AQP磁共振分子成像在腫瘤中的研究進(jìn)展

肖剛，胡玉川，崔光彬

水是細(xì)胞的主要組成部分，通常占細(xì)胞總量的70%～80%。不同部位水分子含量差別很大，其跨膜轉(zhuǎn)運對維持不同區(qū)域的液體平衡、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞正常代謝具有重要作用。隨著水通道蛋白(aquaporins，AQPs)的發(fā)現(xiàn)以及近年來對其結(jié)構(gòu)和功能的研究，極大提高了水分子在細(xì)胞膜上主動轉(zhuǎn)運機(jī)制的認(rèn)識[1-2]。越來越多的證據(jù)表明，在某些病理情況下，特別是在腫瘤性疾病，AQPs的表達(dá)與分布亦發(fā)生了明顯變化，并與腫瘤的惡性程度密切相關(guān)[3-4]。近年來，基于AQPs理論的MR分子成像技術(shù)已成為研究熱點，其致力于快速、準(zhǔn)確地定量評估細(xì)胞膜上AQPs的表達(dá)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(yīng)用上展示了巨大的發(fā)展前景。本文對AQP磁共振分子成像在腫瘤中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)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(kuò)散的方式自由穿透脂質(zhì)雙分子層，但其擴(kuò)散速度非常緩慢，而在一些細(xì)胞(如紅細(xì)胞、腎小管細(xì)胞等)中水分子的擴(kuò)散速率較快，難以用簡單擴(kuò)散方式解釋這一現(xiàn)象。因此，有學(xué)者提出水通道假說，推斷細(xì)胞膜上可能存在一種允許水分子通過的蛋白，但當(dāng)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(xì)胞Rh抗原時意外發(fā)現(xiàn)了一種分子量為28 kD，含有親水性氨基酸的未知多肽，后經(jīng)過一系列實驗被證實為AQPs。AQPs的發(fā)現(xiàn)及其結(jié)構(gòu)和功能的研究，極大地提高了對水分子跨膜轉(zhuǎn)運機(jī)制的認(rèn)識。

AQPs屬于主體內(nèi)在膜蛋白(major intrinsic protein，MIP)超家族。近年來，利用X光晶體學(xué)、電子晶體學(xué)等技術(shù)演繹水通道蛋白的氨基酸序列，明確了其分子結(jié)構(gòu)和功能位點。AQPs家族分子質(zhì)量在23～31 kDa，一級結(jié)構(gòu)是由兩個同向重復(fù)部分組成的單肽鏈，水通道家族的高度保守區(qū)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。二級結(jié)構(gòu)由5個短環(huán)(A、B、C、D、E環(huán))連接6個親水的跨膜結(jié)構(gòu)域組成，蛋白的N末端、C末端、B環(huán)和D環(huán)都在細(xì)胞內(nèi)，而A環(huán)、C環(huán)、E環(huán)位于細(xì)胞外。胞內(nèi)的B環(huán)和胞外的E環(huán)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(jié)構(gòu)。AQPs的四級結(jié)構(gòu)是由4個亞基包繞而成的四聚體，四聚體結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，其中存在于哺乳動物體內(nèi)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(jù)其基因結(jié)構(gòu)、序列同源程度及轉(zhuǎn)運功能特性，將AQPs家族劃分為3個亞家族：一類為傳統(tǒng)水通道蛋白，包括AQP0、1、2、4、5、6、8，其在基因結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(huán)和吸收密切相關(guān)的多種組織器官如腎臟、肺、腦、腺體、消化道等高度表達(dá)外，在一些組織細(xì)胞如血細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、骨骼肌和生殖器官等處也有表達(dá)[6-9]。同時，AQPs在機(jī)體內(nèi)不同器官也發(fā)揮著重要的生理功能。

2 AQPs在人體腫瘤中的表達(dá)

AQPs具有獨特的生物學(xué)特性，對水的跨膜轉(zhuǎn)運至關(guān)重要，不僅在維持機(jī)體正常生理功能中發(fā)揮著作用，在病理情況下，特別是在惡性腫瘤中，其表達(dá)和分布也發(fā)生了明顯變化。腫瘤細(xì)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(xì)胞。近年來的研究顯示AQPs參與了腫瘤細(xì)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(dá)與腫瘤組織學(xué)分級密切相關(guān)，如低級別膠質(zhì)瘤的AQP1表達(dá)水平有所升高，而在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤其表達(dá)顯著升高[10]。也有研究報道AQPs在腫瘤組織中表達(dá)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(chǔ)上探討其他AQPs表達(dá)的變化。如在結(jié)直腸癌的一項研究中，AQP8表達(dá)下降，而另一項研究卻顯示AQP5表達(dá)升高[11-12]。在某些情況下，一些AQPs在正常來源細(xì)胞中沒有表達(dá)，但可以在其腫瘤細(xì)胞中表達(dá)?？傊珹QPs在腫瘤中的表達(dá)呈上調(diào)趨勢，但這種表現(xiàn)只是一種異常現(xiàn)象或是在腫瘤生物學(xué)行為中發(fā)揮作用，目前尚不清楚。

