腦水腫與通道蛋白4的關(guān)系及進(jìn)展

林 鋒 吳 江

1.廣東醫(yī)學(xué)院，廣東湛江 524023；2.廣東醫(yī)學(xué)院附屬西鄉(xiāng)人民醫(yī)院，廣東深圳 518102

腦水腫見于各種內(nèi)源性或外源性有害因素的刺激致腦組織損害而產(chǎn)生的一種非特異性反應(yīng)。關(guān)于腦水腫是如何形成的，現(xiàn)在尚不十分明了。目前認(rèn)為，其與鈉通道活性減退、興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性作用、腦細(xì)胞膜磷脂代謝障礙以及水孔蛋白有關(guān)，其中特別是水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4）與腦水腫形成及消退的關(guān)系是目前的研究熱點。水通道蛋白（aquaporin，AQP）是一種水的分子通道，在動植物中均有，目前在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)共13種水通道蛋白。因為有AQP，細(xì)胞才可以快速調(diào)節(jié)體內(nèi)液體的分布，從水對生物的重要性而言，AQP的重要性不言而明。本文試從AQP的最新研究進(jìn)展與腦水腫的關(guān)系做一綜述。

1 AQP水孔蛋白家族

人們一直認(rèn)為，水在在生物體細(xì)胞是通過單純擴(kuò)散來完成運輸?shù)摹?988年Denker等發(fā)現(xiàn)了水通道蛋白存在于細(xì)胞膜，從此證實了細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運水的特異性通道蛋白，并稱CHIP28為AQP1。以后又陸續(xù)從哺乳動物組織中鑒定出13種水通道。目前已發(fā)現(xiàn)在腦組織中有七種水通道蛋白（AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11）。 AQP 與先前克隆的晶體纖維中的主要內(nèi)源性蛋白（jorintrinsic protein，MIP）有20%～40%的氨基酸序列同源性，目前所發(fā)現(xiàn)的水通道均屬MIP家族，后經(jīng)證明MIP亦有弱的水通道活性，被命名為AQP0。AQPs不僅能轉(zhuǎn)運水分子，而且還能通透其他一些小分子物質(zhì)。Tsukaguchi等據(jù)此將其分為三類：Ⅰ類為選擇性水通道，如 AQP1、AQP2、AQP4、AQP5；Ⅱ類對某些中性溶質(zhì)（尿素、甘油）有一定的選擇通透性，如AQP3、AQP7等；Ⅲ類有廣泛的選擇通透性（尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等），如AQP9，其中，后兩類又稱水甘油通道（aquaglyceroporins）。克隆出來的AQP10對甘油和尿素沒有滲透作用，但對水和中性溶質(zhì)卻具有滲透作用。此外，Wang等[1]的研究表明，NO和O2也能像通過AQP1樣通過AQP4水通道蛋白。另一種分類方法就是根據(jù)AQPs功能能否被汞抑制而將其分為汞敏感性蛋白和不敏感性蛋白。汞制劑能抑制AQPs家族的絕大多數(shù)成員對水的通透性，但不能抑制AQP4和AQP7。汞通過與AQP1殘基C189形成硫醇鍵引起AQP1構(gòu)象改變從而影響水的通透性。近來研究又證實，AQP1的70～73和189殘基在水孔或其附近，水孔的寬度是可變的，而汞制劑通過影響71～73殘基改變水孔的寬度調(diào)節(jié)其對水的通透能力。目前認(rèn)為，AQP4是由AQP4基因編碼的一種蛋白質(zhì)，屬于控制細(xì)胞膜水通道，構(gòu)成整體細(xì)胞膜蛋白質(zhì)家庭中的一員。實驗表明，AQP4有轉(zhuǎn)運水的能力很快，比其他的水通道蛋白高3～4倍，因此，在大腦內(nèi)其主要起調(diào)節(jié)水分子的作用。

