? 膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最為常見的原發(fā)腫瘤，展現(xiàn)出高度異質(zhì)性和難治性，是臨床治療中最棘手的難點(diǎn)之一。水通道蛋白4（AQP4）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要水通道蛋白之一，在膠質(zhì)瘤細(xì)胞命運(yùn)決定中發(fā)揮重要作用，是膠質(zhì)瘤精準(zhǔn)診療的理想生物標(biāo)記物。然而，AQP4的活體檢測十分困難，尚缺乏有效手段。
2022年11月14日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院白瑞良團(tuán)隊(duì)聯(lián)合山東省立醫(yī)院劉英超團(tuán)隊(duì)，在 Nature Biomedical Engineering 期刊發(fā)表了題為：Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas 的研究論文。
該研究首次報道了一種水通道蛋白4（AQP4）的在體可視化技術(shù)，并在膠質(zhì)瘤治療敏感性預(yù)測方面取得初步成效。該技術(shù)可在臨床環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)，有望為未來膠質(zhì)瘤精準(zhǔn)診斷和治療管理提供一種有效的影像學(xué)工具。
面對AQP4活體檢測的重大臨床問題，浙江大學(xué)白瑞良團(tuán)隊(duì)及山東省立醫(yī)院劉英超團(tuán)隊(duì)，通過醫(yī)工交叉的技術(shù)手段，在該領(lǐng)域取得重大突破，發(fā)明了一種快速、無創(chuàng)的全腫瘤AQP4高分辨磁共振成像技術(shù)，彌補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白，并首次發(fā)現(xiàn)AQP4表達(dá)水平與膠質(zhì)瘤治療抵抗存在直接相關(guān)，能夠有效預(yù)測膠質(zhì)瘤放化療治療的敏感性。
該研究為膠質(zhì)瘤的精準(zhǔn)診斷提供了一種有效的影像學(xué)工具技術(shù)，可為膠質(zhì)瘤的預(yù)后評估發(fā)揮關(guān)鍵作用。
AQP4是一種大分子膜蛋白，在常規(guī)MRS等磁共振成像技術(shù)中不可見。作者參考廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的熒光標(biāo)記方法，利用AQP4能夠介導(dǎo)水分子的跨膜運(yùn)輸活動這一現(xiàn)象，且單個AQP4分子能夠每秒介導(dǎo)大量（~2.4pL）水分子通過細(xì)胞膜（膠質(zhì)瘤細(xì)胞體積約為10pL），巧妙的提出了AQP4磁共振成像的新原理–即通過測量AQP4介導(dǎo)的水分子跨膜流出速率kio，從而實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)AQP4分子的特異性標(biāo)記和信號放大。研究團(tuán)隊(duì)利用臨床常規(guī)使用磁共振造影劑（例如Gd-DTPA）的胞外分布特性，通過進(jìn)一步改造動態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像技術(shù)（dynamic-contrast-enhanced MRI，DCE MRI），極大提高了DCE-MRI對水分子跨膜運(yùn)輸測量的敏感度，在不增加患者經(jīng)濟(jì)和時間成本的情況下實(shí)現(xiàn)了對AQP4的精準(zhǔn)測量。
圖1. 新型AQP4磁共振成像原理和方法圖解。通過測量AQP4介導(dǎo)的水分子跨膜流出速率（kio），特異性標(biāo)記和放大AQP4在體磁共振信號，進(jìn)而通過提升動態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像技術(shù)在kio測量方面的敏感度和特異性，最終實(shí)現(xiàn)在體AQP4高分辨成像。 為了驗(yàn)證跨膜運(yùn)輸動態(tài)對比增強(qiáng)磁共振成像技術(shù)（water-exchange DCE-MRI）在檢測AQP4方面的靈敏度和臨床轉(zhuǎn)化可行性，團(tuán)隊(duì)首先通過構(gòu)建膠質(zhì)瘤動物模型，將water-exchange DCE-MRI得到的水分子跨膜流出速率kio結(jié)果與AQP4免疫組化結(jié)果做空間分布對比，發(fā)現(xiàn)兩者存在高度線性相關(guān)性；進(jìn)而利用kio圖譜引導(dǎo)立體定向活檢，在膠質(zhì)瘤病人中實(shí)現(xiàn)了磁共振圖像與膠質(zhì)瘤活檢病理的空間點(diǎn)對點(diǎn)比較分析，發(fā)現(xiàn)新技術(shù)檢測的AQP4表達(dá)依然與免疫組化結(jié)果存在高度線性相關(guān)性。
