水通道蛋白4（Aquaporin 4 channel，AQP4）是一种表达在胶质瘤细胞的水分子选择性膜蛋白，主导肿瘤的迁移、增殖和治疗耐药性等恶性表型。目前，基于肿瘤组织的病理学检查是定量AQP4表达水平的唯一方法，但AQP4的表达在肿瘤内和肿瘤间均有巨大差异，临床上迫切需要开发定量检测AQP4表达的分子成像技术。
近日，山东第一医科大学附属省立医院刘英超教授团队和浙江大学医学院白瑞良教授团队在神经肿瘤影像领域的合作取得新进展，以“Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas”为题在生物医学工程顶级期刊Nature Biomedical Engineering（中科院一区Top，IF=29.3）发表研究论文，首次报道了胶质瘤在体无创AQP4分子磁共振成像技术[1]。刘英超教授和白瑞良教授为本文共同通讯作者。
目前，尚无可以临床使用的AQP4在体成像方法，因其在大脑中的摩尔浓度相对较低（≤ [8.65±0.80] ng/ml），不能采用磁共振波谱（MRS）或化学交换饱和转移（CEST）检测。另一方面，虽然靶向特定分子的外源性造影剂可用于MRI的分子成像，但目前还没有开发出用于临床的AQP4成像的探针，而且即使有这样的探针，相关的药物开发和批准过程也非常昂贵和漫长。此前，研究团队面向胶质瘤精准管理的重大临床需求，通过团队协作、医工交叉发展了新型水分子跨膜运输动态对比增强磁共振技术（Water-exchange DCE-MRI），增加了跨膜水交换维度，使胶质瘤AQP4分子的空间表达和分布可视化[2]。Water-exchange DCE-MRI技术的关键是锚定AQP4调节跨膜水分子交换的生理学原理，采用定量表征细胞内水流出率（Kio），作为AQP4线性表达的替代参数。团队利用AQP4能够介导水分子的跨膜运输活动，且单个AQP4分子能够每秒介导大量（~2.4pL）水分子通过细胞膜（胶质瘤细胞体积约为10pL）这一现象，巧妙的提出了AQP4磁共振成像的新原理：通过测量AQP4介导的跨膜水分子交换速率，从而实现对体内AQP4分子的特异性标记和信号放大。本研究利用临床常规使用磁共振造影剂（例如Gd-DTPA）的胞外分布特性，通过进一步发展动态增强对比磁共振成像技术（即“水交换对比增强磁共振成像技术”，Water-exchange DCE-MRI），增强了DCE-MRI对水分子跨膜运输测量的敏感度，最终实现了对AQP4的精准测量。
图1. 新型AQP4磁共振成像原理和方法图解。通过测量AQP4介导的水分子跨膜溢出速率（Kio），特异性标记和放大AQP4在体磁共振信号，进而通过提升动态对比增强磁共振成像技术在Kio测量维度的敏感度和特异性，实现在体AQP4高分辨成像。图片改编于Nature Biomedical Engineering文章中Figure 1。
为了验证Water-exchange DCE-MRI在检测AQP4方面的灵敏度，合作团队通过构建胶质瘤动物模型，通过将Water-exchange DCE-MRI谱图与AQP4免疫组化对应位置做空间分布对比，发现两者存在高度线性相关性；进而利用Kio引导立体定向脑活检，在胶质瘤病人中实现了磁共振图像与胶质瘤活检病理的空间“点对点”对应分析，新技术检测的AQP4表达与免疫组化结果同样存在高度线性相关性。此外，在立体定向多靶点脑活检技术辅助下，Water-exchange DCE-MRI技术不仅成功检测到肿瘤间AQP4表达差异，也准确检测出胶质瘤内多个位点AQP4表达的异质性变化。
图2. 临床胶质瘤活检患者，Water-exchange DCE-MRI可以精准表征AQP4表达及其瘤内和瘤间异质性。图片改编于Nature Biomedical Engineering Figure 7和Extended data Figure 9。
一项新的磁共振技术最重要的是临床转化价值。本研究在人脑胶质瘤临床验证的顺利进行，得益于山东省立医院神经外科在立体定向穿刺活检的丰富临床经验，本研究通讯作者刘英超主刀胶质瘤手术约120台/年，立体定向活检术100台/年。手术时大脑的微小移位即可能会影响采样精度，这种不可控的误差进而会影响影像-病理特征相关性的空间匹配准确性。框架式立体定向活检技术的活检靶点精度误差<0.5mm，是目前误差最小的脑活检技术。首先需要将CT定位图像和SS-DCE-MRI参数谱图配准；活检手术前，病人固定好Leksell立体定向头架扫描得到CT定位图像后，将CT定位图像和MRI图像进行配准，通过立体定位系统得到的活检坐标转换在MRI图像中并找到对应活检组织的坐标。因此，每个活检的标本都有准确的立体定向位置和特定的磁共振成像参数值进行配准，最大程度的确保磁共振参数谱图和病理切片阳性细胞比例的准确匹配。立体定向活检技术的采用最大程度的保障了活检标本的定量分析产生可靠的评估结果。通过使用与AQP4分子成像精准的“点对点”匹配的活检组织进行后续免疫组化，流式细胞仪分析以及免疫电镜检查分析，从不同角度验证AQP4分子成像与恶性表型指标线性相关。
