本文原載于：國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)刊物，2015年1季刊
作者：中國醫(yī)科學(xué)院附屬盛核醫(yī)學(xué)科(杜名，辛軍，郭啟勇)；通用電氣(中國)醫(yī)療系統(tǒng)集團(趙周社)
【摘要】水通道蛋白(AQPs)廣泛分布于細胞，介導(dǎo)水份子的跨膜轉(zhuǎn)運。AQPs與人類正常生理活動及多種癌癥的發(fā)生發(fā)展有著密切的聯(lián)系。以水通道蛋白理論為基礎(chǔ)的確診醫(yī)學(xué)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，采用正電子同位素?biāo)記示蹤劑PET成像和MR水份子擴散加權(quán)成像采用多b值、高b值就能顯示AQPs分布和抒發(fā)水平。AQPs分子成像技術(shù)對于癌癥初期確診和指導(dǎo)個體化醫(yī)治均具有重要的價值。
【關(guān)鍵詞】水通道蛋白；磁共振成像；擴散加權(quán)成像；分子成像；分子醫(yī)治
自Agre等在1992年發(fā)覺了水通道蛋白，即水孔蛋白(，AQPs)后徹底改變了傳統(tǒng)觀念上水在細胞膜擴散(被動轉(zhuǎn)運)觀念，成立了水在細胞膜主動轉(zhuǎn)運全新理論基礎(chǔ)，迄今在喂奶動物體內(nèi)發(fā)覺起碼存在13種水通道蛋白(AQP0-AQP12)分子[1-3]。本文對AQPs研究的最新進展給以介紹。
1水通道蛋白分類及分布
按照水通道蛋白家族成員的滲透特點可以將其分成兩類，一類對水的轉(zhuǎn)運具有高度選擇性，包括AQP1、2、4、5和8，其專門轉(zhuǎn)運水，富含水通道蛋白的細胞膜上水的滲透率要低于無水通道蛋白的50倍；另一類對水的轉(zhuǎn)運具有相對選擇性，即水甘油通道蛋白，包括AQP3、7、9和10，除可轉(zhuǎn)運水之外，還可以轉(zhuǎn)運小分子多肽及脂類，尤其是甘油以及體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物。一些研究者覺得有些水通道蛋白還可以轉(zhuǎn)運多種二氧化碳，包括甲烷、氨氣、一氧化氮和二溴化氫，但存在爭議[3]。在人體內(nèi)，水通道蛋白存在于好多部位，包括腦部、眼睛、肝及腎等；其分布與作用如表1所示。AQP10-12作為新興的水通道蛋白，目前研究尚少。
2水通道蛋白理論的應(yīng)用
2.1水通道蛋白理論在確診中的應(yīng)用研究已否認AQP1可推動肝病血管生成和血管內(nèi)皮細胞遷移，最新研究發(fā)覺在肝硬化過程中，AQP1可提高水的滲透率，加速了成纖維細胞生長因子誘導(dǎo)的肝竇內(nèi)皮細胞膜的皺折。因而使得病理智血管生成[4]，韓等[5]在水通道蛋白理論及基礎(chǔ)上，建立小鼠肝纖維化模型，進行13NH3-H20的PET/CT成像，構(gòu)建四房模型，進而否認小鼠肝纖維化過程中，13NH3-H20從組織間隙到血管內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)運的過程與AQP1數(shù)目及分布有密切關(guān)系。也有相關(guān)文獻報導(dǎo)，AQP1在甲狀腺癌、神經(jīng)母細胞瘤以及骨髓瘤等多種癌癥內(nèi)高抒發(fā)[1]。在非癌癥癌癥方面，AQP1在類痛風(fēng)關(guān)節(jié)炎胸膜細胞膜的抒發(fā)降低所造成的水代謝及轉(zhuǎn)運機制障礙可能是胸膜增生和關(guān)節(jié)腔囊腫產(chǎn)生的機制之一[6]。另外，Gao等[7]在小鼠實驗中否認AQP1的高抒發(fā)與肺損傷和肺纖維化有密切關(guān)系。