2 AQP4的結(jié)構(gòu)

AQP4的基因已經(jīng)明確定位在人的第18對常染色體。AQP4的一級結(jié)構(gòu)與家族中的其他蛋白相同，但四級結(jié)構(gòu)卻不相同，它的四級結(jié)構(gòu)是由具有活性、分子量約34 kD亞單位組成的四聚體，亞單位含有6條疏水性的跨膜α右手螺旋結(jié)構(gòu)，其水孔道在每個亞單位均存在，氨基端和羧基端均位于胞內(nèi)。AQP4有3個 mRNA亞型，分別是 AQP41M1、AQP41M23和AQP41M23X。AQP41M1編碼的蛋白為M1、AQP41M23和AQP41M23X編碼的蛋白為M23。M23比M1在N端少了22個氨基酸。亞型的表達(dá)存在組織和年齡的差異。AQP4 C端第276～280的5個氨基酸主要起將AQP4固定在細(xì)胞膜上的作用。AQP4的基因包含的4個外顯子，分別編碼27、55、92、127位氨基酸序列，其間有3個內(nèi)含子，長度分別為0.8、0.3和5.2 kb，編碼31 kD和34 kD兩種蛋白。

3 AQP4的分布與功能

AQP蛋白作為一種水的分子通道，在動植物中均有，目前在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)共有13種水通道蛋白。迄今在腦內(nèi)已發(fā)現(xiàn) 7 種 AQP， 分別是 AQP1、AQP3、AQP4、AQP5、AQP8、AQP9、AQP11。AQP1主要與腦脊液生成有關(guān)。AQP9主要存在于室管膜細(xì)胞以及下丘腦內(nèi)側(cè)基底部的室管膜細(xì)胞，可能調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外間隙與體循環(huán)之間的信號傳遞。AQP4是腦內(nèi)表達(dá)最多的水通道蛋白，主要表達(dá)于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和室管膜，此外還表達(dá)于下丘腦的視上核、室旁核和下丘腦的口渴中樞。盡管如此，但是剔除AQP4基因的老鼠并沒有表現(xiàn)下丘腦的功能紊亂。有研究認(rèn)為，AQP4基因缺失的老鼠表現(xiàn)為尿濃縮功能障礙，可能是AQP的刪除影響了細(xì)胞上皮水通道轉(zhuǎn)運的功能[2]。目前AQP4被認(rèn)為是腦內(nèi)最主要的水通道蛋白。AQP4基因由4個外顯子組成，有研究表明，4個外顯子的功能與腦水腫的關(guān)系不大，其他外顯子的功能目前不是十分清楚，值得大力研究。AQP4在機體的其他組織分布很廣泛，在呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及在眼球中均有分布。另外，AQP4蛋白在新生幼畜表達(dá)較少，未成熟的血腦、血腦脊液屏障和顱內(nèi)的空間較大，因此，腦水腫的形成機制和消退過程可能和成年的動物不同?？傊?，由于水通道蛋白的存在，水才可以在細(xì)胞內(nèi)外快速交換從而為生物體的新陳代謝提供需要。

4 AQP4的表達(dá)和調(diào)節(jié)機制

AQP4的表達(dá)調(diào)節(jié)機制目前并不十分清楚，但其對腦內(nèi)水平衡的調(diào)節(jié)是十分重要的。研究發(fā)現(xiàn)，蛋白激酶C可以通過可逆性磷酸化調(diào)節(jié)AQP4的水滲透性。此外還有腦內(nèi)AQP4在血管周圍的定位需要α-Syntrophin的存在，在缺乏α-Syntrophin星形細(xì)胞足突質(zhì)膜處，AQP4的表達(dá)明顯減少，而其他地方則未見減少，甚至增多。蛋白激酶C主要通過AQP4的B環(huán)上含有蛋白激酶A的磷酸化調(diào)節(jié)AQP4的功能。此外，蛋白激酶C可在轉(zhuǎn)錄水平對AQP4 mRNA進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 腦水腫

