尿素、甘油、嘌呤等中性小分子也具有通透性；还有超水通道蛋白，包括AQP11、12，与其他家族成员相比，同源性较低且水转运功能尚不明确。

这些AQPs分布于全身不同的组织器官中，除了在与体液分泌、呼吸、循环和吸收密切相关的多种组织器官如肾脏、肺、脑、腺体、消化道等高度表达外，在一些组织细胞如血细胞、脂肪细胞、骨骼肌和生殖器官等处也有表达[6-9]。同时，AQPs在机体内不同器官也发挥着重要的生理功能。

2 AQPs在人体肿瘤中的表达

AQPs具有独特的生物学特性，对水的跨膜转运至关重要，不仅在维持机体正常生理功能中发挥着作用，在病理情况下，特别是在恶性肿瘤中，其表达和分布也发生了明显变化。肿瘤细胞具有高代谢、高消耗的特点，对水分子的需求也明显高于正常细胞。近年来的研究显示AQPs参与了肿瘤细胞的增殖、迁徙和血管生成等。需要注意的是，对于某些肿瘤来说，AQPs的表达与肿瘤组织学分级密切相关，如低级别胶质瘤的AQP1表达水平有所升高，而在胶质母细胞瘤其表达显著升高[10]。也有研究报道AQPs在肿瘤组织中表达减少，其原因可能为研究中仅仅检测了一种AQPs，而没有在此基础上探讨其他AQPs表达的变化。如在结直肠癌的一项研究中，AQP8表达下降，而另一项研究却显示AQP5表达升高[11-12]。在某些情况下，一些AQPs在正常来源细胞中没有表达，但可以在其肿瘤细胞中表达。总之，AQPs在肿瘤中的表达呈上调趋势，但这种表现只是一种异常现象或是在肿瘤生物学行为中发挥作用，目前尚不清楚。

在中枢神经系统中主要表达的AQPs是AQP1、4、9，其他的仅为零星表达。研究显示，胶质瘤细胞膜上AQP4极化表达缺失，与内向整流性K+通道脱藕联，使细胞外K+浓度升高，神经元静息电位增高，提高了胶质瘤病人癫痫的发生率[13]。在呼吸系统中，AQP5大量表达于非小细胞肺癌组织的肿瘤血管内皮细胞，使伪足顶端内部产生渗透压梯度，增加局部静水压，从而引起细胞膜突伸，促进肿瘤血管生成[14]。在乳腺浸润性导管癌发生过程中，AQP5在肿瘤细胞中表达明显增高，同时导管上皮细胞中AQP5表达失去极性，主要在顶端表达，通过小干扰RNA技术诱导乳腺癌细胞AQP5表达下调，可以显著降低细胞的增殖和迁移[15]。

3 AQP表达与扩散加权成像

扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是目前唯一能够检测活体组织内水分子扩散运动的无创方法，能在宏观成像中反映活体组织中微观扩散运动，从细胞及分子水平研究疾病病理生理状态的一种技术，现已广泛应用于临床，特别是在急性脑梗死和恶性肿瘤中发挥着重要作用[16]。

生物组织中，水分子的扩散运动既有细胞内、外和跨细胞膜运动，同时也存在于微循环灌注运动。微循环毛细血管网内水分子随血流运动可以看作无序的随机运动，其与毛细血管网的结构及血流速度相关。为此，Le Bihan等[17]在1986年首先提出基于体素内不相干运动(intra-voxel incoherent motion，IVIM)的双指数模型DWI，对常规单指数模型DWI技术进行了改进。随着水分子扩散研究的不断优化，在真实而复杂的生物组织环境中，水分子的实际扩散会逐渐偏离标准的高斯分布，表现出不同程度的非高斯性，于是一些新的更加精细的数学模型应运而生，包括拉伸指数模型(stretched-exponential model，SEM)、扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)及分数阶微积分(fractional order calculus，FROC)模型[18-20]。

从常规单指数模型DWI发展到IVIM，再到非高斯模型DWI，均认为水分子的跨膜转运方式是自由扩散。但AQPs的发现彻底改变了这一观点，提出水分子的跨膜转运除了自由扩散外，还可以通过AQPs主动转运，因此DWI信号的衰减也会受到细胞膜上AQPs的影响。为了通过影像学方法获得水分子AQPs主动转运的扩散信息，在IVIM模型基础上提出AQPs磁共振分子成像[21-23]。AQP磁共振分子成像通过采集多个连续b值(包括低、中及高b值)的DWI图像，分别获得水分子在微循环灌注、自由扩散及AQPs主动转运的扩散信息。因此，认为多b值DWI-MR建立起来的AQP磁共振分子成像通过检测水分子主动跨膜运动，将其作为特异性小分子探针，来间接揭示细胞膜上AQPs的分布、数量和功能状态，开创了MRI分子影像技术研究的新路径。