AQP2是抗清熱激素調(diào)控的水通道蛋白，與腎源性尿崩癥存在一定關(guān)系。當(dāng)AQP2抒發(fā)異常時，抗清熱激素不再受AQP2調(diào)控，喪失與心臟的抗通便激素受體的互相作用，進而腎小管不能濃縮精液。
AQP3屬于水甘油通道蛋白，其抒發(fā)造成的甘油轉(zhuǎn)運是一些細胞增殖的關(guān)鍵誘因。缺位AQP3的大鼠表現(xiàn)為皮膚干燥，直腸上皮細胞再生和結(jié)膜的修補延后。這是由于AQP3的缺位影響了甘油的代謝和生物合成，致使三乙酸腺苷(ATP)降低，而且妨礙了促分裂素原活化蛋白激酶(-，MAPK)的訊號傳導(dǎo)[8]。
AQP4在腦部和腦干中廣泛抒發(fā)，非常是參與產(chǎn)生血-腦屏障的星形膠質(zhì)細胞周足處以及室管膜和軟胃壁上皮[1]。AQP4與哮喘有著密切的關(guān)系：缺少AQP4的轉(zhuǎn)基因大鼠肝病發(fā)作時間明顯延長，這可能與細胞外K+間隙和間隙聯(lián)接耦合的改變有關(guān)。腦炎的組織中發(fā)覺K+在體內(nèi)平衡衰弱、上調(diào)，但是AQP4亞細胞分布發(fā)生改變[9]。同時，AQP4在黃斑、內(nèi)耳和觸覺臟器上皮組織中也有抒發(fā)。AQP4參與小鼠的神經(jīng)亢奮性活動，會導(dǎo)致視覺、聽覺和觸覺障礙，例如視神經(jīng)腦干炎，但是隨著AQP4數(shù)目的降低，開始發(fā)作的閥值減少，發(fā)作的時間和硬度降低[10]。對于家兔因急性水中毒和缺血性腦中風(fēng)發(fā)生的腦腫脹(以細胞毒性腦腫脹為主)，AQP4的缺位則可以減少發(fā)病程度，增加死亡率，但AQP4的缺位會阻撓血管性腦腫脹的恢復(fù)[1，11]。
AQP5主要分布于肺的I型細胞、上氣道的分泌上皮細胞，其功能的異常與部份肺疾患相關(guān)。肺淤血時，肺毛細血管壁私密性降低，血管內(nèi)液體首先在支食道周圍集聚，因而溶入肺間質(zhì)及肺臟內(nèi)。在氧中毒性肺膿腫模型小鼠的研究組發(fā)覺，小鼠肺部AQP1和AQP5都出現(xiàn)不同程度的上調(diào)，進而覺得當(dāng)急性肺損傷時，在水的清理過程中AQP1和AQP5起到了調(diào)節(jié)作用。但是它們的作用過程并不完全一致：在消除支食道和脈管周圍組織的水份環(huán)節(jié)中，AQP1作用更突出，而AQP5則主要清理肺臟腔內(nèi)的水份。AQP5在胃壁細胞也有抒發(fā)。食道癌患者的免疫組化染色顯示AQP5的抒發(fā)與癌癥大小、組織學(xué)類型和癌癥惡變有關(guān)[12]。與正常組織比較，AQP5在腫瘤組織中也有高抒發(fā)[13]。胰腺癌發(fā)展過程中，AQP5的高抒發(fā)與卵巢導(dǎo)管上皮細胞極性的失去有很大的關(guān)系[14]。
AQP6存在于腎集合管具有H+-ATP酶的細胞囊泡中，可能參與了胃液的分泌。在pH值較低時，AQP6奇特的陰離子滲透性被激活，在小鼠實驗中否認慢性中毒與水負荷降低時，AQP6的抒發(fā)明顯降低[15]。