腦水腫是腦組織中過多的水積聚所致。目前認(rèn)為，腦水腫的發(fā)生與損傷血腦屏障、腦微循環(huán)功能障礙、細(xì)胞代謝障礙、氧自由基堆積等多種綜合作用有關(guān)，多種病因均可引起腦水腫，如腦外傷、腦腫瘤、腦血管意外，一些全身性因素也可引起腦水腫，如肝腎器官損害、膿毒癥、甲狀腺功能減低。正常成年人腦組織水平衡主要與腦脊液、腦血液、腦細(xì)胞內(nèi)及腦實質(zhì)空隙內(nèi)液體有關(guān)。顱內(nèi)的水隨滲透壓和靜水壓的不同而改變，因為顱腦是封閉在顱骨中的，所以腦腫脹可以引起顱內(nèi)壓力增高，高顱壓可以引起腦灌注降低導(dǎo)致腦缺血，當(dāng)顱內(nèi)壓增高到臨界點導(dǎo)致調(diào)節(jié)功能喪失可迅速出現(xiàn)顱內(nèi)高壓危象或腦疝，危及生命。腦水腫的形成目前認(rèn)為與與細(xì)胞膜鈉泵失調(diào)、興奮性氨基酸的神經(jīng)毒作用、腦細(xì)胞膜磷脂代謝障礙、自由基堆積、AQP4蛋白有關(guān)。目前，腦水腫在國際上多按發(fā)病機制分為四種病理類型：細(xì)胞毒性腦水腫、血管源性腦水腫、間質(zhì)性腦水腫和缺血性腦水腫。細(xì)胞毒性腦水腫為腦實質(zhì)內(nèi)水分增加，主要與組織損傷和細(xì)胞滲透壓調(diào)節(jié)障礙引起的滲透壓梯度有關(guān)，主要發(fā)生在低滲和腦血管缺血早期。細(xì)胞內(nèi)的水主要為細(xì)胞Na-K-ATP酶功能失調(diào)，細(xì)胞不能調(diào)節(jié)細(xì)胞容積所致水鈉儲留，導(dǎo)致細(xì)胞間隙和血液的水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。膠質(zhì)細(xì)胞是該類腦水腫的主要類型，而AQP4是腦內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的主要類型，膠質(zhì)細(xì)胞的腫脹可能是導(dǎo)致大腦更進(jìn)一步損害的重要因素。血管源性腦水腫為血管內(nèi)皮損傷，致血管通透性增高，水和血漿漏入周圍腦組織引起的水腫，主要見于腦腫瘤和腦膿腫，與血腦屏障的破壞有關(guān)。來自于血液的等滲液體和血清蛋白進(jìn)入腦組織空間，其主要是細(xì)胞間質(zhì)空間的擴(kuò)張，腦白質(zhì)的水腫比灰質(zhì)嚴(yán)重。腦積水性腦水腫又叫間質(zhì)性腦水腫，主要見于梗阻性腦積水，當(dāng)腦室積水時，腦室的壓力大于周圍腦組織的壓力，產(chǎn)生壓力梯度，腦脊液通過室管膜滲入腦室周圍白質(zhì)中，引起腦水腫。在臨床中，一般是混合性的腦水腫，如創(chuàng)傷性腦水腫一般既有血管源性又有細(xì)胞毒性腦水腫。腦水腫一般通過血腦屏障進(jìn)入血液、進(jìn)入腦脊液系統(tǒng)等方式消除。血管源性腦水腫主要通過膠質(zhì)界膜進(jìn)入腦脊液，細(xì)胞毒性水腫可能也主要通過膠質(zhì)界膜進(jìn)入腦室系統(tǒng)腦脊液循環(huán)，缺血性腦水腫屬混合性水腫。缺血區(qū)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞及其周圍的膠質(zhì)細(xì)胞開始腫脹，持續(xù)引起血腦屏障破壞，毛細(xì)血管通透性增加，此時即由細(xì)胞毒性水腫過渡到血管源性水腫。由于膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞受到破壞，壞死后的分解產(chǎn)物又可引起缺血區(qū)滲透性增高，使腦水腫進(jìn)一步加重。目前腦水腫的治療方法主要包括糾正全身因素、限制水鈉攝入、脫水劑的應(yīng)用以及外科手術(shù)減壓等。

