本文为类型a：单一原创研究报告。

本研究由贾银恒（Yinhang Jia）、徐尚辰（Shangchen Xu）、韩光旭（Guangxu Han）等学者合作完成，主要研究机构包括浙江大学医学院附属邵逸夫医院、浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、山东第一医科大学附属省立医院等。通讯作者为刘英超（Yingchao Liu）和柏瑞良（Ruiliang Bai）。该论文发表于《Nature Biomedical Engineering》，于2022年10月10日被接收并在线发表，DOI为10.1038/s41551-022-00960-9。

本研究属于生物医学工程与神经肿瘤学的交叉领域，核心科学问题是寻找一种能够无创检测胶质瘤中水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4）表达的影像生物标志物。胶质瘤是成人最常见的原发性中枢神经系统恶性肿瘤，预后极差。已有大量证据表明，AQP4在胶质瘤中异常上调，并且与肿瘤的迁移、增殖、水肿、治疗抵抗等密切相关。然而，AQP4在脑内的摩尔浓度很低，常规磁共振波谱或化学交换饱和转移技术无法直接检测；同时，针对AQP4的特异性造影剂也尚未开发。因此，研究者提出利用AQP4介导的跨膜水交换作为信号放大机制，通过水交换动态对比增强磁共振成像（water-exchange DCE-MRI）测量细胞内到细胞外的水外排速率常数（kio），从而间接反映AQP4表达水平。该研究的目标是验证kio作为胶质瘤AQP4表达的无创影像生物标志物的可行性、准确性和临床应用价值。

在具体工作流程方面，该研究分为四个主要阶段。第一阶段是体外细胞实验。研究者使用U87MG和C6两种胶质瘤细胞系，在0.5 T台式MRI系统上进行水交换DCE-MRI测量。细胞被装载至定制核磁管中，以钆对比剂（gadoteridol，Gd）标记细胞外水，并采用反转恢复快速自旋回波（IR-TSE）序列采集数据。通过Shutter Speed（SS）模型拟合，得到C6细胞的kio为10.0±0.4 s⁻¹，U87MG细胞的kio为8.1±0.8 s⁻¹。为了量化AQP4通路对kio的贡献，研究者分别使用AQP4特异性抑制剂TGN020和CRISPR-Cas9基因敲除技术抑制或消除AQP4表达。结果显示，TGN020使U87MG的kio降低43.2%，使C6的kio降低44.0%；AQP4基因敲除使C6的kio降低58%，计算出AQP4调控的kio为5.8 s⁻¹。此外，在AQP4敲除细胞中再使用TGN020未引起kio进一步下降，说明TGN020的作用确实通过AQP4通路发挥。第二阶段为替莫唑胺（temozolomide，TMZ）治疗和细胞增殖周期动态监测。C6细胞经50 μM TMZ处理后，AQP4表达在第三天和第七天分别下降42.5%和85.9%，同时kio从10.9±0.7 s⁻¹下降到6.7±0.8 s⁻¹和5.8±0.2 s⁻¹，降幅与AQP4下降幅度一致。在U87MG细胞增殖周期中，AQP4表达和kio均在对数生长期（phase II）达到峰值，而在滞后期（phase I）和静止衰退期（phase III）显著降低，二者线性相关系数达0.92。第三阶段为动物在体实验。研究者建立了大鼠皮下和原位C6胶质瘤模型。在体水交换DCE-MRI采用双次推注钆对比剂（gadopentetate dimeglumine）以提高kio估计精度，并采用稳态多梯度回波序列以克服T2*伪影。结果显示，kio图与免疫组织化学（immunohistochemistry，IHC）染色显示的AQP4空间分布高度一致，肿瘤边缘区域AQP4和kio均较高，而肿瘤核心区域均较低。采用同心环ROI分析，研究者发现kio与AQP4阳性细胞比例在本内肿瘤层面呈显著线性相关，平均r=0.82；在肿瘤间层面相关系数为0.85。线性回归给出kio = 10.5 s⁻¹ × AQP4阳性率 + 0.4 s⁻¹，表明AQP4相关kio高达10.5 s⁻¹，而非AQP4途径的基础kio仅为0.4 s⁻¹。在原位胶质瘤模型中也得到类似结果（r=0.92）。此外，经TGN020静脉注射后，大鼠胶质瘤全瘤平均kio从6.3±0.6 s⁻¹显著下降到3.5±0.7 s⁻¹，降幅为43%，进一步证明了kio对AQP4抑制的敏感性。第四阶段为人体胶质瘤验证。研究者在19例胶质瘤患者中进行了kio引导的立体定向活检，共获取45份活检样本。结果表明，kio与活检组织AQP4阳性细胞比例之间存在强线性相关（r=0.97，p<0.0001），回归方程为kio = 14.1 s⁻¹ × AQP4阳性率 + 0.2 s⁻¹。免疫电镜（immunoelectron microscopy，IEM）进一步在亚细胞层面证实高kio活检样本中AQP4金标记密度更高。此外，与传统MRI（增强T1加权、T2加权、ADC）相比，kio单变量模型可解释AQP4表达94%的方差，而传统多模态MRI模型仅能解释22%。

研究结论指出，kio是一种可无创、定量、高空间分辨率地检测胶质瘤AQP4表达的敏感影像学生物标志物。AQP4调控的跨膜水交换在胶质瘤中占主导地位，其动态范围大，而非AQP4基础值很小，使得kio具有较高的特异性和灵敏度。更重要的是，研究还发现低kio（即低AQP4表达）区域与治疗抵抗表型相关：在TMZ处理后的C6细胞中，耐TMZ的慢周期细胞（slow-cycling cells，SCCs）表现出更低的AQP4表达；在人类复发胶质瘤活检样本中，低kio样本的ZEB1（治疗抵抗标志物）表达显著高于高kio样本；低kio来源的原代细胞培养中SCC比例也更高。这些结果提示kio图可用于预测胶质瘤治疗反应，评估肿瘤内异质性，指导个体化治疗策略的选择。

本研究的亮点在于：首次将水交换DCE-MRI与AQP4表达建立定量联系，并通过细胞、动物和人体三个层面的验证证明了其准确性；采用CRISPR-Cas9基因敲除和TGN020药理学抑制等正交方法确认了kio的AQP4特异性；建立了kio引导的立体定向活检流程，避免了脑漂移对影像-病理匹配的影响；发现了低kio与治疗抵抗细胞亚型的关联，拓展了kio在预后和治疗决策中的潜在应用价值。该方法的临床应用成本低，只需在常规DCE-MRI基础上优化序列和分析模型，无需额外造影剂或药物开发，具有较高的转化可行性。未来可进一步优化扫描协议、提高kio估计精度，并探索其在其他AQP4相关疾病中的应用。