AQP7主要定位于毛細血管內(nèi)皮細胞內(nèi)脂肪組織，參與甘油調(diào)節(jié)，近3～5年未有突破性研究發(fā)覺。
AQP8主要分布于消化系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)，具有維持汗液和電解質(zhì)平衡的作用。研究表明AQP3和AQP8在肝臟發(fā)炎和損傷時抒發(fā)降低[16]。AQP8似乎在腦部短發(fā)布少，但在人腦低級別星形細胞瘤的細胞質(zhì)中抒發(fā)降低，在高級別星形細胞瘤中抒發(fā)進一步降低，尤其是惡性膠質(zhì)瘤[17]。因而猜測AQP8可能有助于人腦星形細胞瘤的增殖。在特發(fā)性羊水過多的胎盤與羊膜上，AQP8也有著高抒發(fā)[18]，這說明AQP8在羊水量的調(diào)節(jié)上有著重要作用。
AQP9屬于水甘油通道蛋白，敲除AQP9的小鼠，顯著患有高甘油血癥和高甘油三脂血癥，這說明AQP9可能參與胰臟甘油的攝入和獼猴桃糖的代謝[19]。AQP9也存在于神經(jīng)節(jié)細胞，研究發(fā)覺血壓下降時。貓科類植物的黃斑神經(jīng)節(jié)細胞死亡降低，此時AQP9抒發(fā)減輕[20]。這一結(jié)果可能是由于AQP9抒發(fā)的缺位影響黃斑神經(jīng)節(jié)細胞存活。
目前關(guān)于AQP10～12的研究較少細胞膜水通道，AQP10僅僅抒發(fā)于脂肪細胞，甚至在有些植物中發(fā)覺其是假基因：部份研究者覺得AQP10的缺位可能與人類腸結(jié)核有一定關(guān)系[21-22]。AQP11～12是水通道蛋白家族新亞型，也叫超級水通道蛋白，AQP11與細胞葉綠體聯(lián)系緊密，而且在腎小管上皮細胞高抒發(fā)。實驗發(fā)覺，在敲不僅AQP11的大鼠中發(fā)覺了新生的、致命的多囊腎[23]。AQP12是新近發(fā)覺的喂奶植物水通道蛋白家族的成員，在腎臟腺泡細胞特異抒發(fā)。AQP12定位在細胞內(nèi)的細胞器，在快速和強烈的剌激下控制胰液的適當(dāng)分泌[24]。
2.2水通道蛋白理論在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中的應(yīng)用
2.2.1擴散加權(quán)成像技術(shù)MR擴散加權(quán)成像(，DWI)才能為活體水份子的分布及運動等特點提供重要信息，并早已成為對腦、肝和前列腺等行MRI檢測的常規(guī)方式。檢測組織細胞間隙水份子擴散訊號，其減小的程度與水份子運動速率相關(guān)，用擴散敏感度b表示。按照不同的b值獲得的影像所檢測的訊號值就可以用表觀擴散系數(shù)(ADC)表示?？偨Y(jié)歸納ADC值的變化與組織內(nèi)水份子變化之間的聯(lián)系，再以病理為基礎(chǔ)，從而研究癌癥與AQPs之間的關(guān)系。目前借助此技術(shù)的研究較多，且獲得初步推論。
