水通道蛋白4与缺血性脑卒中的相关性及影像学研究进展

刘雪悟，唐雷，伍燕萍，翟昭华*

急性缺血性脑卒中(acute ischemic stroke，AIS)是临床上常见的一类严重危害人类健康的脑血管疾病，具有较高的发病率、病死率、致残率及复发率[1]。目前有多种影像学方法来诊断AIS 以及界定其核心梗死区与缺血半暗带区，如CT灌注成像、磁共振波谱成像、三维动脉自旋标记序列(three-dimensional arterial spin labeling，3D-ASL)等[2]，但均有不足。水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是一类位于细胞膜上的跨膜转运水分子的蛋白质，对水的跨膜运输具有重要作用，改变了人们对于跨膜转运水分子方式的认知[3]。目前已经在人体内发现13 种AQP 亚型，其中水通道蛋白4 (aquaporin 4，AQP4)主要位于中枢神经系统，国内外多项研究发现其与缺血性脑卒中后的水肿密切相关[4]。近年来，基于水通道蛋白理论的水通道蛋白磁共振成像(aquaporin MRI，AQP-MRI)技术对传统的水分子扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)技术提出挑战，为检测水分子扩散运动提供了全新的方向[5]。本文对AQP4 与缺血性脑卒中的关系以及AQP-MRI在缺血性脑卒中的技术进展进行综述。

1 AQP4的特点及功能

AQPs分布在全身各个器官，大脑内分布着9种AQPs，介导脑脊液、淋巴液、血液以及组织液的流动，其中AQP4 在脑内含量最多[6]。AQP4 主要在血管周围的末端足突上表达，并呈极性分布，这是AQP4 在中枢神经系统分布最为显著的特点[7]。目前研究发现AQP4 具有多种功能，最主要的功能是对脑内水含量的调控。Vindedal等[8]通过对AQP4基因敲除小鼠模型的分析，发现AQP4 的缺失会导致脑含水量的增加。这表明AQP4 可促进水从脑实质进入脑血管、脑室和蛛网膜下腔。但也有证据表明AQP4能够使水快速进入大脑[9]。这说明AQP4是一个双向水通道，可促进水进出大脑。除了控制大脑内的水分子运动外，AQP4 还在突触可塑性和记忆力方面有着重要作用[10]。另外，AQP4 还能促使星形胶质细胞在转运水分子的同时，重新摄取包括钾离子在内的细胞外间隙溶质，与神经细胞的兴奋性密切相关[11]。

2 AQP4与缺血性脑卒中

2.1 缺血性脑卒中及卒中后脑水肿

脑卒中是全球第二大致死、致残疾病，分为出血性脑卒中、缺血性脑卒中和蛛网膜下腔出血，其中，急性缺血性脑卒中占所有脑卒中病例的87%[12]。卒中发生后早期继发性损伤，是AIS的高致死、致残率的主要原因。脑水肿是AIS常见的并发症之一，可导致颅内高压，甚至脑疝形成，与患者的预后密切相关[13]。AIS 继发脑水肿是通过级联方式形成以细胞毒性脑水肿、血管源性脑水肿为主要类型的水肿。AIS发生后的最初几个小时内，细胞膜钠钾泵受损导致细胞内水积聚，从而表现为细胞毒性脑水肿；随后，长时间的缺血(72～96 h)促使血脑屏障破坏及血浆蛋白外渗，表现为血管源性脑水肿[14]。

2.2 AQP4在AIS继发脑水肿中的作用

大量研究表明，AQP4 与AIS 继发的脑水肿联系紧密，并且在不同时期的脑水肿中，AQP4 的表达量不同，且作用相互矛盾[15]。在AIS 早期，AQP4 的极性分布发生改变，在血管周围末端足突的表达迅速上调，在闭塞后1 h 达到高峰，其分布与病灶中心和边缘的早期脑肿胀相吻合。随后AQP4 的表达逐渐降低，再逐渐升高，于48 h 后在缺血半暗带区观察到另一个表达高峰，并且与脑肿胀程度相关[16-17]。这提示AQP4 是脑缺血后水运动的主要通道。Farr等[18]通过使用功能化苯基苯甲酰胺抑制AQP4 以后，观察到脑水肿减轻且改善了预后。而在以血管源性水肿为主要水肿形式的模型中，与野生型小鼠相比，敲除AQP4 使脑含水量和颅内压的明显增加[19]。血管源性水肿中的AQP4缺失会导致液体清除率降低，疾病进展更快[20]。因此，AQP4对于脑水肿的作用是复杂的，在不同类型的水肿中有着不同的作用，并且AQP4 在脑卒中病灶周围的表达量也会随着病情的发展表现出差异。

