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一种高分辨AQP4分子磁共振成像技术有望无创预测胶质瘤治疗敏感性
贾银行 韩广旭 王泽君 王宝 刘英超 白瑞良

Cite this article as: Jia YH, Han GX, Wang ZJ, et al. A high-spatial-resolution MRI method of AQP4 imaging shows potentials in predicting the treatment-resistance in glioma[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(11): 169-170.本文引用格式:贾银行, 韩广旭, 王泽君, 等. 一种高分辨AQP4分子磁共振成像技术有望无创预测胶质瘤治疗敏感性[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 169-170. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.035.


[摘要] 2022年11月14日浙江大学白瑞良团队联合山东省立医院刘英超团队在Nature子刊《Nature Biomedical Engineering》杂志(2022年影响因子为29.234)发表了研究论文,题目为“Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas”(https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9)。该研究介绍了一种胶质瘤分子影像的新方法,能够在不增加患者经济和时间负担情况下,实现对胶质瘤内水通道蛋白4(aquaporins-4, AQP4)表达的高分辨MRI,并首次发现AQP4表达水平与胶质瘤治疗抵抗存在直接相关。该工作将为胶质瘤的精准诊断和治疗管理提供一种有效的影像学工具。
[关键词] 胶质瘤;水通道蛋白-4;磁共振成像;水分子跨膜流出速率;治疗抵抗
[Keywords] glioma;aquaporins-4;magnetic resonance imaging;transmembrane water-efflux rate;treatment-resistance

贾银行 1   韩广旭 1   王泽君 1   王宝 4   刘英超 5*   白瑞良 1, 2, 3*  

1 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院,杭州 310027

2 浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所,杭州 310027

3 浙江大学教育部脑与脑机融合前沿科学中心,杭州 310058

4 山东大学附属齐鲁医院放射科,济南 250012

5 山东第一医科大学附属省立医院神经外科,济南 250021

白瑞良,E-mail:ruiliangbai@zju.edu.cn 刘英超,E-mail:yingchaoliu@email.sdu.edu.cn


基金项目: 国家科技创新2030重大专项 2022ZD0206000 国家自然科学基金 81873894,82172050,82222032,81641176,82202114 浙江省自然科学基金 LR20H180001
收稿日期:2022-11-04
接受日期:2022-11-14
中图分类号:R445.2  R730.264 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.11.035
本文引用格式:贾银行, 韩广旭, 王泽君, 等. 一种高分辨AQP4分子磁共振成像技术有望无创预测胶质瘤治疗敏感性[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 169-170. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.035

       2022年11月14日浙江大学白瑞良团队联合山东省立医院刘英超团队在Nature子刊《Nature Biomedical Engineering》杂志(2022年影响因子为29.234)发表了研究论文,题目为“Transmembrane water-efflux rate measured by magnetic resonance imaging as a biomarker of the expression of aquaporin-4 in gliomas”(https://www.nature.com/articles/s41551-022-00960-9)。该研究介绍了一种胶质瘤分子影像的新方法,能够在不增加患者经济和时间负担情况下,实现对胶质瘤内水通道蛋白4(aquaporins-4, AQP4)表达的高分辨MRI,并首次发现AQP4表达水平与胶质瘤治疗抵抗存在直接相关。该工作将为胶质瘤的精准诊断和治疗管理提供一种有效的影像学工具。

       脑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。AQP4是中枢神经系统的主要水通道蛋白之一,在胶质瘤组织中存在着异常高表达和特殊的空间分布,在胶质瘤细胞的增殖、侵袭和迁移、瘤周水肿形成、治疗抵抗等方面发挥重要作用,是胶质瘤精准诊疗的理想生物标记物。然而,截至目前,活检是能在术前提供AQP4表达水平的唯一金标准,但是病理组织的获取是有创的,且不能全面反映胶质瘤独特的异质性,从而导致信息不全。面对该重大临床问题,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在该领域取得重大技术突破,发展了一种快速、无创的全肿瘤AQP4高分辨MRI技术,极大地弥补了该领域的技术空白,推动了胶质瘤的个体化精准诊疗。该论文主要创新内容如下。

1 设计了一种新型的AQP4 MRI技术原理和方法

       AQP4是一种大分子膜蛋白,在常规磁共振波谱分析等MRI技术中不可见。作者参考广泛应用于生命科学的免疫荧光标记方法,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(约2.4 pL)水分子通过细胞膜(胶质瘤细胞体积约为10 pL),巧妙地提出了AQP4 MRI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。作者利用临床常规使用的磁共振对比剂(如钆喷酸葡胺)的胞外分布特性,通过进一步改造动态对比增强MRI(dynamic contrast enhanced MRI, DCE-MRI)技术,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)。

图1  新型水通道蛋白4(AQP4)MRI原理和方法图解。图片改编于《Nature Biomedical Engineering》文章中图1。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MRI技术在kio测量方面的敏感性和特异性,最终实现在体AQP4高分辨成像。

2 从细胞、动物、人体多层次验证了新方法检测AQP4的敏感性和特异性

       为了验证跨膜运输DCE-MRI(water-exchange DCE-MRI)技术在检测AQP4方面的敏感度,作者首先通过构建胶质瘤动物模型,将water-exchange DCE-MRI得到的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,在胶质瘤患者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。更重要的是,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,作者发现通过AQP4敲除或特异性抑制均能有效减慢kio,充分证明了新方法检测AQP4的特异性(图2)。

图2  临床胶质瘤患者,water-exchange DCE-MRI得到的水分子跨膜流出速率(kio)参数图可以精准表征水通道蛋白4(AQP4)表达及其瘤内和瘤间异质性。图片部分改编自《Nature Biomedical Engineering》文章图7和图9。DCE-MRI:动态对比增强MRI;IHC:免疫组织化学。

3 AQP4表达提示胶质瘤放化疗治疗敏感性

       作者通过发展的新型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表达的胶质瘤组织以具有胶质瘤干细胞特性的慢增殖细胞(slow cycle cell, SCC)为主,对TMZ等放化疗治疗不敏感,耐药生物标志物[锌指增强子结合蛋白1(zinc-finger-enhancer binding protein 1, ZEB1)]高表达;而高AQP4的胶质瘤组织以快增殖细胞(fast cycle cell, FCC)为主,对TMZ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)。

       综上所述,文章巧妙地设计了一种标记AQP4的MRI原理,并通过改造DCE-MRI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揭示胶质瘤对放化疗治疗的敏感性。该技术在常规3 T及多种场强下均可实现,且可以在临床常规对比剂的配合下、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。该技术的主要局限在于只能对胶质瘤增强区进行准确AQP4成像,非增强区及其在其他非增强脑疾病中的应用仍需进一步技术突破。

图3  AQP4表达水平提示胶质瘤对放化疗治疗的敏感性。图片改编于《Nature Biomedical Engineering》文章图8。低AQP4的细胞亚型以胶质瘤干细胞特征的慢增殖细胞为主,在替莫唑胺(TMZ)治疗下存活,并且表达更多的治疗抵抗标志蛋白ZEB1。AQP4为水通道蛋白4;ZEB1为锌指增强子结合蛋白1;FCC为快增殖细胞;DAPI为4',6-二脒基-2-苯基吲哚;CTV为指细胞增殖荧光示踪剂。

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