難能可貴的是，新技術(shù)不僅成功檢測到腫瘤間AQP4表達(dá)差異，也準(zhǔn)確檢測出膠質(zhì)瘤內(nèi)AQP4分布的異質(zhì)性以及替莫唑胺（TMZ）治療下AQP4的動態(tài)變化。在檢測特異性方面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過AQP4敲除或特異性抑制均能有效減慢水分子跨膜流出速率，充分證明了新方法檢測AQP4的特異性。圖2. 臨床膠質(zhì)瘤患者，Water-exchange DCE-MRI得到的kio參數(shù)圖可以精準(zhǔn)表征AQP4表達(dá)及其瘤內(nèi)和瘤間異質(zhì)性。 為了進(jìn)一步推動該技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化，研究團(tuán)隊(duì)利用新AQP4成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤瘤間及瘤內(nèi)均存在較強(qiáng)AQP4表達(dá)異質(zhì)性。通過進(jìn)一步的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，低AQP4表達(dá)的膠質(zhì)瘤組織（像素），以具有膠質(zhì)瘤干細(xì)胞特性的慢增殖細(xì)胞為主，對替莫挫胺等放化療治療不敏感，耐藥生物標(biāo)志物（ZEB1）高表達(dá)；而高AQP4的膠質(zhì)瘤組織（像素），以快增殖細(xì)胞為主，對替莫挫胺治療敏感，ZEB1低表達(dá)。前期研究結(jié)果提示，AQP4成像有望揭示膠質(zhì)瘤對放化療治療的敏感性。
圖3. AQP4表達(dá)水平提示膠質(zhì)瘤對放化療治療的敏感性。低AQP4的膠質(zhì)瘤組織以膠質(zhì)瘤干細(xì)胞特征的慢增殖細(xì)胞為主（SCC），在替莫挫胺（TMZ）治療下存活，并且表達(dá)更多的治療抵抗標(biāo)志蛋白ZEB1。 綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計了一種標(biāo)記AQP4的磁共振成像新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了膠質(zhì)瘤內(nèi)AQP4的無創(chuàng)、高分辨、定量成像，成功揭示了膠質(zhì)瘤內(nèi)AQP4表達(dá)的空間異質(zhì)性，并初步發(fā)現(xiàn)新技術(shù)能夠提示膠質(zhì)瘤對放化療治療的敏感性。該技術(shù)在常規(guī)3T及多種場強(qiáng)下均可實(shí)現(xiàn)，且可以在臨床常規(guī)造影劑的配合下、無需額外增加掃描時間及成本的條件下完成，具有很強(qiáng)的普適性，有望為膠質(zhì)瘤的個體化精準(zhǔn)診療提供有效的影像學(xué)工具。
浙江大學(xué)博士生賈銀行為第一作者，山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師許尚臣和浙江大學(xué)博士生韓廣旭為共同第一作者。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、教育部腦與腦機(jī)融合前沿科學(xué)中心白瑞良研究員為通訊作者，山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師劉英超為共同通訊作者。
研究得到了浙江大學(xué)段樹民院士、劉沖教授，浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科張建民主任、美國國立衛(wèi)生研究院Peter J. Basser教授、哈佛醫(yī)學(xué)院和麻省總醫(yī)院的Jonathan Polimeni教授、山東大學(xué)陳增敬教授等專家的指導(dǎo)。
研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金以及浙江大學(xué)教育部腦與腦機(jī)融合前沿科學(xué)中心等的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9