3 水通道蛋白磁共振分子成像技术

3.1 传统水分子扩散加权成像

水分子DWI 以其能够无创、快速地检测人体组织细胞水分子运动特征信息的优势，成为了基础科研和临床诊断常用序列。但传统的扩散加权成像以单指数模型作为基础，不能区分血液流动与微循环灌注引起纯水分子扩散与假扩散。因此，Le 等[21]引入了具有多个b 值并且基于在每个体素中具有慢扩散池和快速扩散池的双指数模型，即体素内不相干运动(intra-voxel incoherent motion，IVIM)，并已逐步用于临床研究。然而IVIM 模型没有考虑到快慢扩散池之间的交换效应以及水通道蛋白对膜通透性的影响。

3.2 水通道蛋白磁共振分子成像

水通道蛋白的发现让人们认识到水分子跨膜转运的另一个途径，对传统扩散加权成像理论提出了巨大挑战。鉴于水分子跨膜转运的实际运动情况，一些学者提出运用增强扩散加权成像(enhance diffusion-weighted imaging，eDWI)来检测水分子经由水通道蛋白主动转运的过程[22]。eDWI技术是在扩散加权成像过程中通过采用连续、多个不同梯度的b 值获得水分子通过不同方式进行跨膜运动的具体信息。由于水分子的转运速率与b 值呈倒数关系，水分子经由AQP4 的转运速率(0.40×10-3mm2/s)取倒数后恰好符合eDWI 高b 值(b＞1700 s/mm2)范围。因此，AQP-MRI技术通过采用一系列高b值来检测由AQP4 通道引起的水分子扩散运动受限，在分子层面评估与水分子扩散运动密切相关的疾病，如AIS、各种肿瘤、肾病等，具有重大临床及科研潜力。

3.3 AQP-MRI在基础实验及部分临床疾病中的研究现状

Mukherjee等[23]证实AQP4过表达时，可以通过增加水的转运产生信号，从而被MRI检测到。一些学者认为，使用超高b值计算ADC (ADCuh)可能有助于代表AQP 的表达。李加慧等[5]提取大鼠的血液，制作成全血、血浆以及单纯红细胞成分。使用乙酰唑胺抑制红细胞膜上的水通道蛋白，采用18 个连续、多个不同梯度的b 值(0～4500 s/mm2)对不同组织成分进行DWI多b 值分子成像，获得了组织细胞中不同分子谱的信息。实验结果表明，低b 值(0～200 s/mm2)能够准确地鉴别组织成分，高b 值(＞1700 s/mm2)能够获取水通道蛋白分子信息，从而达到水通道蛋白成像的目的。Tan 等[24]对一共40 例低级别(15 例)和高级别(25 例)星形胶质细胞瘤的实体部位和瘤周水肿测量其ADC 值以及水通道蛋白表观扩散系数(aquaporin-apparent diffusion coefficient，ADCaqp)值，采用Spearman 相关分析评估AQP mRNA 与各参数的相关性，证实了AQP 表达与超高b 值DWI 获得的ADC 值之间具有相关性，并且得出AQP-MRI对脑胶质瘤的分期优于传统DWI检查的结论。Guang 等[25]对直肠癌病变的ADCaqp 值基于直方图特征分析后认为，直肠癌超高b 值DWI 的ADCaqp 值可能作为一种新的、特异的、无创的成像标志物来反映AQP1 的表达和直肠癌的恶性程度。另外，AQP-MRI在糖尿病肾病、前列腺病变、卵巢病变等均有研究[26-28]。