6 AQP4與腦水腫關(guān)系及進(jìn)展

AQP4與腦水腫有關(guān)的證據(jù)最早表現(xiàn)為剔除了AQP4基因的老鼠細(xì)胞毒性腦水腫比普通老鼠出現(xiàn)的晚且輕，預(yù)后較好，可能跟減少血腦屏障的滲透性和減緩水流進(jìn)實質(zhì)細(xì)胞有關(guān)，且剔除AQP4基因的老鼠在腦感染和缺血的早期也表現(xiàn)出了保護(hù)作用[3]。因此，人們認(rèn)為抑制AQP4蛋白可預(yù)防和治療腦水腫[4]。但隨后隨著血管源性腦水腫試驗的開展，剔除AQP4基因的老鼠卻表現(xiàn)出比普通老鼠更嚴(yán)重的腦水腫，且腦水腫的消退過程較慢。在腦積水性腦水腫中，AQP4基因剔除的老鼠在實驗動物腦室擴(kuò)展比普通型更快，可能是缺乏AQP4致使水分子通過屏障進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔所致[5]。此外，AQP4可能與細(xì)胞遷移和神經(jīng)興奮有關(guān)。一些實驗表明，剔除AQP4的老鼠星形細(xì)胞的遷移速度變慢和神經(jīng)興奮性降低[6-7]。Guo等[8]的研究認(rèn)為，與采用孕酮治療的腦創(chuàng)傷組相比，對照組可顯著減少腦組織的含水量，在該實驗中，腦水腫24 h時腦組織的AQP4表達(dá)變化不大，而72 h時AQP4蛋白在創(chuàng)傷的腦組織中顯著的減少。此外有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，AQP4蛋白可能與星形細(xì)胞的形態(tài)、生長、功能有關(guān)[9-10]。Sun等[11]的研究認(rèn)為，在創(chuàng)傷性顱腦損傷導(dǎo)致的腦水腫中，AQP4蛋白上調(diào)可能是引起損傷區(qū)腦水腫的主要途徑和原因。已有研究發(fā)現(xiàn)，腦水腫在24 h達(dá)高峰，雙側(cè)大腦半球AQP4蛋白表達(dá)均降低，但傷后48 h創(chuàng)傷側(cè)大腦半球降低更明顯。研究還發(fā)現(xiàn)，基因敲除鼠模型的腦水腫明顯減輕。有研究發(fā)現(xiàn)，降鈣素相關(guān)基因肽能抑制AQP4蛋白和其信使核糖核酸，減輕腦水腫[12]。此外，最近Liu等[13]Shin等[14]的研究表明，在一定程度上通過雌激素受體調(diào)整AQP4的保持水平，對缺血性腦水腫起居中調(diào)停作用。Ding等[15]的研究表明，AQP 4與腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲有關(guān)。Lukaszewicz等[16]研究表明，水通道蛋白激動劑或拮抗劑的缺乏并不能有助于腦水腫的消退。Sun等[11]的研究表明，AQP4的上調(diào)是引起損傷區(qū)腦水腫的主要途徑和原因。Manley等[17]在大鼠水中毒和腦缺血模型兩個實驗中研究表明，AQP4基因剔除大鼠腦水腫程度減輕。也有相反的說法，如Oliva等[18]研究表明，抑制AQP4并不能阻止創(chuàng)傷后腦水腫的發(fā)展。AQP4敲除可改變雌激素對單胺類遞質(zhì)水平的調(diào)節(jié)作用，對紋狀體內(nèi)DA水平的影響尤為顯著。有研究者通過研究認(rèn)為，AQP4蛋白有減輕或防止NMDA誘導(dǎo)腦損傷的作用[19-20]。這表明水通道蛋白可能有雙重作用，在早期與可能參與腦水腫的形成，中晚期則參與腦水腫的消退。以上這些研究表明，AQP4在腦組織水的調(diào)節(jié)代謝中起非常重要的功能，但目前對其功能和作用還有一些爭議，其在腦水腫的作用已見上述，對其進(jìn)一步的研究會揭示其真正的功能，而AQP4的研究可能為治療腦水腫找到另一種嶄新的途徑。

7 展望

AQP4蛋白對各種腦水腫的作用都非常重要，但目前人們對AQP4蛋白的作用還有一些爭論，對部分腦水腫可以通過抑制和增強AQP4的表達(dá)來預(yù)防和治療腦水腫，但由于人們對AQP4的表達(dá)和調(diào)節(jié)并沒有完全了解，同時關(guān)于抑制和提高AQP4蛋白會引起細(xì)胞形態(tài)功能遠(yuǎn)期變化的研究也還較少，如何抑制和增強AQP4蛋白的表達(dá)及其與其他蛋白的相互作用等也需要進(jìn)一步研究。另外，AQP4蛋白在水腫期是否是一種適應(yīng)性表達(dá)、甘露醇、高滲鹽水、白蛋白、糖皮質(zhì)激素等脫水劑藥物對腦內(nèi)水平衡的影響因素與AQP4的關(guān)系如何、AQP4蛋白是否還有其他的功能等問題都需要進(jìn)一步研究。

總之，AQP4蛋白方面的研究可能會對預(yù)防和治療腦水腫及腦水腫形成機制和變化的研究提供另一條有效的途徑，同時可能會帶來腦內(nèi)其他研究的變革，如膠質(zhì)瘤的遷移、浸潤與AQP4的變化關(guān)系等，因此，對AQP4蛋白的研究還有很長的路要走。

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