有植物實驗結(jié)果表明AQP4基因抒發(fā)與局部ADC值呈較強的負相關(guān)，而在急性腦梗塞時局部ADC值與DWI上訊號的高低亦呈負相關(guān)[25-26]。以乳豬為模型，動態(tài)觀察研究乳豬腦缺血和再灌注后組織ADC值與AQP4之間關(guān)系，三者呈正相關(guān)(r=0.875)，并發(fā)覺在乳豬腦缺血和再灌注6h后ADC值達到最低[27]。研究表明鼠腦積水時，出現(xiàn)AQP4高抒發(fā)現(xiàn)象，ADC值與AQP4之間具有挺好的相關(guān)性[28]。植物實驗和臨床研究結(jié)果表明ADC值與肝硬化程度呈負相關(guān)[29-31]。隨著b值提升，良性病變訊號迅速增加。而惡性病變一直保持相對高訊號，當(dāng)b值為600s/mm2時，其可分辨腎臟病變的良惡性，并已獲得滿意的臨床結(jié)果[32]。
2.2.2分子成像技術(shù)PET／CT是將CT解剖影像與PET功能、代謝和分子成像影像相融合，可從分子水平無創(chuàng)、定量測定人體內(nèi)代謝變化。等[33]利11C標(biāo)記2-(煙丙酯)-1，3，4-噻二唑[2-()-1，3，4-，TGN-020]作為AQP顯像劑，結(jié)果發(fā)覺其才能與AQP4和AQP1結(jié)合。從而證明AQP4和AQP1在大鼠組織內(nèi)分布。韓等[5]以13NH3-H20為顯像劑，甲基唑胺為抑制劑，通過PET/CT成像，獲得肝纖維化小鼠血流在腸道內(nèi)的灌注、擴散及代謝的兩房模型，通過不同時間點SUV值的測定，否認AQP1與肝纖維化的不同分期有密切關(guān)系。
2.2.3CT灌注及超聲活檢技術(shù)目前也有關(guān)于CT灌注成像及超聲活檢評價肝纖維化及肝硬化的研究，其都是從宏觀上對腎臟血管的改變進行評價。研究發(fā)覺在肝硬化的過程中，病理智血管生成與AQP1有著密切關(guān)系，因而結(jié)合分子免疫可能在水通道蛋白的研究中有所發(fā)覺，但是臨床中要考慮到CT灌注及超聲活檢對患者存在的損傷性。
2.3水通道蛋白理論在醫(yī)治學(xué)中的應(yīng)用目前關(guān)于水通道蛋白與癌癥的研究越來越多，而且發(fā)覺她們之間存在聯(lián)系，這為臨床確診奠定了基礎(chǔ)，同時也為癌癥醫(yī)治提供了新的思路。目前存在兩種分子醫(yī)治方式，一是借助小分子單克隆抗原，但進展平緩；另一種為借助AQPs抑制劑。但是關(guān)于AQP抑制劑的報導(dǎo)甚少，但是意見不一。其實許多水通道蛋白被烷基反應(yīng)水銀劑(如汞、汞金)所抑制，但因為這種金屬離子對AQPs的抑制是非選擇性的，而且本身存在很強的毒性，因而不宜應(yīng)用于臨床。關(guān)于AQP1的抑制劑有好多報導(dǎo)，包括四嗎啉、乙酰唑胺和二乙基亞砜。但是部份研究者在使用敏感的檢測方式評估四嗎啉和甲基唑胺的抑制作用療效后，發(fā)覺其抑制作用很小甚至沒有；二乙基亞砜形成的抑制作用也尚不明晰[34-37]；而岳等[6]在實驗組否認甲基唑胺對AQP1的抒發(fā)有挺好的抑制作用細胞膜水通道，近日李等[38]通過體外實驗初步得出甲基唑胺對紅細胞上AQP的最低有效抑制含量。韓等[5]在13NH3-H20實驗中也否認甲基唑胺對AQP1有挺好的抑制作用。
3展望
隨著對AQPs的認識和了解，研究者們越來越多地發(fā)覺這一家族與人類健康密不可分。作為癌癥研究的新方向以及癌癥的特殊標(biāo)志物，相關(guān)AQPs的研究必定有更大的突破。AQPs抑制劑的研究為癌癥的醫(yī)治提供了新的思路，雖然目前還處于中級階段，但隨著研究的深入，其將在人類癌癥的醫(yī)治上開創(chuàng)新的里程碑。
參考文獻（略）