4 AQP-MRI在缺血性脑卒中的研究

4.1 AQP-MRI与缺血性脑卒中

DWI 检查对AIS 急性期的病变有较高的诊断价值，表现为病灶区高度的水分子扩散受限，在临床上广泛应用[29]。虽然其对缺血性损伤高度敏感，但其在诊断梗死核心区方面的特异性受到质疑。另外，传统DWI 扫描会对部分患者呈现假阴性的结果。Edlow 等[30]分析了3236 例急性缺血性脑卒中患者的DWI 图像及临床特点后发现，部分患者DWI 扫描呈阴性，并且后循环缺血性脑卒中患者更易发生DWI 阴性结果。AQP-MRI的提出使定量检测AQPs成为可能，结合AIS后继发脑水肿的含量演变规律，有望成为更加准确的诊断方法。邢培秋等[31]对25 只大鼠右侧大脑中动脉短暂性栓塞，建立了脑缺血模型，并在恢复再灌注后48 h 行MRI 检查，采集了T2-FLAIR、常规DWI以及含6个高b值的AQP-MRI图像，并经过图像后处理获取T2 信号值、常规ADC 值以及ADCaqp 值。再使用免疫荧光法检测大鼠AQP4的表达情况，并与ADCaqp值进行对比。实验结果发现，手术组大鼠病灶ADCaqp 值显著降低，病灶周围的AQP4 表达量相较对照组相同区域明显增高，这与AQP4在48 h的表达量变化一致；同一大鼠的ADCaqp图像与免疫荧光结果对比分析，ADCaqp 值与AQP4 的阳性染色呈负相关。实验表明AQP-MRI 与传统DWI 及T2-FLAIR 均能够准确显像梗死灶，并且能够通过ADCaqp 值可视化AQP4 的分布情况，对缺血性脑卒中的病灶以及病情进展判断具有重要意义，这与该课题组之前的实验结果一致[32]。彭晓澜等[33]使用25只大鼠制作短暂性大脑中动脉脑缺血模型行MRI 检测，获得T2-FLAIR、DWI 及AQP-MRI 序列，测量各序列MR 上病灶的相对面积，选择6 个高b 值(＞2000 s/mm2)，获取ADCaqp 值。课题组发现，与传统DWI检查相比，AQP-MRI会显示更大、更多层次的病灶范围，AQP-ADC 伪彩图能直观显示多层次，提示AQP-ADC 能够显示病灶内部微观信息。AIS 发生后1～6 h，病灶外周ADCaqp 值较对侧相同区域增高，这可能提示侧支循环的形成。另外课题组发现，AQP-MRI伪彩图能够可视化皮层与基底节区的信号差异，快速判断病变范围和损伤程度，而常规的DWI 序列对于脑灰白质缺乏对比。有研究认为解剖定位有助于细化缺血半暗带和改善功能结局[34]。

4.2 AQP-MRI与缺血半暗带

缺血半暗带区是AIS发生后，缺血的脑组织尚可通过及时的再灌注治疗而挽救的区域。急性期确定缺血半暗带的范围，拯救缺血半暗带是影响AIS预后的一大重要因素。彭晓澜等[33]首次定义AQP-MRI 与T2-FLAIR 面积差为“水通道蛋白分子半暗带”。研究发现，脑缺血早期，AQP-MRI对缺血半暗带的显示较DWI 更具有敏感性；与DWI/T2-FLAIR 不匹配面积作为缺血半暗带的方法相比，AQP-MRI 不仅具有显示半暗带的能力，还能够显示更大的半暗带范围。之后彭晓澜等[35]再对AQP-MRI对脑缺血半暗带的应用价值进行了研究。该课题组使用随机区组设计，按再灌注时间不同，将30 只大鼠分为缺血组25 只和对照组5 只。经过MRI 检查，获取多b 值DWI 序列、3D-ASL、常规DWI序列以及T2-FLAIR序列。通过图像后处理获得动脉自旋标记脑血流量以及ADCaqp 伪彩图，同时测量各个序列每一层面病灶的相对面积后，课题组得出与之前相同结论，即AQP-MRI 具有更加优越的显示半暗带的能力，并且与使用ASL方法检测半暗带相比，AQP-MRI 不会高估半暗带区面积。总之，AQP-MRI 展现了准确诊断AIS 的潜力，可视化的特点也能为临床医生评估缺血梗死灶的范围、损伤程度及半暗带范围提供巨大帮助。另外，由于AIS 后脑水肿的发展与AQP4 的含量密切相关，AQP-MRI 能够准确判断AQP4 的含量及分布情况，对AIS的病情进展判断具有重要意义。

5 展望

AQP-MRI作为一项全新的水分子扩散加权检查技术，目前研究已证明其可实时、动态地进行AQP4 分子成像，具有重要的科研及临床应用前景。但目前关于AQP-MRI 的研究较少，多应用于肿瘤，有关缺血性脑卒中的研究更少，且多为离体动物实验，需要进一步开展更多的在体及临床应用研究。另外，高b值的DWI序列往往伴随图像信噪比的降低，这就要求更高的扫描设备的性能[36]。并且随着扫描序列增多，扫描时间较常规MRI扫描延长，这对于AIS患者是一个不利因素。尽管如此，凭借AQP-MRI 对微小病变以及半暗带的敏感性，随着MRI设备的不断进步，以及基础及临床试验的不断研究，AQP-MRI有望成为影像诊断缺血性脑卒中的有效技术。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。