AQP4分子成像技术相比其他成像技术具有以下鲜明优势：
1. 胶质瘤异质性是耐药和肿瘤复发的主要原因，Water-exchange DCE-MRI作为一种非侵入性成像技术，不仅没有电离辐射，还能够在体、无创地检测胶质瘤患者AQP4表达的瘤内和瘤间异质性，AQP4可视化技术为无创评估胶质瘤不同亚区域的生物活性和动态监测治疗敏感性提供了新的技术手段。
2. 该技术在常规3T及多种场强下均可实现，使用临床常规造影剂即可，无需额外增加扫描时间及成本，具有很强的普适性，研究团队预计这种技术将快速在临床普及，有望为胶质瘤的个体化精准诊疗提供有效的影像学工具。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9
通讯作者简介
刘英超 教授
山东省立医院
山东省立医院神经外科主任医师，博士，博士研究生导师，泰山学者（青年专家）
2009年博士毕业于复旦大学附属华山医院
科研方向：微创神经外科，神经影像，医学人工智能
主要科研成果：主持包括国家自然基金2项和省部级课题5项，山东省重大研发项目（子课题负责人）1项。第一或通讯作者在Nature biomedical engineering、Neuro-oncology、Biomaterial、PNAS、AJNR等国际权威期刊发表SCI论文30篇。目前在胶质瘤综合诊疗，立体定向活检术、功能神经外科领域已积累丰富临床经验。以第一主编编写著作《中枢神经系统疾病蛋白质组学》
白瑞良 教授
浙江大学医学院
浙江大学医学院/教育部脑与脑机融合前沿科学中心研究员（博导）
国家优秀青年基金（主持）
“科技创新2030”国家重大专项青年首席科学家
浙江省杰出青年基金（主持）、杭州市海外高层次人才
国际医学磁共振协会青年会士
荣获首届中国生物物理学会生物磁共振分会青年创新奖（2021）
当选国际医学磁共振协会青年会士（ISMRM Junior Fellow 2017）
海外华人医学磁共振协会青年科学家荣誉（第一名，2016）
已发表第一作者/通讯作者SCI论文20余篇（Nature Biomedical Engineering、PNAS、Medical Image Analysis、Neuroimage等），其他SCI论文20余篇，申请发明专利10余项
参考文献
1.Jia Y, Xu S, Han G, Wang B, Wang Z, Lan C, Zhao P, Gao M, Zhang Y, Jiang W, Qiu B, Liu R, Hsu Y, Sun Y, Liu C, Liu Y, Bai R. Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas. Nat Biomed Eng. 2022 doi: 10.1038/s41551-022-00960-9.Epub 2022 Nov 14. URL: https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9
2.Bai R, Wang B, Jia Y, Wang Z, Springer CS Jr, Li Z, Lan C, Zhang Y, Zhao P, Liu Y. Shutter-Speed DCE-MRI Analyses of Human Glioblastoma Multiforme (GBM) Data. J Magn Reson Imaging. 2020 Sep;52(3):850-863. doi: 10.1002/jmri.27118. Epub 2020 Mar 13. PMID: 32167637.
声明：脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、神内资讯、脑医咨询、Ai Brain 所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。
