胶质瘤是中枢神经系统最为常见的原发肿瘤，展现出高度异质性和难治性，是临床治疗中最棘手的难点之一。水通道蛋白4（AQP4）是中枢神经系统的主要水通道蛋白之一，在胶质瘤细胞命运决定中发挥重要作用，是胶质瘤精准诊疗的理想生物标记物。然而，AQP4的活体检测十分困难，尚缺乏有效手段。
2022年11月14日，浙江大学医学院白瑞良团队联合山东省立医院刘英超团队，在 Nature Biomedical Engineering 期刊发表了题为：Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas 的研究论文。
该研究首次报道了一种水通道蛋白4（AQP4）的在体可视化技术，并在胶质瘤治疗敏感性预测方面取得初步成效。该技术可在临床环境中轻松实现，有望为未来胶质瘤精准诊断和治疗管理提供一种有效的影像学工具。
面对AQP4活体检测的重大临床问题，浙江大学白瑞良团队及山东省立医院刘英超团队，通过医工交叉的技术手段，在该领域取得重大突破，发明了一种快速、无创的全肿瘤AQP4高分辨磁共振成像技术，弥补了该领域的技术空白，并首次发现AQP4表达水平与胶质瘤治疗抵抗存在直接相关，能够有效预测胶质瘤放化疗治疗的敏感性。
该研究为胶质瘤的精准诊断提供了一种有效的影像学工具技术，可为胶质瘤的预后评估发挥关键作用。
AQP4是一种大分子膜蛋白，在常规MRS等磁共振成像技术中不可见。作者参考广泛应用于生命科学的荧光标记方法，利用AQP4能够介导水分子的跨膜运输活动这一现象，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），巧妙的提出了AQP4磁共振成像的新原理–即通过测量AQP4介导的水分子跨膜流出速率kio，从而实现对体内AQP4分子的特异性标记和信号放大。研究团队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，通过进一步改造动态对比增强磁共振成像技术（dynamic-contrast-enhanced MRI，DCE MRI），极大提高了DCE-MRI对水分子跨膜运输测量的敏感度，在不增加患者经济和时间成本的情况下实现了对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介导的水分子跨膜流出速率（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测量方面的敏感度和特异性，最终实现在体AQP4高分辨成像。 为了验证跨膜运输动态对比增强磁共振成像技术（water-exchange DCE-MRI）在检测AQP4方面的灵敏度和临床转化可行性，团队首先通过构建胶质瘤动物模型，将water-exchange DCE-MRI得到的水分子跨膜流出速率kio结果与AQP4免疫组化结果做空间分布对比，发现两者存在高度线性相关性；进而利用kio图谱引导立体定向活检，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比较分析，发现新技术检测的AQP4表达依然与免疫组化结果存在高度线性相关性。
难能可贵的是，新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AQP4分布的异质性以及替莫唑胺（TMZ）治疗下AQP4的动态变化。在检测特异性方面，研究团队发现通过AQP4敲除或特异性抑制均能有效减慢水分子跨膜流出速率，充分证明了新方法检测AQP4的特异性。图2. 临床胶质瘤患者，Water-exchange DCE-MRI得到的kio参数图可以精准表征AQP4表达及其瘤内和瘤间异质性。 为了进一步推动该技术的临床转化，研究团队利用新AQP4成像技术发现胶质瘤瘤间及瘤内均存在较强AQP4表达异质性。通过进一步的细胞实验及相关技术发现，低AQP4表达的胶质瘤组织（像素），以具有胶质瘤干细胞特性的慢增殖细胞为主，对替莫挫胺等放化疗治疗不敏感，耐药生物标志物（ZEB1）高表达；而高AQP4的胶质瘤组织（像素），以快增殖细胞为主，对替莫挫胺治疗敏感，ZEB1低表达。前期研究结果提示，AQP4成像有望揭示胶质瘤对放化疗治疗的敏感性。
图3. AQP4表达水平提示胶质瘤对放化疗治疗的敏感性。低AQP4的胶质瘤组织以胶质瘤干细胞特征的慢增殖细胞为主（SCC），在替莫挫胺（TMZ）治疗下存活，并且表达更多的治疗抵抗标志蛋白ZEB1。 综上所述，研究团队巧妙地设计了一种标记AQP4的磁共振成像新技术，实现了胶质瘤内AQP4的无创、高分辨、定量成像，成功揭示了胶质瘤内AQP4表达的空间异质性，并初步发现新技术能够提示胶质瘤对放化疗治疗的敏感性。该技术在常规3T及多种场强下均可实现，且可以在临床常规造影剂的配合下、无需额外增加扫描时间及成本的条件下完成，具有很强的普适性，有望为胶质瘤的个体化精准诊疗提供有效的影像学工具。
浙江大学博士生贾银行为第一作者，山东第一医科大学附属省立医院神经外科主任医师许尚臣和浙江大学博士生韩广旭为共同第一作者。浙江大学医学院、教育部脑与脑机融合前沿科学中心白瑞良研究员为通讯作者，山东第一医科大学附属省立医院神经外科主任医师刘英超为共同通讯作者。
研究得到了浙江大学段树民院士、刘冲教授，浙江大学附属第二医院神经外科张建民主任、美国国立卫生研究院Peter J. Basser教授、哈佛医学院和麻省总医院的Jonathan Polimeni教授、山东大学陈增敬教授等专家的指导。
研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、浙江省自然科学基金以及浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心等的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9