目前，已有一些将AQPs磁共振分子成像技术应用于实验和临床的报道。李秋菊等[24]应用乙酰唑胺作为AQPs抑制剂，对肝纤维化模型大鼠进行多b值DWI扫描，在肝脏纤维化早期，应用乙酰唑胺抑制剂前后，高b值的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)变化与细胞膜上AQP1表达具有相关性。陈秋雁等[25]对大鼠建立不同的脑缺血模型，于灌注恢复后48 h行MRI检查采集AQP-DWI图像，结果显示大鼠患侧AQP4表达较健侧明显升高，且高b值ADC值患健侧差值百分比与患侧AQP4表达量及患健侧AQP4表达量的差值百分比均呈负相关。Xueying L等[26]采用常规DWI和AQP磁共振分子成像技术检测帕金森患者苍白球、壳和黑质的D值、D*值、标准ADC值(standard ADC，ADCst)及极高b值ADC值(ultra-high b-values ADC，ADCuh)。结果显示，与正常对照组相比，帕金森患者苍白球、壳和黑质的ADCst、D值及D*值无明显变化，而ADCuh值却明显下降。作者认为ADCuh值下降可能与帕金森患者基底节区AQPs表达下降有关，因此ADCuh值有可能成为帕金森病早期诊断的重要指标。

需要关注的是，除了AQP磁共振分子成像外，正电子发射断层扫描(positron emission tomography，PET)在揭示人体细胞膜AQPs的分布、数量和功能状态上也具有一定的发展潜力。Suzuki等[27]利用放射性核素11C标记AQP4特异性抑制剂TGN-020(2-nicotinamido-1，3，4-thiadiazole)，合成分子探针[11C]TGN-020，并利用该探针在健康人脑内进行PET成像。结果显示，在软脑膜及血管周围胶质细胞足突有明显放射性浓聚，这与AQP4在颅内分布区一致；另外，脉络丛也显示放射性摄取，而脉络丛除了AQP4的表达，尚有AQP1的表达。

4 AQP-DWI在肿瘤中的应用

随着分子生物学技术的进步，AQPs与肿瘤相关基础研究已较为深入和成熟，其在多个器官的肿瘤组织中异常表达，对肿瘤生物学行为有着多重影响。因此，通过AQP磁共振分子成像获得肿瘤细胞中AQPs的分布和活性，对于肿瘤的早期诊断、病理分型及疗效预测具有潜在价值。

Stefan等[28]为了评估脑膜瘤不同DWI参数与AQP4表达的相关性，对23例Ⅰ型脑膜瘤患者行多b值DWI扫描，获得最小ADC值(minimal ADC，ADCmin)、平均ADC值(mean ADC，ADCmean)、最大ADC值(maximal ADC，ADCmax)及D值，并对每一位患者AQP4表达水平进行评分。结果显示，脑膜瘤患者AQP4表达水平与ADCmax值之间具有明确相关性，AQP4表达水平越高，其ADCmax值越大，而AQP4表达水平与ADCmean、ADCmin及D值无显著相关性。

Fu等[29]对33例晚期宫颈癌患者新辅助化疗前后行多b值DWI扫描，同时获取宫颈癌标本中AQP1阳性表达水平。结果显示，治疗有效组的ADCmax值明显高于化疗前，同时AQP1的表达水平也明显下降。作者认为AQP1水平的下降可能与化疗后细胞凋亡引起的细胞膜结构破坏和解体有关，而ADCmax值可以作为晚期宫颈癌新辅助化疗疗效评估的早期影像学指标。

Hu等[30]对比分析了极高b值与常规DWI对脑胶质瘤的分级诊断效能，对109例胶质瘤患者行多b值DWI扫描，获得ADCuh、分布扩散系数(distributed diffusion coefficient，DDC)、水分子扩散异质性指数(water diffusion heterogeneity index，α)及常规ADC值，发现高级别胶质瘤中常规ADC、DDC、α值及ADCuh值均低于低级别胶质瘤，其中ADCuh值诊断效能最高。同时，作者注意到三指数模型测得的ADCuh值均明显低于常规ADC值，分析原因可能与细胞膜上与水扩散相关的AQPs有关，因此高、低级别胶质瘤ADCuh值的差异可能会反映肿瘤细胞膜上AQPs的表达水平。

迄今为止，AQPs相关基础研究已取得巨大进展，AQPs参与细胞的增殖、迁移和血管生成，提示其在肿瘤的发生、生长过程中发挥着重要作用。目前，基于多b值建立起来AQP磁共振分子成像已可以通过检测不同运动速度的水分子来间接揭示AQPs的分布、数量和功能状态，从而为肿瘤的术前诊断和生物学行为评估提供更加准确的信息，有助于指导临床治疗和预后评估，也进一步拓展了多b值DWI技术的应用前景。但需要注意的是，ADCuh值与AQPs表达水平之间相关性原理尚存在一定的争议，同时b值过多影响扫描时间，b值过高影响图像质量，使得AQP磁共振分子成像应用于临床尚需一定时间。相信随着AQPs基础研究的深入和分子影像学技术的发展，AQP磁共振分子成像在指导肿瘤个体化治疗领域能展现出更多的优越性，同时也为进一步实现水甘油通道磁共振分子成像、AQP特异性分子靶向药物治疗奠定坚实的基础。

利益冲突：无。