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

3 AQP表達(dá)與擴(kuò)散加權(quán)成像

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

生物組織中，水分子的擴(kuò)散運動既有細(xì)胞內(nèi)、外和跨細(xì)胞膜運動，同時也存在于微循環(huán)灌注運動。微循環(huán)毛細(xì)血管網(wǎng)內(nèi)水分子隨血流運動可以看作無序的隨機(jī)運動，其與毛細(xì)血管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及血流速度相關(guān)。為此，Le Bihan等[17]在1986年首先提出基于體素內(nèi)不相干運動(intra-voxel incoherent motion，IVIM)的雙指數(shù)模型DWI，對常規(guī)單指數(shù)模型DWI技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。隨著水分子擴(kuò)散研究的不斷優(yōu)化，在真實而復(fù)雜的生物組織環(huán)境中，水分子的實際擴(kuò)散會逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布，表現(xiàn)出不同程度的非高斯性，于是一些新的更加精細(xì)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)運而生，包括拉伸指數(shù)模型(stretched-exponential model，SEM)、擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)及分?jǐn)?shù)階微積分(fractional order calculus，F(xiàn)ROC)模型[18-20]。

從常規(guī)單指數(shù)模型DWI發(fā)展到IVIM，再到非高斯模型DWI，均認(rèn)為水分子的跨膜轉(zhuǎn)運方式是自由擴(kuò)散。但AQPs的發(fā)現(xiàn)徹底改變了這一觀點，提出水分子的跨膜轉(zhuǎn)運除了自由擴(kuò)散外，還可以通過AQPs主動轉(zhuǎn)運，因此DWI信號的衰減也會受到細(xì)胞膜上AQPs的影響。為了通過影像學(xué)方法獲得水分子AQPs主動轉(zhuǎn)運的擴(kuò)散信息，在IVIM模型基礎(chǔ)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(xù)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(huán)灌注、自由擴(kuò)散及AQPs主動轉(zhuǎn)運的擴(kuò)散信息。因此，認(rèn)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(xì)胞膜上AQPs的分布、數(shù)量和功能狀態(tài)，開創(chuàng)了MRI分子影像技術(shù)研究的新路徑。

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

需要關(guān)注的是，除了AQP磁共振分子成像外，正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography，PET)在揭示人體細(xì)胞膜AQPs的分布、數(shù)量和功能狀態(tài)上也具有一定的發(fā)展?jié)摿?。Suzuki等[27]利用放射性核素11C標(biāo)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(nèi)進(jìn)行PET成像。結(jié)果顯示，在軟腦膜及血管周圍膠質(zhì)細(xì)胞足突有明顯放射性濃聚，這與AQP4在顱內(nèi)分布區(qū)一致；另外，脈絡(luò)叢也顯示放射性攝取，而脈絡(luò)叢除了AQP4的表達(dá)，尚有AQP1的表達(dá)。

4 AQP-DWI在腫瘤中的應(yīng)用

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，AQPs與腫瘤相關(guān)基礎(chǔ)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(dá)，對腫瘤生物學(xué)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(xì)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(yù)測具有潛在價值。

Stefan等[28]為了評估腦膜瘤不同DWI參數(shù)與AQP4表達(dá)的相關(guān)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(dá)水平進(jìn)行評分。結(jié)果顯示，腦膜瘤患者AQP4表達(dá)水平與ADCmax值之間具有明確相關(guān)性，AQP4表達(dá)水平越高，其ADCmax值越大，而AQP4表達(dá)水平與ADCmean、ADCmin及D值無顯著相關(guān)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(biāo)本中AQP1陽性表達(dá)水平。結(jié)果顯示，治療有效組的ADCmax值明顯高于化療前，同時AQP1的表達(dá)水平也明顯下降。作者認(rèn)為AQP1水平的下降可能與化療后細(xì)胞凋亡引起的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞和解體有關(guān)，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(xué)指標(biāo)。

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

迄今為止，AQPs相關(guān)基礎(chǔ)研究已取得巨大進(jìn)展，AQPs參與細(xì)胞的增殖、遷移和血管生成，提示其在腫瘤的發(fā)生、生長過程中發(fā)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(shù)量和功能狀態(tài)，從而為腫瘤的術(shù)前診斷和生物學(xué)行為評估提供更加準(zhǔn)確的信息，有助于指導(dǎo)臨床治療和預(yù)后評估，也進(jìn)一步拓展了多b值DWI技術(shù)的應(yīng)用前景。但需要注意的是，ADCuh值與AQPs表達(dá)水平之間相關(guān)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(zhì)量，使得AQP磁共振分子成像應(yīng)用于臨床尚需一定時間。相信隨著AQPs基礎(chǔ)研究的深入和分子影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，AQP磁共振分子成像在指導(dǎo)腫瘤個體化治療領(lǐng)域能展現(xiàn)出更多的優(yōu)越性，同時也為進(jìn)一步實現(xiàn)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(chǔ)。

利益沖突：無。